Как работает сотовая связь – Как это сделано

Виды базовых станций

Прежде всего, сотовые базовые станции различаются размерами. По этому параметру их можно поделить на:

Фемтосота – самая маленькая и её скорее можно назвать точкой доступа. Обычно оператор сотовой связи не имеет отношения к данному оборудованию, оно является собственностью потребителя, и обеспечивает связь для домохозяйства или предприятия. Устройство не требует вмешательства оператора, автоматически определяет радио параметры и подключения к сети операторов. Размещается внутри помещений и имеет размеры сопоставимые с домашними роутерами.

Следующие по размеру устройства, это базовые сотовые станции маленькой мощности – Пикосоты. Устройство сравнимо по размеру с ноутбуком или даже портативным компьютером. Используются в местах потенциально большой концентрации пользователей интернета для распространения локального сигнала сети IP/Ethernet.

Следующей по размеру и уже вполне функциональная станция сотовой связи, это микросота. Обладая небольшими размерами и весом до 50 кг, обеспечивает связь в радиусе до 5 км.

Её габариты ограничивают количество поддерживаемых абонентов. Поэтому микросоты применяются в небольших населённых пунктах, для обеспечения локальных участков больших городов, там где нет необходимости в мощных излучателях или их некуда установить. Они практически незаметны на столбах. А в последнее время их научились еще и маскировать под деревья.

И наконец полноценные, мощные базовые сотовые станции, которые смонтированы повсюду. Особенно актуальна их установка на возвышенностях в городах. За городом мощные станции устанавливают чтобы обеспечить как можно больший радиус покрытия, потому что установка каждой связана с созданием хотя бы минимальной инфраструктуры.

Зона действия каждой базовой сотовой станции зависит рельефа окружающей местности, высоты антенны, количества помех и препятствий в радиусе работы сотовой связи. Поэтому при планировании места установки радиус покрытия не всегда имеет первостепенную важность.

Читайте про операторов: Телефонные коды мобильных операторов — Официальный сайт МегаФона Московский регион

Помимо перечисленных факторов учитывают ещё и возможный рост числа абонентов. Такой рост может спровоцировать ограничение на одновременное подключение сотовых телефонов. В этом случае операторам приходится уменьшать радиус действия установленной и дополнительно монтировать несколько станций сотовой связи.

Как работает сотовая связь – как это сделано

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:

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:

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:

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.

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:

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:

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.

Источник

Немного истории

На заре развития мобильной связи (а было это не так давно – в начале
восьмидесятых) Европа покрывалась аналоговыми сетями самых разных
стандартов – Скандинавия развивала свои системы, Великобритания свои…
Сейчас уже сложно сказать, кто был инициатором последовавшей очень
скоро революции – “верхи” в виде производителей оборудования,
вынужденные разрабатывать для каждой сети собственные устройства,
или “низы” в качестве пользователей, недовольные ограниченной
зоной действия своего телефона.

Так или иначе, в 1982 году Европейской
Комиссией по Телекоммуникациям (CEPT) была создана специальная группа
для разработки принципиально новой, общеевропейской системы мобильной
связи. Основными требованиями, предъявляемыми к новому стандарту,
были: эффективное использование частотного спектра, возможность автоматического
роуминга, повышенное качество речи и защиты от несанкционированного
доступа по сравнению с предшествующими технологиями, а также, очевидно,
совместимость с другими существующими системами связи (в том числе
проводными) и тому подобное.

Плодом упорного труда многих людей из разных стран (честно говоря,
мне даже страшно представить себе объем проделанной ими работы!) стала
представленная в 1990 году спецификация общеевропейской сети мобильной
связи, названная Global System for Mobile Communications или
просто GSM.

А дальше все замелькало, как в калейдоскопе – первый оператор
GSM принял абонентов в 1991 году, к началу 1994 года сети, основанные
на рассматриваемом стандарте, имели уже 1.3 миллиона подписчиков,
а к концу 1995 их число увеличилось до 10 миллионов!

Давайте же попробуем разобраться, как организованы и на каких принципах
функционируют сети GSM. Сразу скажу, что задача предстоит не из легких,
однако, поверьте – в результате мы получим истинное наслаждение от
красоты технических решений, используемых в этой системе связи.

За рамками рассмотрения останутся два очень важных вопроса: во-первых,
частотно-временное разделение каналов (с этим можно ознакомиться здесь
) и, во-вторых, системы шифрования и защиты передаваемой речи (это
настолько специфичная и обширная тема, что, возможно, в будущем ей
будет посвящен отдельный материал).

Регистрация в сети.

При каждом включении телефона после выбора сети начинается процедура
регистрации. Рассмотрим наиболее общий случай – регистрацию не в домашней,
а в чужой, так называемой гостевой, сети (будем предполагать, что
услуга роуминга абоненту разрешена).

Пусть сеть найдена. По запросу сети телефон передает IMSI
абонента. IMSI начинается с кода страны “приписки”
его владельца, далее следуют цифры, определяющие домашнюю сеть, а
уже потом – уникальный номер конкретного подписчика.

Например, начало
IMSI 25099… соответствует российскому оператору Билайн.
(250-Россия, 99 – Билайн). По номеру IMSIVLR
гостевой сети определяет домашнюю сеть и связывается с ее HLR.
Последний передает всю необходимую информацию об абоненте в VLR,
который сделал запрос, а у себя размещает ссылку на этот VLR,
чтобы в случае необходимости знать, “где искать” абонента.

