Как работают GSM-сети или краткие основы связи. Мобильная связь

Знаете ли вы, что происходит после того, как вы набрали номер друга на мобильном телефоне? Как сотовая сеть находит его в горах Андалусии или на побережье далекого острова Пасхи? Почему иногда неожиданно разговор прерывается? На прошлой неделе я побывал в компании Beeline и попытался разобраться, как устроена сотовая связь…

Большая площадь населенной части нашей страны покрыта Базовыми Станциями (БС). В поле они выглядят как красно-белые вышки, а в городе спрятаны на крышах нежилых домов. Каждая станция ловит сигнал от мобильных телефонов на удалении до 35 километров и общается с мобильным телефоном по служебным или голосовым каналам.

После того, как вы набрали номер друга, ваш телефон связывается с ближайшей к вам Базовой Станцией (БС) по служебному каналу и просит выделить голосовой канал. Базовая Станция отправляет запрос на контроллер (BSC), а тот переадресует его на коммутатор (MSC). Если ваш друг является абонентом той же сотовой сети, то коммутатор сверится с Home Location Register (HLR), выяснит, где в данный момент находится вызываемый абонент (дома, в Турции или на Аляске), и переведет звонок на соответствующий коммутатор, откуда тот его переправит на контроллер и затем на Базовую Станцию. Базовая Станция свяжется с мобильным телефоном и соединит вас с другом. Если ваш друг абонент другой сети или вы звоните на городской телефон, то ваш коммутатор обратится к соответствующему коммутатору другой сети. Сложно? Давайте разберемся подробнее. Базовая Станция представляет из себя пару железных шкафов, запертых в хорошо кондиционируемом помещении. Учитывая, что в Москве было на улице +40, мне захотелось немного пожить в этом помещении. Обычно, Базовая Станция находится либо на чердаке здания, либо в контейнере на крыше:

2.

Антенна Базовой Станции разделена на несколько секторов, каждый из которых «светит» в свою сторону. Вертикальная антенна осуществляет связь с телефонами, круглая соединяет Базовую Станцию с контроллером:

3.

Каждый сектор может обслуживать до 72 звонков одновременно, в зависимости от настройки и конфигурации. Базовая Станция может состоять из 6 секторов, таким образом, одна Базовая Станция может обслуживать до 432 звонков, однако, обычно на станции установлено меньшее количество передатчиков и секторов. Сотовые операторы предпочитают ставить больше БС для улучшения качества связи. Базовая Станция может работать в трех диапазонах: 900 МГц — сигнал на этой частоте распространяется дальше и лучше проникает внутрь зданий 1800 МГц — сигнал распространяется на более короткие расстояния, но позволяет установить большее количество передатчиков на 1 секторе 2100 МГц — Сеть 3G Вот так выглядит шкаф с 3G оборудованием:

4.

На Базовые Станции в полях и деревнях устанавливают передатчики 900 МГц, а в городе, где Базовые Станции натыканы как иглы у ежика, в основном, связь осуществляется на частоте 1800 МГц, хотя на любой Базовой Станции могут присутствовать передатчики всех трех диапазонов одновременно.

5.

6.

Сигнал частотой 900 МГц может бить до 35 километров, хотя «дальность» некоторых Базовых Станций, стоящих вдоль трасс, может доходить до 70 километров, за счет снижения числа одновременно обслуживаемых абонентов на станции в два раза. Соответственно, наш телефон с его маленькой встроенной антенной также может передавать сигнал на расстояние до 70 километров… Все Базовые Станции проектируются таким образом, чтобы обеспечить оптимальное покрытие радиосигналом на уровне земли. Поэтому, несмотря на дальность в 35 километров, на высоту полета самолетов радиосигнал просто не посылается. Тем не менее, некоторые авиакомпании уже начали устанавливать на своих самолетах маломощные базовые станции, которые обеспечивают покрытие внутри самолета. Такая БС соединяется с наземной сотовой сетью с помощью спутникового канала. Система дополняется панелью управления, которая позволяет экипажу включать и выключать систему, а также отдельные типы услуг, например, выключать голос на ночных рейсах. Телефон может измерять уровень сигнала от 32 Базовых Станций одновременно. Информацию о 6-ти лучших (по уровню сигнала) он отправляет по служебному каналу, и уже контроллер (BSC) решает, какой БС передать текущий звонок (Handover), если вы находитесь в движении. Иногда телефон может ошибиться и перебросить вас на БС с худшим сигналом, в этом случае разговор может прерваться. Также может оказаться, что на Базовой Станции, которую выбрал ваш телефон, все голосовые линии заняты. В этом случае разговор также прервется. Еще мне рассказали о так называемой «проблеме верхних этажей». Если вы живете в пентхаусе, то иногда, при переходе из одной комнаты в другую, разговор может прерываться. Это происходит потому, что в одной комнате телефон может «видеть» одну БС, а во второй — другую, если она выходит на другую сторону дома, и, при этом эти 2 Базовые Станции находятся на большом удалении друг от друга и не прописаны как «соседние» у сотового оператора. В этом случае передача звонка с одной БС на другую происходить не будет:

