Сотовый сайт – Cell site – abcdef.wiki

Основные части системы gsm, их назначение и взаимодействие друг
с другом.

Начнем с самого сложного и, пожалуй, скучного – рассмотрения скелета
(или, как принято говорить на военной кафедре моего Alma Mater, блок-схемы)
сети. При описании я буду придерживаться принятых во всем мире англоязычных
сокращений, конечно, давая при этом их русскую трактовку.

Взгляните на рис. 1:

Рис.1 упрощенная архитектура сети gsm.

Самая простая часть структурной схемы – переносной телефон, состоит
из двух частей: собственно “трубки” – МЕ (Mobile
Equipment – мобильное устройство) и смарт-карты SIM
(Subscriber Identity Module – модуль идентификации абонента), получаемой
при заключении контракта с оператором.

Как любой автомобиль снабжен
уникальным номером кузова, так и сотовый телефон имеет собственный
номер – IMEI (International Mobile Equipment Identity
– международный идентификатор мобильного устройства), который может
передаваться сети по ее запросу (более подробно про IMEI
можно узнать здесь ).

SIM,
в свою очередь, содержит так называемый IMSI (International
Mobile Subscriber Identity – международный идентификационный номер
подписчика). Думаю, разница между IMEI и IMSI
ясна – IMEI соответствует конкретному телефону, а
IMSI – определенному абоненту.

“Центральной нервной системой” сети является NSS
(Network and Switching Subsystem – подсистема сети и коммутации),
а компонент, выполняющей функции “мозга” называется MSC
(Mobile services Switching Center – центр коммутации).

Именно последний
всуе называют (иногда с придыханием) “коммутатор”, а также,
при проблемах со связью, винят во всех смертных грехах. MSC
в сети может быть и не один (в данном случае очень уместна аналогия
с многопроцессорными компьютерными системами) – например, на момент
написания статьи московский оператор Билайн внедрял второй коммутатор
(производства Alcatel).

MSC занимается маршрутизацией
вызовов, формированием данных для биллинговой системы, управляет многими
процедурами – проще сказать, что НЕ входит в обязанности коммутатора,
чем перечислять все его функции.

Следующими по важности компонентами сети, также входящими в NSS,
я бы назвал HLR (Home Location Register – реестр
собственных абонентов) и VLR (Visitor Location Register
– реестр перемещений).

Обратите внимание на эти части, в дальнейшем
мы будем часто упоминать их. HLR, грубо говоря, представляет
собой базу данных обо всех абонентах, заключивших с рассматриваемой
сетью контракт. В ней хранится информация о номерах пользователей
(под номерами подразумеваются, во-первых, упоминавшийся выше IMSI,
а во-вторых, так называемый MSISDN-Mobile Subscriber
ISDN, т.е. телефонный номер в его обычном понимании), перечень доступных
услуг и многое другое – далее по тексту часто будут описываться параметры,
находящиеся в HLR.

В отличие от HLR, который в системе один, VLR`ов
может быть и несколько – каждый из них контролирует свою часть сети.
В VLR содержатся данные об абонентах, которые находятся
на его (и только его!) территории (причем обслуживаются не только
свои подписчики, но и зарегистрированные в сети роумеры).

Как только
пользователь покидает зону действия какого-то VLR,
информация о нем копируется в новый VLR, а из старого
удаляется. Фактически, между тем, что есть об абоненте в VLR
и в HLR, очень много общего – посмотрите таблицы,
где приведен перечень долгосрочных (табл.1) и временных (табл.

2 и
3) данных об абонентах, хранящихся в этих реестрах. Еще раз обращаю
внимание читателя на принципиальное отличие HLR от
VLR: в первом расположена информация обо всех подписчиках
сети, независимо от их местоположения, а во втором – данные только
о тех, кто находится на подведомственной этому VLR
территории.

В HLR для каждого абонента постоянно
присутствует ссылка на тот VLR, который с ним (абонентом)
сейчас работает (при этом сам VLR может принадлежать
чужой сети, расположенной, например, на другом конце Земли).

Таблица 1. Полный состав долгосрочных данных, хранимых в HLR
и VLR.

Таблица 2. Полный состав временных данных, хранимых в HLR.

Таблица 3. Полный состав временных данных, хранимых в VLR.

NSS содержит еще два компонента – AuC
(Authentication Center – центр авторизации) и EIR
(Equipment Identity Register – реестр идентификации оборудования).
Первый блок используется для процедур установления подлинности абонента,
а второй, как следует из названия, отвечает за допуск к эксплуатации
в сети только разрешенных сотовых телефонов.

Исполнительной, если так можно выразиться, частью сотовой сети,
является BSS (Base Station Subsystem – подсистема
базовых станций). Если продолжать аналогию с человеческим организмом,
то эту подсистему можно назвать конечностями тела.

