Вряд ли возможно сегодня найти человека, который бы никогда не пользовался сотовым телефоном. Но каждый ли понимает, как работает сотовая связь? Как устроено и работает то, к чему мы все давно привыкли? Передаются ли сигналы от базовых станций про проводам или все это действует как-то иначе? А может быть вся сотовая связь функционирует лишь за счет радиоволн? На эти и другие вопросы попробуем дать ответ в нашей статье, оставив описание стандарта GSM за ее рамками.
В момент, когда человек пытается совершить вызов со своего мобильного телефона, или когда начинают звонить ему, телефон посредством радиоволн подключается к одной из базовых станций (наиболее доступной), к одной из ее антенн. Базовые станции можно наблюдать то там, то тут, взглянув на дома наших городов, на крыши и на фасады промышленных зданий, на высотки, наконец на специально возведенные для станций мачты красно-белого цвета (особенно вдоль автострад).
Станции эти выглядят как прямоугольные коробки серого цвета, из которых в разные стороны торчат разнообразные антенны (обычно до 12 антенн). Антенны здесь работают как на прием, так и на передачу, и принадлежат они оператору сотовой связи. Антенны базовой станции направлены во всевозможные стороны (сектора), чтобы обеспечить «покрытие сетью» абонентам со всех сторон на расстоянии до 35 километров.
Антенна одного сектора в состоянии обслуживать одновременно до 72 звонков, и если антенн 12, то представьте себе: 864 звонка способна в принципе обслужить одна крупная базовая станция одновременно! Хотя обычно ограничиваются 432 каналами (72*6). Каждая антенна соединена кабелем с управляющим блоком базовой станции. А уже блоки нескольких базовых станций (каждая станция обслуживает свою часть территории) присоединяются к контроллеру. К одному контроллеру присоединяется до 15 базовых станций.
Базовая станция в принципе способна функционировать на трех диапазонах: сигнал 900 МГц лучше проникает внутрь зданий и сооружений, распространяется дальше, поэтому именно данный диапазон часто используют в деревнях и на полях; сигнал на частоте 1800 МГц распространяется не так далеко, но на одном секторе устанавливают больше передатчиков, поэтому в городах ставят чаще именно такие станции; наконец 2100 МГц — это сеть 3G.
Контроллеров, конечно, в населенном пункте или районе, может быть несколько, поэтому контроллеры, в свою очередь, присоединяются кабелями к коммутатору. Задача коммутатора — связать сети операторов мобильной связи друг с другом и с городскими линиями обычной телефонной связи, междугородной связи и международной связи. Если сеть небольшая, то достаточно одного коммутатора, если крупная — используются два и более коммутаторов. Коммутаторы объединяются между собой проводами.
В процессе перемещения человека, разговаривающего по мобильнику, по улице, например: идет он пешком, едет в общественном транспорте, или передвигается на личном авто, - его телефон не должен ни на мгновение потерять сеть, нельзя оборвать разговор.
Непрерывность связи получается благодаря способности сети базовых станций очень оперативно переключать абонента с одной антенны на другую в процессе его перемещения от зоны действия одной антенны — в зону действия другой (от соты к соте). Абонент сам не замечает, как перестает быть связан с одной базовой станцией, и подключен уже к другой, как переключается от антенны — к антенне, от станции — к станции, от контроллера — к контроллеру…
При этом коммутатор обеспечивает оптимальное распределение нагрузки по многоуровневой схеме сети, чтобы снизить вероятность выхода оборудования из строя. Многоуровневая сеть строится так: сотовый телефон — базовая станция — контроллер — коммутатор.
Допустим, мы совершаем вызов, и вот сигнал уже добрался до коммутатора. Коммутатор передает наш звонок в сторону абонента назначения — в городскую сеть, в сеть международной или междугородней связи, либо на сеть другого мобильного оператора. Все это происходит очень быстро с использованием высокоскоростных оптоволоконных кабельных каналов.
Далее наш звонок поступает на коммутатор, что расположен на стороне принимающего звонок (вызываемого нами) абонента. В «приемном» коммутаторе уже есть данные о том, где находится вызываемый абонент, в какой зоне действия сети: какой контроллер, какая базовая станция. И вот, с базовой станции начинается опрос сети, находится адресат, и на его телефон «поступает вызов».
Вся цепочка описанных событий, с момента набора номера до момента раздавшегося на принимающей стороне звонка, длится обычно не более 3 секунд. Так мы можем сегодня звонить в любую точку мира.