Связь в метро обеспечивается так же, как и на улице: Базовая Станция – контроллер – коммутатор, с той лишь разницей, что применяются там маленькие Базовые Станции, а в тоннеле покрытие обеспечивается не обычной антенной, а специальным излучающим кабелем. Как я уже писал выше, одна БС может производить до 432 звонков одновременно. Обычно этой мощности хватает за глаза, но, например, во время некоторых праздников БС может не справиться с количеством желающих позвонить. Обычно это случается на Новый Год, когда все начинают поздравлять друг друга. SMS передаются по служебным каналам. На 8 марта и 23 февраля люди предпочитают поздравлять друг друга с помощью SMS, пересылая смешные стишки, и телефоны зачастую не могут договориться с БС о выделении голосового канала. Мне рассказали интересный случай. Из одного района Москвы стали поступать жалобы от абонентов о том, что они не могут никуда дозвониться. Технические специалисты стали разбираться. Большинство голосовых каналов было свободно, а все служебные были заняты. Оказалось, что рядом с этой БС находился институт, в котором шли экзамены и студенты беспрерывно обменивались эсэмэсками. Длинные SMS телефон делит на несколько коротких и отправляет каждое отдельно. Сотрудники технической службы советуют отправлять такие поздравления с помощью MMS. Это будет быстрее и дешевле. С Базовой Станции звонок попадает на контроллер. Выглядит он так же скучно, как и сама БС — это просто набор шкафов:

7.

В зависимости от оборудования, контроллер может обслуживать до 60 Базовых Станций. Связь между БС и контроллером (BSC) может осуществляться по радиорелейному каналу либо по оптике. Контроллер осуществляет управление работой радиоканалов, в т.ч. контролирует передвижение абонента, передачу сигнала с одной БС на другую. Гораздо интереснее выглядит коммутатор:

8.

9.

Каждый коммутатор обслуживает от 2 до 30 контроллеров. Он занимает уже большой зал, заставленный различными шкафами с оборудованием:

10.

11.

12.

Коммутатор осуществляет управление трафиком. Помните старые фильмы, где люди сначала дозванивались до «девушки», а затем она уже соединяла их с другим абонентом, перетыкивая проводки? Этим же занимаются и современные коммутаторы:

13.

Для контроля за сетью у Билайна есть несколько автомобилей, которые они ласково называют «ежики». Они передвигаются по городу и измеряют уровень сигнала собственной сети, а также уровень сети коллег из «Большой Тройки»:

14.

Вся крыша такого автомобиля утыкана антеннами:

15.

Внутри стоит оборудование, осуществляющее сотни звонков и снимающее информацию:

16.

Круглосуточный контроль за коммутаторами и контроллерами осуществляется из Центра Управления Полетами Центра Контроля Сети (ЦКС):

17.