BSS
состоит из нескольких “рук” и “ног” – BSC
(Base Station Controller – контроллер базовых станций), а также множества
“пальцев” – BTS (Base Transceiver Station
– базовая станция).

Базовые станции можно наблюдать повсюду – в городах,
полях (чуть не сказал “и реках”) – фактически это просто
приемно-передающие устройства, содержащие от одного до шестнадцати
излучателей. Каждый BSC контролирует целую группу
BTS и отвечает за управление и распределение каналов,
уровень мощности базовых станций и тому подобное. Обычно BSC
в сети не один, а целое множество (базовых станций же вообще сотни).

Управляется и координируется работа сети с помощью OSS (Operating
and Support Subsystem – подсистема управления и поддержки). OSS состоит
из всякого рода служб и систем, контролирующих работу и трафик – дабы
не перегружать читателя информацией, работа OSS ниже рассматриваться
не будет.

Автономные системы

Автономная ячейка не подключена к общей электросети . Обычно система отключена от сети из-за трудного доступа или отсутствия инфраструктуры. Топливные элементы или другие системы резервного питания добавляются к объектам критических элементов для обеспечения повседневного и аварийного питания.

Традиционно на объектах использовались генераторные установки с приводом от двигателя внутреннего сгорания, однако, будучи менее эффективными, чем электроэнергия общего пользования, они увеличивают эксплуатационные расходы и являются источником загрязнения (атмосферного, акустического и т. Д.), А некоторые находятся в районах, защищенных окружающей средой и окружающей средой. сохранение ландшафта.

Возобновляемые источники , такие как солнечная энергия и энергия ветра, могут быть доступны там, где расположены сотовые станции. Это может снизить стоимость топлива для сотовой станции или телекоммуникационной вышки до 75%.

Электрическая энергия от непостоянных источников хранится во вторичных батареях, которые обычно рассчитаны на автономность в среднем в течение двух дней, также известную как автономность, чтобы дать время обслуживающему персоналу прибыть на место, когда потребуется ремонт.

Системы возобновляемых источников энергии поставляют электроэнергию, когда они доступны. Топливные элементы активируются только тогда, когда естественных источников недостаточно для обеспечения необходимой системе энергии. Аварийный источник питания (топливные элементы) рассчитан в среднем на десять дней.

Камуфляж

Закамуфлированный монополь, называемый «монопалм», в

Тусоне

,

Аризона.

Местные жители часто возражают против новых мачт из соображений безопасности и внешнего вида. Последнее иногда решается путем маскировки мачты под что-то еще, например, флагшток, уличный фонарь или дерево (например, пальмы, сосны, кипарисы), конструкции на крыше или городские элементы, такие как дымоходы или панели.

Эти скрытые участки клеток могут различаться по форме листвы и типу коры. Листва всех этих антенн состоит из листьев, сделанных из пластикового материала, тщательно спроектированного с учетом количества, формы и решетки, подходящих для того, чтобы полностью скрыть антенны и все аксессуары естественным образом.

Используемые материалы гарантируют абсолютную радиоэлектрическую прозрачность и устойчивость к лучам UVA. Прозвища включают « монопалм » для монополя, замаскированного под пальму, или «Pseudopinus telephoneyensis» для мачты, замаскированной под сосну.

Антенна, цвет которой гармонирует с основным зданием, в

Сопоте, Польша.

Конструкции на крыше, такие как дымовые трубы или панели высотой от 6 до 12 метров, могут скрывать одного или нескольких операторов мобильной связи на одной станции. Панели кровельной маски могут быть прикреплены к существующим конструкциям крыш, быстро и дешево изменив их стиль.

Базовые станции мобильной связи становятся современным символом, связанным и переплетающимся с материальными и нематериальными сетями. Телестили – это архитектурно сочетающиеся вышки сотовой связи, результат сотрудничества с дизайнерами и архитекторами.

Маршрутизация вызовов.

Поговорим теперь, каким образом происходит маршрутизация входящих
вызовов мобильного телефона. Как и раньше, будем рассматривать наиболее
общий случай, когда абонент находится в зоне действия гостевой сети,
регистрация прошла успешно, а телефон находится в режиме ожидания.

При поступлении запроса (рис.2) на соединение от проводной телефонной
(или другой сотовой) системы на MSC домашней сети
(вызов “находит” нужный коммутатор по набранному номеру
мобильного абонента MSISDN, который содержит код
страны и сети).

Рис.2 взаимодействие основных блоков сети при поступлении входящего вызова.

MSC пересылает в HLR номер (MSISDN)
абонента. HLR, в свою очередь, обращается с запросом
к VLR гостевой сети, в которой находится абонент.
VLR выделяет один из имеющихся в ее распоряжении
MSRN (Mobile Station Roaming Number – номер “блуждающей”
мобильной станции).