Очень интересен процесс определения подлинности абонента. При регистрации
AuC домашней сети генерирует 128-битовое случайное
число – RAND, пересылаемое телефону. Внутри SIM с
помощью ключа Ki (ключ идентификации – так же как
и IMSI, он содержится в SIM) и алгоритма
идентификации А3 вычисляется 32-битовый ответ – SRES
(Signed RESult)

по формуле SRES = Ki * RAND. Точно такие же вычисления
проделываются одновременно и в AuC (по выбранному
из HLRKi пользователя). Если SRES,
вычисленный в телефоне, совпадет со SRES, рассчитанным
AuC, то процесс авторизации считается успешным и
абоненту присваивается TMSI (Temporary Mobile Subscriber
Identity-временный номер мобильного абонента).

Теоретически, при регистрации должен передаваться и номер IMEI,
но у меня есть большие сомнения насчет того, что московские операторы
отслеживают IMEI используемых абонентами телефонов.
Давайте будем рассматривать некую “идеальную” сеть, функционирующую
так, как было задумано создателями GSM.

Так вот, при получении IMEI
сетью, он направляется в EIR, где сравнивается с
так называемыми “списками” номеров. Белый список содержит
номера санкционированных к использованию телефонов, черный список
состоит из IMEI, украденных или по какой-либо иной
причине не допущенных к эксплуатации телефонов, и, наконец, серый
список – “трубки” с проблемами, работа которых разрешается
системой, но за которыми ведется постоянное наблюдение.

После процедуры идентификации и взаимодействия гостевого VLR
с домашним HLR запускается счетчик времени, задающий
момент перерегистрации в случае отсутствия каких-либо сеансов связи.
Обычно период обязательной регистрации составляет несколько часов.
Перерегистрация необходима для того, чтобы сеть получила подтверждение,
что телефон по-прежнему находится в зоне ее действия.

Дело в том,
что в режиме ожидания “трубка” только отслеживает сигналы,
передаваемые сетью, но сама ничего не излучает – процесс передачи
начинается только в случае установления соединения, а также при значительных
перемещениях относительно сети (ниже это будет рассмотрено подробно)
– в таких случаях таймер, отсчитывающий время до следующей перерегистрации,
запускается заново.

Все пользователи случайным образом разбиваются на 10 равноправных
классов доступа (с номерами от 0 до 9). Кроме того, существует несколько
специальных классов с номерами с 11 по 15 (разного рода аварийные
и экстренные службы, служебный персонал сети).

Информация о классе
доступа хранится в SIM. Особый, 10 класс доступа,
позволяет совершать экстренные звонки (по номеру 112), если пользователь
не принадлежит к какому-либо разрешенному классу, или вообще не имеет
IMSI (SIM).

Территориальное деление сети и handover.

Как уже было сказано, сеть состоит из множества BTS
– базовых станций (одна BTS – одна “сота”,
ячейка). Для упрощения функционирования системы и снижения служебного
трафика, BTS объединяют в группы – домены, получившие
название LA (Location Area – области расположения).
Каждой LA соответствует свой код LAI(Location
Area Identity).

Один VLR может контролировать несколько
LA. И именно LAIпомещается в VLR
для задания местоположения мобильного абонента. В случае необходимости
именно в соответствующей LA (а не в отдельной соте,
заметьте) будет произведен поиск абонента.

При перемещении абонента
из одной соты в другую в пределах одной LA перерегистрация
и изменение записей в VLR/HLR не
производится, но стоит ему (абоненту) попасть на территорию другой
LA, как начнется взаимодействие телефона с сетью.
Каждому пользователю, наверное, не раз приходилось слышать периодические
помехи (типа хрюк-хрюк—хрюк-хрюк—хрюк-хрюк 🙂 ) в музыкальной
системе своего автомобиля от находящегося в режиме ожидания телефона
– зачастую это является следствием проводимой перерегистрации при
пересечении границ LA.

При смене LA
код старой области стирается из VLR и заменяется
новым LAI, если же следующий LA
контролируется другим VLR, то произойдет смена VLR
и обновление записи в HLR.

Вообще говоря, разбиение сети на LA довольно непростая
инженерная задача, решаемая при построении каждой сети индивидуально.
Слишком мелкие LA приведут к частым перерегистрациям
телефонов и, как следствие, к возрастанию трафика разного рода сервисных
сигналов и более быстрой разрядке батарей мобильных телефонов.

Если
же сделать LA большими, то, в случае необходимости
соединения с абонентом, сигнал вызова придется подавать всем сотам,
входящим в LA, что также ведет к неоправданному росту
передачи служебной информации и перегрузке внутренних каналов сети.

Теперь рассмотрим очень красивый алгоритм так называемого handover`ра
(такое название получила смена используемого канала в процессе соединения).
Во время разговора по мобильному телефону вследствие ряда причин (удаление
“трубки” от базовой станции, многолучевая интерференция,
перемещение абонента в зону так называемой тени и т.п.) мощность (и
качество) сигнала может ухудшиться.

В этом случае произойдет переключение
на канал (может быть, другой BTS) с лучшим качеством
сигнала без прерывания текущего соединения (добавлю – ни сам абонент,
ни его собеседник, как правило, не замечают произошедшего handover`а).
Handover`ы принято разделять на четыре типа:

В общем случае, проведение handover`а – задача
MSC. Но в двух первых случаях, называемых внутренними
handover`ами, чтобы снизить нагрузку на коммутатор
и служебные линии связи, процесс смены каналов управляется BSC,
а MSC лишь информируется о происшедшем.

Во время разговора мобильный телефон постоянно контролирует уровень
сигнала от соседних BTS (список каналов (до 16),
за которыми необходимо вести наблюдение, задается базовой станцией).
На основании этих измерений выбираются шесть лучших кандидатов, данные
о которых постоянно (не реже раза в секунду) передаются BSC
и MSC для организации возможного переключения. Существуют
две основные схемы handover`а:

Интересно, что инициировать смену каналов может не только мобильный
телефон, но и MSC, например, для лучшего распределения
трафика.