Существует 3 основных направления по контролю за сотовой сетью: аварийность, статистика и обратная связь от абонентов. Так же, как и в самолетах, на всем оборудовании сотовой сети стоят датчики, которые посылают сигнал в ЦКС и выводят информацию на компьютеры диспетчеров. Если какое-то оборудование вышло из строя, то на мониторе начнет «мигать лампочка». ЦКС также отслеживает статистику по всем коммутаторам и контроллерам. Он анализирует ее, сравнивая с предыдущими периодами (часом, сутками, неделей и т.д.). Если статистика какого-то из узлов стала резко отличаться от предыдущих показателей, то на мониторе опять начнет «мигать лампочка». Обратную связь принимают операторы абонентской службы. Если они не могут решить проблему, то звонок переводится на технического специалиста. Если же и он оказывается бессильным, то в компании создается «инцидент», который решают инженеры, занимающиеся эксплуатацией соответствующего оборудования. За коммутаторами круглосуточно следят по 2 инженера:

18.

На графике показана активность московских коммутаторов. Хорошо видно, что ночью практически никто не звонит:

19.

Контроль за контроллерами (простите за тавтологию) осуществляется со второго этажа Центра Контроля Сети:

22.

21.

Немного грустно, что подавляющее большинство людей на вопрос: «Как работает сотовая связь?», отвечают «по воздуху» или вообще - «не знаю».

В продолжение этой темы, у меня вышел один забавный разговор с другом на тему работы мобильной связи. Случилось это аккурат за пару дней до отмечаемого всеми связистами и телекомщиками праздника «Дня радио». Так уж сложилось, что в силу своей ярой жизненной позиции, мой друг считал, что мобильная связь работает вообще без проводов через спутник . Исключительно за счет радиоволн. Сначала у меня не получалось переубедить его. Но после непродолжительной беседы все встало на свои места.

После этой дружеской «лекции» появилась идея написать простым языком о том, как работает сотовая связь. Все как есть.

Когда вы набираете номер и начинаете звонить, ну, или вам кто-нибудь звонит, то ваш мобильный телефон по радиоканалу связывается с одной из антенн ближайшей базовой станции. Где же находятся эти базовые станции, спросите вы?

Обратите внимание на промышленные здания, городские высотки и специальные вышки . На них и располагаются большие серые прямоугольные блоки с торчащими антеннами разных форм. Но антенны эти не телевизионные и не спутниковые, а приемо-передающие операторов сотовой связи. Они направлены в разные стороны, чтобы обеспечить связью абонентов со всех сторон. Ведь мы же не знаем, откуда будет поступать сигнал и куда занесет «горе-абонента» с телефонной трубкой? На профессиональном жаргоне антенны также называют «секторами». Как правило, они устанавливаются от одной до двенадцати.

От антенны сигнал по кабелю передается непосредственно в управляющий блок станции . Вместе они и образуют базовую станцию [антенны и управляющий блок]. Несколько базовых станций, чьи антенны обслуживают отдельную территорию, например, район города или небольшой населенный пункт, подсоединены к специальному блоку - контроллеру . К одному контроллеру обычно подключается до 15 базовых станций.

В свою очередь, контроллеры, которых также может быть несколько, кабелями подключены к «мозговому центру» - коммутатору . Коммутатор обеспечивает выход и вход сигналов на городские телефонные линии, на других операторов сотовой связи, а также операторов междугородней и международной связи.

В небольших сетях используется только один коммутатор, в более крупных, обслуживающих сразу более миллиона абонентов, могут использоваться два, три и более коммутаторов , объединенных между собой опять-таки проводами.

Зачем же такая сложность? Спросят читатели. Казалось бы, можно антенны просто подключить к коммутатору и все будет работать . А тут базовые станции, коммутаторы, куча кабелей… Но, не все так просто.

Когда человек передвигается по улице пешком или идет на автомобиле, поезде и т.д. и при этом еще и разговаривает по телефону, важно обеспечить непрерывность связи. Связисты процесс эстафетной передачи обслуживания в мобильных сетях называют термином «handover». Необходимо вовремя переключать телефон абонента из одной базовой станции на другую, от одного контроллера к другому и так далее.

Если бы базовые станции были напрямую подключены к коммутатору, то всеми этими переключениями пришлось бы управлять коммутатору . А ему «бедному» и так есть, чем заняться. Многоуровневая схема сети дает возможность равномерно распределить нагрузку на технические средства . Это снижает вероятность отказа оборудования и, как следствие, потери связи. Ведь все мы заинтересованы в бесперебойной связи, не так ли?