Идеология назначения MSRN очень
напоминает динамическое присвоение адресов IP при коммутируемом доступе
в Интернет через модем. HLR домашней сети получает

от VLR присвоенный абоненту MSRN
и, сопроводив его IMSI пользователя, передает коммутатору
домашней сети.

Заключительной стадией установления соединения является
направление вызова, сопровождаемого IMSI и MSRN,
коммутатору гостевой сети, который формирует специальный сигнал, передаваемый
по PAGCH (PAGer CHannel – канал вызова) по всей LA,
где находится абонент.

Маршрутизация исходящих вызовов не представляет с идеологической
точки зрения ничего нового и интересного. Приведу лишь некоторые из
диагностических сигналов (таблица 4), свидетельствующие о невозможности
установить соединение и которые пользователь может получить в ответ
на попытку установления соединения.

Таблица 4. основные диагностические сигналы об ошибке при установлении
соединения.

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).

Обзор

Сотовая сеть представляет собой сеть портативных мобильных телефонов (сотовые телефоны) , в которых каждый телефоне обменивается данные с телефонной сетью с помощью радиоволн через локальную антенну на базовую станцию сотовой ячейки (сайте).

Зона покрытия, в которой предоставляется услуга, разделена на мозаику небольших географических областей, называемых «сотами», каждая из которых обслуживается отдельным маломощным многоканальным приемопередатчиком и антенной на базовой станции.

Цель организации сотовой связи – сохранить полосу пропускания радиосвязи за счет повторного использования частот ; радиосигналы малой мощности, используемые в каждой ячейке, не выходят далеко за пределы ячейки, поэтому радиоканалы можно повторно использовать в географически разделенных ячейках.

Когда мобильный пользователь перемещается из одной соты в другую, его телефон автоматически “передается” антенне новой соты, ему назначается новый набор частот, а затем он связывается с этой антенной. Этот фоновый процесс передачи обслуживания незаметен для пользователя и может происходить в середине телефонного разговора без прерывания обслуживания.

Каждый сотовый телефон оснащен автоматическим полнодуплексным цифровым приемопередатчиком и обменивается данными с сотовой антенной по двум цифровым радиоканалам в диапазоне УВЧ или СВЧ , по одному для каждого направления двунаправленного разговора, плюс канал управления, который обеспечивает регистрацию телефона в сети. набор номера и процесс передачи обслуживания.

Обычно вышка сотовой связи расположена на краю одной или нескольких сот и покрывает несколько сот с использованием направленных антенн . Обычная геометрия заключается в размещении сотовой станции на пересечении трех соседних ячеек с тремя антеннами под углом 120 °, каждая из которых покрывает одну ячейку.

Тип антенны, используемой для базовых станций сотовой связи (вертикальные белые прямоугольники на рисунках) , называемый секторной антенной , обычно состоит из вертикальной коллинеарной решетки диполей . Он имеет плоскую веерообразную диаграмму направленности , которая слегка наклонена вниз, чтобы покрыть область ячейки, не излучая под большими углами в отдаленные ячейки, которые повторно используют те же частоты.

Угол возвышения антенны должен быть тщательно отрегулирован, чтобы луч покрыл всю ячейку, не излучая слишком далеко. В современных секторных антеннах наклон луча обычно можно регулировать с помощью электроники, чтобы избежать необходимости подниматься на вышку линейному механику, чтобы механически наклонять антенну, когда требуется регулировка.

• 

  Мобильная станция на смотровой вышке

• 

  Вышка сотовой связи Deutsche Telekom на крыше здания в Карлсруэ , Германия

• 

  Сотовая башня Элкхорн – Panoramio

• 

  Внутренний сотовый сайт Deutsche Telekom в Германии

• 

  Сайт клетки с короткой мачтой на вершине горы в Вайоминге , США.

• 

  Антенны на бетонном заводе в Германии

• 

  Антенная решетка на опоре электричества

• 

  Вышка мобильного телефона в Кенгуру-Пойнт, Квинсленд , раскрашена так, чтобы напоминать говорящую трость аборигенов .

• 

  Этот крест высотой 100 футов в лютеранской церкви Богоявления в Лейк-Уэрте, штат Флорида, скрывает оборудование для T-Mobile US .

• 

  Ячейка размещена наверху существующего здания

• 

  Стандартная американская вышка сотовой связи в Гейнсвилле, Вирджиния .

• 

  Вышка сотовой связи с антеннами двух сотовых сетей в Ричмонд-Хилле, Онтарио .

• 

  Вышка сотового телефона на вершине горы возле села Лозен, София, Болгария .

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).