Андрей Повный
Введение
Мобильные телефоны появились сравнительно недавно, и, тем не менее, за очень короткий срок стали неотъемлемой частью нашей жизни. В крупных городах, например, подавляющее большинство людей в той или иной степени пользуются услугами операторов сотовой связи. Самое интересное заключается в том, что технологии мобильной связи постоянно развиваются, причем очень быстрыми темпами. Следует отметить, что это развитие происходит сразу по нескольким направлениям. С одной стороны, постоянно растет число новых услуг, предоставляемых операторами мобильной связи. С другой стороны, увеличиваются функциональные возможности самих мобильных телефонных аппаратов. Третье направление - уменьшение размеров телефонов уже достигло определенного порога и в данный момент перестало быть определяющим.
Несмотря на многообразие существующих стандартов сотовой связи (GSM , CDMA ...) и обилие особенностей их реализации, построение и алгоритмы работы таких систем во многом сходны.
Теоретически разделить территорию на одинаковые по форме зоны без перекрытия или пропусков можно путем использования трех правильных геометрических фигур: треугольника, квадрата и шестиугольника. В первом случае базовые станции должны располагаться на местности в шахматном порядке, а во втором - квадратно-гнездовым способом. Но наиболее экономное и эффективное покрытие достигается зонами в виде шестиугольников. А причина здесь простая: именно шестиугольник почти идеально описывает рабочую зону базовой станции, установленной в центре ячейки и имеющей антенну с круговой диаграммой направленности.
В тех местах, где требуется одновременное обслуживание большого числа абонентов, используется метод расщепления сот - создание зон меньшего размера. В этом случае исходный шестиугольник делится на семь шестиугольников меньшего размера (пикосоты). При этом вся остальная структура сети не нарушается. Необходимо заметить, что геометрически правильная форма рабочих зон далеко не всегда достижима на практике. Дальность распространения радиоволн зависит от рельефа местности: холмов, оврагов, гор, больших зданий и т. п. Они искажают форму рабочих зон и вынуждают располагать базовые станции далеко не всегда в строгом геометрическом порядке.
Теперь о технических аспектах. Основные элементы сотовой системы: абонентское оборудование (мобильные радиотелефоны), сеть базовых станций, размещенных на обслуживаемой территории, и центр коммутации.
Каждая базовая станция - это многоканальное приемно-передающее устройство, которое обслуживает абонентов в пределах своей соты. По специальным линиям связи (проводным или радиорелейным) все базовые станции соединяются с центром коммутации.
Центр коммутации обеспечивает управление сетью и, по сути, является специализированной автоматической телефонной станцией. Он хранит в своей памяти данные всех абонентов сотовой сети, отвечает за проверку прав доступа абонентов и их аутентификацию (подтверждение подлинности), обрабатывает и хранит информацию. Также в его обязанности входит: слежение за сигналами мобильных телефонов , их эстафетная передача при перемещении телефона из соты в соту, коммутация каналов в сотах при появлении помех или неисправностей, а главное - установление соединения абонента сотовой сети в соответствии с набранным номером с другим абонентом или выход в городскую, междугородную и международную телефонную сеть. В некоторых вариантах построения систем все эти функции разделяются между центром коммутации и еще одним элементом оборудования - контроллерами базовых станций.
Упрощенно принцип работы элементов сотовой сети выглядит так. В каждой базовой станции есть специальный канал, называемый управляющим, и все сотовые телефоны прослушивают сигналы на этом канале в ожидании вызова. В том случае, если абонент желает позвонить, сразу после набора номера радиотелефон начинает автоматический поиск свободного канала. При его обнаружении он передает свои параметры и набранный номер через базовую станцию на коммутатор сотовой сети. После проверки параметров абонента центр коммутации осуществляет соединение. В обратном направлении - при вызове абонента сотовой сети - коммутатор проверяет в своей базе данных наличие такого номера и начинает поиск радиотелефона в каждой из сот. Радиотелефон абонента, приняв этот вызов по управляющему каналу, передает подтверждение вызова, определяя таким образом свое местонахождение в сотовой сети. После этого коммутатор находит свободный разговорный канал в данной соте и переключает соединение на него.
Кроме организации соединений, коммутатор непрерывно следит за сигналами радиотелефонов и в процессе связи. Если возникает неисправность в оборудовании или появляются помехи, коммутатор находит другой свободный канал и переводит разговор на него. Перемещения абонента в процессе соединения (связь-то - мобильная!) могут привести к предельному снижению уровня сигналов. Тогда коммутатор переключается на другую базовую станцию, более близкую к абоненту. Эстафетная передача производится полностью автоматически и настолько быстро, что связь не прерывается, а абонент ничего не замечает.
GSM включает три основные части:- мобильные станции (MS), которые перемещаются с абонентом;
- подсистему базовых станций ( BSS ), которая управляет радиолинией связи с мобильной станцией;
- подсистему сети ( NSS ), главная часть которой - центр коммутации мобильной связи (MSC) - выполняет коммутацию между мобильными станциями и между мобильными или стационарными сетевыми пользователями. MSC также управляет работой, связанной с передвижением абонента.