Итак, достигнув коммутатора, наш звонок переводится д алее - на сеть другого оператора мобильной, городской междугородной и международной связи. Конечно же, это происходит по высокоскоростным кабельным каналам связи. Звонок поступает на коммутатор другого оператора. При этом последний «знает», на какой территории [в области действия, какого контроллера] сейчас находится нужный абонент. Коммутатор передает телефонный вызов конкретному контроллеру, в котором содержится информация, в зоне действия какой базовой станции находится адресат звонка. Контроллер посылает сигнал этой единственной базовой станции, а она в свою очередь «опрашивает», то есть вызывает мобильный телефон. Трубка начинает причудливо звонить.

Весь этот длинный и сложный процесс в реальности занимает 2-3 секунды !

Точно также происходят телефонные звонки в разные города России, Европы и мира. Для связи коммутаторов различных операторов связи используются высокоскоростные оптоволоконные каналы связи . Благодаря им сотни тысяч километров телефонный сигнал преодолевает за считанные секунды.

Спасибо великому Александру Попову за то, что он дал миру радио! Если бы не он, возможно, мы бы сейчас были лишены многих благ цивилизации.

Люди уже давно научились общаться на расстоянии. В древности с вестями посылали гонца, позже писали письма. Теперь, чтобы сказать далёкому другу пару слов, можно просто позвонить ему. Главное иметь при себе сотовый телефон. Но как они соединяются между собой, если у них даже нет проводов? В этом рассказе я расскажу вам как работает телефон.

Что это такое?

Мобильный телефон больше похож на рацию, чем на обычный проводнойтелефон. Для передачи сигнала используются радиоволны.

Разница в том, что рации подключены к одной антенне, и могут соединяться, лишь поймав сигнал от неё. Сотовые телефоны не привязаны к конкретной станции. Во время передвижения они подключаются к той антенне, от которой поступает самый сильный сигнал, поэтому мы можем пользоваться связью практически во всем мире, не меняя сим-карту. Антенны, или базовые станции, построены по всему миру, они прячутся в рекламных щитах, часах, столбах и даже в деревьях. Каждая из них отвечает за свою зону, имеющую форму шестиугольника. На схемах эти граничащие друг с другом территории напоминают пчелиные соты. Отсюда и название - сотовая связь.

Кто был первым?

Как вы думаете, кто самым первым поговорил по мобильному телефону? Разумеется, что это был сотрудник компании Motorola, которая их выпустила. В 1973 году, находясь на одной из улиц Нью-Йорка, он позвонил и похвастался звонком с необычного в то время телефона своему главному конкуренту. Этот телефон стал прототипом первого мобильника, поступившего на прилавки магазинов спустя 10 лет.

Чтобы телефон заработал, нужно вставить в него сим-карту. На ней записана информация об абоненте, то есть о человеке, который ею пользуется. Мобильный телефон начинает проверять все доступные ему частоты, их около 160. Шесть лучших сигналов записываются на сим-карту, это и есть сигналы именно вашей сети.

После того как вы набрали номер вашего приятеля, ваш телефон передает информацию о вас на антенну с самым мощным сигналом. Ваш оператор (например, МТС или Билайн) узнаёт вас, находит свободный канал, на котором может происходить ваш разговор, и соединяет вас. Все это занимает всего несколько секунд.

Сам разговор - это достаточно сложный технический процесс. Наш голос разбивается на отрезки длительностью 20 миллисекунд и преобразовывается в цифровой формат, затем кодируется специальной системой. Зашифрованные сигналы обрабатываются ещё раз, чтобы убрать посторонний шум.

Сейчас сотовый телефон служит не только для разговоров. В одном маленьком устройстве умещается такие простые механизмы как простые часы, будильник, калькулятор, календарь, фонарик, так и сложные фотоаппарат, выход в интернет, плеер и многое другое.

Связь мобильных, или, как их еще называют, сотовых, телефонов осуществляется не при помощи проводов, как в обычной телефонной системе, а посредством радиоволн. Чтобы позвонить по мобильному телефону, необходимо как обычно набрать номер. Тем самым радиопослание поступает на базовую станцию, управляемую сотовой телефонной компанией.

