Как устроена сеть сотовой связи GSM/UMTS / Хабр

Msc/vlr

MSC — Mobile Switching Center, центр коммутации для мобильных абонентов;
VLR — Visitor Location Register, регистр положения гостевых абонентов.
Логически это 2 раздельных узла, но на практике, это реализовано в одном и том же устройстве.
VLR хранит в себе копию тех данных, которые записаны в HLR с той лишь разницей, что тут уже нет информации о том MSC, в зоне действия которого находится абонент. Здесь хранится информация о том, в зоне действия какого BSC находится данный абонент. Ну и здесь, естественно, хранятся данные только о тех абонентах, которые сейчас находятся в зоне действия того MSC, к которому подключен данный VLR.
switch

MSC — классический коммутатор (конечно, не такой классический, который можно увидеть в музеях, где сидели бабушки и перетыкали проводки). Основные его функции — для исходящего вызова — определить куда переключить вызов, для входящего же соединения — определить на какой BSC отправить вызов.

Для выполнения этих то функций он и обращается в VLR за хранящейся там информацией. Здесь стоит заметить, что это плюс разнесения HLR и VLR — MSC не будет стучаться в HLR каждый раз, когда абоненту что-то нужно, а будет всё делать своими силами. Также MSC собирает данные для биллинга, далее эти данные скармливаются соответствующим системам.

Nodeb

NodeB, базовая станция в UMTS. Аналог BTS в GSM.

В целом, здесь описаны все жизненно важные элементы сети GSM/UMTS. Здесь я не упоминал ещё некоторые узлы, такие как SMS-C (SMS-Center), MMS-C (MMS-Center), WAP-GW (WAP-Gateway).

Если статья вызовет интерес, то в дальнейшем могу рассказать более подробно про сети радиодоступа GERAN и UTRAN, потому что я занимаюсь по большей части именно радийными вещами.

Читайте про операторов: Анализ рынка мобильной связи в России — маркетинговое исследование ГидМаркет

Базовая конфигурация

Радиус действия ПБС обычно составляет до 25 км, а одна такая станция позволяет обслужить до нескольких тысяч абонентов. При этом развертывание передвижной станции может происходить достаточно быстро, поскольку она оснащена всем необходимым оборудованием.

При выборе системы подключения к базовой сети сотовой связи передвижные станции могут использовать радиорелейное, оптоволоконное или спутниковое оборудование..

Передвижные базовые станции могут устанавливаться на базе автотранспорта трех основных типов — это микроавтобусы, грузовые автомобили повышенной проходимости, например, МАЗ, КамАЗ, ЗИЛ и другие, а также специализированные прицепы, буксируемые автомобилем.

Основное преимущество использование передвижной базовой станции на прицепе – низкая стоимость владения и универсальность.

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

Нормы размещения

Для установки базовой станции на определенной территории или здании, у оператора сотовой связи должен иметься проект, обоснования которого не противоречат санитарно-эпидемиологическим правилам и соответствуют нормам действующего законодательства.

По нормам действующих санитарных правил, базовые станции сотовой связи могут размещаться на существующих постройках (или на крышах жилых зданий). При установке на крыше жилого дома, размещение возможно при согласии 2/3 жильцов.

Если в округе отсутствуют высокие сооружения, базовые станции монтируют на мачтах, высота которых составляет 25-45 метров, а также на существующих трубах, принадлежащих котельным, телевизионных и радио башнях. Если базовая станция монтируется на вышках связи, на расстоянии более 10 метров от жилых построек, то получения согласия от жильцов не требуется.

Организация, обслуживающая базовую станцию, обязана обеспечить устойчивость связи для абонентов. При этом плотность потока электромагнитной энергии не должна превышать значения в 10 мкВт/см2 в местах нахождения человека.

Область применения

Следует отметить, что первые передвижные станции сотовой связи появились сравнительно недавно. О внедрении такого решения позаботился японский мобильный оператор, который начал использовать передвижные базовые станции, смонтированные на небольшом грузовике.

Передвижные базовые станции связи могут использоваться во время чрезвычайных ситуаций, например, после теракта в Мадриде в 2004 году крупный испанский сотовый оператор с помощью передвижных станций организовал экстренную бесперебойную работу мобильной связи, что позволило спасателям, полицейским и медикам оперативно обмениваться информацией в процессе ликвидации последствий.

В связи с большим количеством стихийных бедствий некоторые мобильные операторы в США разработали целую программу по развитию мобильных базовых станций. Кроме увеличения мощности сети они позволяют за короткое время создать «отдельную» от основной сеть для сотрудников служб спасения.

Опорная сеть

Опорная сеть — ядро сетей сотовой связи. Название опорная — мой вольный перевод, в GSM эту часть сети называют сетью коммутации, в UMTS — Core Network, что по сути можно перевести как ядро сети. К этому ядру, как периферийные устройства к системному блоку, могут подключаться различные сети радиодоступа.