На базовой приемопередающей станции размещается приемопередатчик, который для одной определенной соты реализует протоколы радиолинии с передвижной станцией. В большом городе обычно размещено большое количество BTS . Поэтому основные требования к BTS - прочность, надежность, портативность и минимальная стоимость.
Контроллер базовой станции управляет радиоресурсами для одного или более BTS : выбором и установлением соединения по радиоканалу, скачком частоты и хэндовером (переключением), как это будет показано ниже. BSC подключается между базовой приемопередающей станцией ( BTS ) и центром коммутации мобильной связи (MSC).
1.3.3. Коммутационная подсистема сети
Центр коммутации мобильный связи (MSC)
Центральный компонент подсистемы сети - центр коммутации мобильной связи (MSC). Он работает как обычный узел коммутации общедоступной телефонной сети ( PSTN - Public Switched Telephone Network ) или цифровой сети интегрального обслуживания (ISDN - Integrated Service Digital Network ). Дополнительно он обеспечивает все функциональные возможности мобильного абонента, такие как регистрация, аутентификация, обновление местоположения, передача соединения (хэндовер) и маршрутизация вызова при передвижении абонента. Эти функции обеспечиваются совместно несколькими функциональными объектами, которые вместе формируют подсистему сети. MSC обеспечивает подключение к фиксированным сетям (таким как общедоступная телефонная сеть PSTN или цифровая сеть интегрального обслуживания ISDN). Передача сигналов между функциональными объектами в подсистеме сети использует ОКС № 7 ( SS7 ) - отдельный канал сигнализации, такой же, как применяется для обмена в ISDN и в сетях общего пользования.
Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. MSC аналогичен ISDN коммутационной станции и реализует интерфейс между фиксированными сетями ( PSTN , PDN , ISDN и т. д.) и сетью подвижной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной ISDN коммутационной станции на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов. К ним относятся "эстафетная передача", в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностях.
Каждый MSC обеспечивает обслуживание подвижных абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны (например, Москва и область). MSC управляет процедурами установления вызова и маршрутизации. Для телефонной сети общего пользования ( PSTN ) MSC обеспечивает функции сигнализации по протоколу ОКС №7, передачи вызова или поддержки других видов интерфейсов в соответствии с требованиями конкретного проекта.
MSC формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передает их в центр расчетов (биллинг-центр). MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети. Он же поддерживает процедуры безопасности , применяемые для управления доступами к радиоканалам.
MSC не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи управления, кроме передачи управления в подсистеме базовых станций ( BSS ). Регистрация местоположения подвижных станций необходима для обеспечения доставки вызова перемещающимся подвижным абонентам от абонентов телефонной сети общего пользования или других подвижных абонентов. Процедура передачи вызова позволяет сохранять соединения и обеспечивать ведение разговора, когда подвижная станция перемещается из одной зоны обслуживания в другую. Передача вызовов в сотах, управляемых одним контроллером базовых станций ( BSC ), осуществляется этим BSC . Когда передача вызовов происходит между двумя сетями, управляемыми разными BSC , то первичное управление осуществляется в MSC. В стандарте GSM также предусмотрены процедуры передачи вызова между сетями (контроллерами), относящимися к разным MSC. Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя домашний регистр местоположения ( HLR ) и визитный регистр местоположения (VLR).
Домашний регистр местоположения (HLR - Home Location Register)
В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов определенной мобильной станции. Практически HLR представляет собой справочную базу данных о постоянно зарегистрированных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации. Ведется регистрация данных об изменении местоположения и роуминге ("блуждании") абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента (TMSI - Temporary Mobile Subscriber Identity) и соответствующем визитном регистре местоположения (VLR). Регистр HLR содержит международный идентификационный номер подвижного абонента ( IMSI - International Mobile Subscriber Identity), состав услуг связи, специальную информацию о маршрутизации. Он используется для опознавания подвижной станции в центре аутентификации (AUC - Authentication Center ).
Домашний регистр местоположения ( HLR ) вместе с MSC обеспечивает маршрутизацию вызова и изменения местоположения (роуминг) мобильной станции и содержит всю административную информацию каждого абонента, зарегистрированного в соответствующей сети GSM, наряду с текущим местоположением мобильных станций. Местоположение мобильных станций находится обычно в форме адреса данной мобильной станции в VLR. Фактическая процедура маршрутизации будет описана позже. Логически существует только один
Центр коммутации мобильной связи (MSC)
выполняет функции коммутации для мобильной связи. Данный центр контролирует все входящие и исходящие вызовы, поступающие из других телефонных сетей и сетей передачи данных. К данным сетям можно отнести PSTN, ISDN, сети данных общего пользования, корпоративные сети, а также сети мобильной связи других операторов. Функции проверки подлинности абонентов также выполняются в MSC. MSC обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. На MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов. К ним относятся «эстафетная передача», в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении мобильной станции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностях.формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передаёт их в центр расчётов (биллинг-центр). MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети.не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи управления.