На станции, которая обслуживает все звонки в пределах данного радиуса или зоны, контроллерное устройство определяет звонок в свободный радиоканал. Кроме того, оно направляет сигнал в автоматическую телефонную станцию сотовой связи. Считывая специальные коды, передаваемые телефоном,

АТС следит за передвижением автомашины по зоне первой станции. Если во время звонка машина минует зону и оказывается в следующей, звонок автоматически переводится на базовую станцию, действующую в той зоне. При звонке по мобильному телефону звонящий подключается к автоматической телефонной станции для сотовой связи, которая определяет местонахождение мобильного телефона, запрашивает свободный радиоканал у контроллерного устройства цепи и осуществляет связь - через базовую станцию - с нужным номером. Затем мобильный телефон звонит. Когда водитель поднимает трубку, цепь замыкается.

Работа базовой станции

Каждая базовая станция принимает сигналы, испускаемые в радиусе от трех до шести миль. Чтобы избежать шумов, базовые станции с совпадающими границами должны работать на различных частотных каналах. Но даже в пределах одного города достаточно удаленные друг от друга станции могут без труда работать на одном канале.

Местная телефонная система, которая обслуживает и дома и офисы, основана на проводах, тянущихся под и над землей и подсоединенных к автоматической станции.

Местонахождение и канал

Автоматическая телефонная станция определяет местоположение движущегося транспортного средства, в то время как контроллер цепи направляет звонок в коммуникационный канал.

Область звонка

Когда автомобиль выезжает за пределы зоны самой удаленной базовой станции, водитель больше не может пользоваться сотовой связью. Если звонок сделан на пути к границе зоны, сигнал становится все слабее и слабее и в конце концов совсем исчезает.

На пути от станции к станции

На всем протяжении мобильного звонка автоматическая телефонная станция для сотовой связи фиксирует местонахождение движущегося автомобиля по силе исходящих от него радиосигналов. Когда сигнал становится слишком слабым, автоматическая телефонная станция предупреждает базовую станцию, которая, в свою очередь, передает звонок для обслуживания соседней станции.

Многие ли из нас задумываются, что происходит после того, как мы нажимаем кнопку вызова на мобильном телефоне? Как работают сотовые сети ?

Скорее всего, нет. Чаще всего мы набираем федеральный номер собеседника на автомате, как правило, по делу, поэтому что там и как устроено нас не интересует в конкретный момент времени. А ведь это удивительные вещи. Как можно позвонить человеку, находящемуся в горах или посреди океана? Почему во время разговора мы можем плохо слышать друг друга, а то и вовсе прерваться. Наша статья попробует пролить свет на принцип работы сотовой связи.

Итак, большая часть плотно заселенной территории России, покрыта так называемыми БС, что без сокращения именуются Базовыми Станциями. Многие могли обращать на них свое внимание, путешествуя между городами. В открытом поле, Базовые станции больше похожи на вышки, которые имеют красный и белый цвет. А вот в городе такие БС продуманно размещены на крышах нежилых высоток. Эти вышки способны поймать сигнал от любого сотового телефона, находящегося территориально в радиусе не более, чем 35 километров. "Общение" между БС и телефоном происходит через специальный служебный или голосовой канал.

Как только человек набирает нужный ему номер на мобильном устройстве, аппарат находит самую близко расположенную к нему Базовую Станцию поэтому специальному служебному каналу и просит у нее выделить голосовой канал. Вышка после получения запроса от устройства отправляет запрос на так называемый контроллер, который сокращенно будем называть BSC. Этот самый контроллер перенаправляет запрос уже на коммутатор. "Умный" коммутатор MSC определит, к какому оператору подключен вызываемый абонент.

Если оказывается, что звонок совершается на телефон внутри одной сети, например от абонента Билайн другому абоненту этого оператора, или внутри МТС, внутри Мегафон и так далее, то коммутатор начнет выяснять местоположение вызываемого абонента. Благодаря Home Location Register коммутатор найдет, где находится необходимый человек. Он может быть где угодно, дома, на работе, на даче или вообще в другой стране. Это не помешает коммутатору перевести звонок на соответствующий коммутатор. И тут "клубок" начнет "разматываться". То есть звонок от коммутатора - "ответчика" пойдет на контроллер - "ответчика", затем на его Базовую Станцию и на мобильный телефон соответственно.