Опорная сеть на приведённой выше картинке разделена на 2 части — верхняя правая часть отвечает за голосовые соединения, или CS-соединения (Circuit Switch), нижняя правая часть отвечает за пакетные соединения, или же PS-соединения (Packet Switch).

Опорная сеть сосредоточена в одном или нескольких зданий, принадлежащих оператору сотовой связи, в больших машинных залах — проще говоря огроменнейшая серверная, где стоит большое количество шкафов оборудования, их ещё холодильниками иногда называют, потому что с виду очень похожи 🙂

Особенности размещения

В состав базовой станции входят антенны приемопередающего типа. На мачте монтируется несколько антенн, которые передают сигналы в заданном направлении. Благодаря наличию на мачте нескольких антенн, обеспечивается устойчивость связи. Так как энергия передающего устройства в графическом представлении имеет форму лепестка, электромагнитное излучение от одной базовой станции представлено несколькими лепестками, которые направлены горизонтально в разные стороны света.

Данные условия являются базовыми при принятии решений Роспотребнадзором во время рассмотрения обоснований на размещение базовых станций, которые подают операторы связи.

Документы, предоставляемые оператором при подаче заявки на размещение базовой станции:

ситуационный план местности с отметкой на нем места размещения базовой станции;
копии договоров аренда или права собственности;
расчетная документация, в которой определены уровни электромагнитных полей на территории в границах действия базовой станции;
диаграммы направленности антенных устройств.

Все указанные материалы в обязательном порядке проходят санитарно-эпидемиологическую экспертизу. Для ввода базовой станции в эксплуатацию, оператор должен согласовать все необходимые вопросы в Управлении Роспотребнадзора.

Решение строммонтаж

Передвижная базовая станция Строммонтаж

Передвижные базовые станции применяются практически всеми крупными операторами мобильной связи России и других стран. По типу они могут быть разделены на «прицепные», «контейнерные» (например, для установки в кузове), а также «автомобильные» (на шасси грузового автомобиля или микроавтобуса).

Например, передвижные базовые станции, производимые компанией Строммонтаж 2/18-3,0 ПБС комплектуются на базе контейнера, имеющего размеры: высоту 2,8 метра, ширину 1,8 метра и длину 3 метра. Поставляются на базе автоприцепа и легко могут транспортироваться обычным внедорожником, укомплектованным фаркопом. Масса контейнера передвижной базовой станции в сборе составляет полторы тонны.

Такой контейнер может быть размещен в горных районах, на высоте до 4000 метров над уровнем моря, выдерживая скорость ветра до 21 метра в секунду.

Несущая конструкция контейнера передвижной базовой станции – стальной каркас, выполненный из профильных труб, обшитый снаружи и внутри оцинкованным профильным листом с полимерным покрытием белого цвета.

В каркасе имеются закладные детали для крепления оборудования кронштейнов, кабельных лотков и узлов подъема, а также фиксации антенной опоры в вертикальном положении. В стенах имеются технологические отверстия для кабельных и фидерных вводов, а также для системы кондиционирования.

Передвижные базовые станции Строммонтаж 2/18-3,0 ПБС поставляются в полной готовности для эксплуатации, могут оснащаться дизель-генератором и емкостью для дизельного топлива на сто литров, системой кондиционирования воздуха и электроэнергетической системы, могут оснащаться солнечными панелями и ветрогенераторами.

ООО “Предприятие “Строммонтаж”” было основано в 1970 году и уже имеет более тридцати лет опыта производства объектов связи, таких как башни, опоры, мачты, а также передвижные базовые станции, которые используются для обеспечения подвижной радиотелефонной связи 2G/3G/LTE в России, Украине и Киргизии.

Предприятие, выпустившее за время своей работы несколько тысяч объектов связи, производит бюджетные варианты ПБС с возможностью глубокой кастомизации по желанию клиента, при этом обеспечивая высокую надежность и функциональность передвижной базовой станции.

Сеть радиодоступа

Существующие сети радиодоступа у наших операторов — продукт долгой эволюции, поэтому они состоят из сети радиодоступа к GSM (GERAN — GSM EDGE Radio Access Network) и сеть радиодоступа к UMTS (UTRAN — UMTS Terrestrial Radio Access Network). Сверху слева на картинке вы видите GERAN, внизу слева, соответственно UTRAN.

Сеть радиодоступа — эта та паутина, которой охвачены огромные территории городов и открытых местностей, за счёт неё как раз и обеспечивается то огромное погрытие, которое предоставляют сети сотовой связи.

Электромагнитное излучение и расположение базовых станций

Во время совершения звонка по сотовому телефону абонент соединяется с базовой станцией своего оператора. Чем меньше до нее расстояние, тем меньшее количество электромагнитного излучения требуется для установки и поддержания связи. Следовательно, при большем количестве базовых станций, меньше электромагнитное излучение от сотового телефона.

В РФ базовые станции в среднем расположены на расстоянии 1-20 км друг от друга. В развитых странах активно развивается микросотовая связь, при которой маломощные базовые станции располагаются на удалении 200-500 метров друг от друга, что значительно снижает уровень электромагнитного излучения от каждого абонента.