Если же коммутатор выяснит, что вызываемый абонент принадлежит другому оператору, то отправит запрос на коммутатор уже другой сети.
Согласитесь, схема достаточно простая, но трудно представима. Как "умная" Базовая Станция находит телефон, отправляет запрос, а коммутатор сам определяет оператора и другого коммутатора. Что такое Базовая станция на самом деле? Оказывается, это несколько железных шкафов, которые располагаются либор под самой крышей здания, на чердаке или в специальном контейнере. Главное условие - помещение должно отлично кондиционироваться.

Логично, что у БС есть антенна, которая и помогает ей "ловить" связь. Антенна у БС состоит из нескольких частей (секторов), каждый из которых отвечает за территорию. Часть антенны, которая расположена вертикально отвечает за связь с мобильными телефонами, а круглая предназначены для связи с контроллером.

Один сектор способен одновременно принимать звонки от семидесяти телефонных аппаратов. Если учесть, что одна БС может состоять из шести секторов, то одновременно она спокойно обслужит 6*72=432 звонка.

Как правило, такой мощности Базовой станции хватает "с головой". Конечно, случаются ситуации, когда все население нашей страны начинает одновременно звонить друг другу. Это новый Год. Некоторым достаточно лишь произнести в трубку заветную фразу «С Новым Годом!», другие же готовы проговаривать часы с безлимитным тарифом от "Корпорации Связи" , обсуждая гостей и планы на всю ночь.

Однако вне зависимости от продолжительности разговора, Базовые станции не справляются, и дозвониться до абонента бывает очень сложно. Но в будние дни большую часть года БС из шести секторов вполне достаточно, тем более для оптимальной загруженности оператору подбирают Станции в соответствии с заселенностью территории. Некоторые операторы отдают свое предпочтение большим БС в целях улучшения качества предоставляемой связи.

Существует три диапазона, в которых может работать БС и которые определяют количество поддерживаемых аппаратов и охватываемое расстояние. В диапазоне 900 МГЦ станция способна охватить большую территорию, а вот в диапазоне 1800 МГц расстояние существенно сократится, зато увеличится число подключаемых передатчиков. Третий диапазон в 2100 МГц предполагает уже связь нового поколения - 3G.
Понятно, что в малонаселенных пунктах целесообразнее установить Базовую Станцию на 900 МГц, а вот в городе подойдет 1800 МГц, чтобы лучше проникать сквозь толстые бетонные стены, причем понадобится этих БС в десять раз больше, чем в поселке. Отметим, что одна БС может поддерживать три диапазона сразу.

Станции в режиме 900 МГц охватывают территорию радиусом в 35 км, однако если в данный момент она обслуживает мало телефонов, то может "пробить" и до 70 км. Естественно, наши мобильные телефоны могут "находить" БС даже на расстоянии 70 км. Базовые Станции разработаны так, чтобы максимально покрывать земную поверхность и обеспечивать большое количество людей связью именно на земле, поэтому при возможности ловить сигналы на расстоянии минимум 35 километров, на такое же расстояние, но в небо, Базовые Станции не "пробивают".

Для того, чтобы обеспечить своих пассажиров сотовой связью, некоторые авиакомпании начинают размещать маленькие БС на бортах самолетов. Связь "небесной" Базовой Станции с "земной" осуществляется с помощью спутникового канала. Так как работа мобильных устройств может помешать процессу полета, бортовые БС легко могут включаться / выключаться, имеют несколько режимов работы, вплоть до полного отключения передачи голосовых сообщений. Во время полета телефон может случайно быть переведен на базовую станцию с худшим сигналом или без свободных каналов. В таком случае звонок прервется. Все это тонкости работы сотовой связи в небе в движении.

Помимо самолетов, некоторые проблемы возникают и у жителей пентхаусов. Даже безлимитный тариф и ВИП - условия у оператора сотовой связи не помогут в случае разных БС. Житель квартиры на высоком этаже, переходя из одной комнаты в другую, потеряет связь. Это может произойти из-за того, что телефон в одной комнате "видит" одну БС, а в другой он "обнаруживает" другую. Поэтому при разговоре связь прерывается, так как эти БС находятся на относительном расстоянии друг от друга и даже не считаются "соседними" у одного оператора.