Центр коммутации постоянно осуществляет постоянное слежение за мобильными станциями, используя регистры положения (HLR) и перемещения (VLR).
Опорный регистр местоположения (HLR)
В системе GSM каждый оператор располагает базой данных, содержащей информацию обо всех абонентах принадлежащих своей PLMN. Эта база данных может быть организована в одном или более HLR
Информация об абоненте заносится в HLR в момент регистрации абонента (заключения абонентом контракта на обслуживание) и хранится до тех пор, пока абонент не расторгнет контракт и не будет удалён из регистра HLR.
Хранящаяся информация в HLR включает в себя:
Идентификатор абонента.
Дополнительные услуги, закрепленные за абонентом.
Информацию о местоположении абонента.
Аутентификационную информацию абонента.
HLR может быть выполнен как в собственном узле сети, так и отдельно. Если емкость HLR исчерпана, то может быть добавлен дополнительный HLR. И в случае организации нескольких HLR база данных остаётся единой - распределённой. Запись данных об абоненте всегда остаётся единственной. К данным, хранящихся в HLR, могут получить доступ MSC и VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.
Визитный регистр (VLR)
База данных VLR содержит информацию о всех абонентах мобильной связи, расположенных в данный момент в зоне обслуживания MSC. Таким образом, для каждого MSC на сети существует свой VLR. В VLR временно хранится информация об абонировании, и благодаря этому связанный с ним MSC может обслуживать всех абонентов, находящихся в зоне обслуживания данного MSC. VLR может рассматриваться как распределенный HLR, поскольку в VLR хранится копия информации об абоненте, хранящейся в HLR.
Когда абонент перемещается в зону обслуживания нового MSC, VLR, подключенный к данному MSC, запрашивает информацию об абоненте из того HLR, в котором хранятся данные этого абонента. HLR посылает копию информации в VLR и обновляет у себя информацию о местоположении абонента. Когда абонент звонит из новой зоны обслуживания, VLR уже располагает всей информацией, необходимой для обслуживания вызова. В случае роуминга абонента в зону действия другого MSC, VLR запрашивает данные об абоненте из HLR, к которому принадлежит данный абонент. HLR в свою очередь передаёт копию данных об абоненте в запрашивающий VLR и в свою очередь обновляет информацию о новом местоположении абонента. После того как информация обновится, MS может осуществлять исходящие/входящие соединения.
Статья в тему
Способы и информационные технологии получения знаний
Наступивший XXI век станет этапным для проникновения новых информационных технологий и создаваемых на их основе высокопроизводительных компьютерных систем во все сферы человеческой деятельности - управление, производство, науку, образование и т.д. Конструируемые посредством этих технологий интеллект...
При совершении звонка или приеме вызова, телефон абонента устанавливает соединение по радиоканалу с одной из антенн близлежащей базовой станции (BS - Base Station). В систему сотовой связи GSM входит набор базовых станций, каждая из которых может включать в себя 1-12 приемо-передающих антенн. Для обеспечения качественной связи в радиусе своего действия антенны имеют разностороннюю направленность. Антенны представляют собой прямоугольные конструкции, которые можно увидеть на специальных мачтах либо на крышке высотных зданий. Такие антенны вырабатывают сигналы и передают их по специальному кабелю в управляющий блок BS. Базовая станция представляет собой совокупность антенн и управляющего блока. Существуют территории, которые могут обслуживаться сразу несколькими базовыми станциями, подключенными к контроллеру локальной зоны (LAC - Local Area Controller). Один контроллер может объединять до 15 базовых станций на определенной территории. Контроллеры локальной зоны коммутируются с Центром управления мобильными услугами (MSC - Mobile services Switching Center, или проще «коммутатор»), который, в свою очередь, имеет входные и выходные соединения с любыми действующими видами сотовой и проводной связи. Региональные сотовые сети стандарта GSM могут использовать всего один центр управления мобильными услугами. В то же время, крупные операторы мобильной связи (например, МТС, Билайн или Мегафон), имеющие несколько миллионов абонентов, используют несколько объединенных между собой центров MSC.
Чтобы понять иерархию столь сложной системы, необходимо использовать значение технического термина handover (хэндовер), который обозначает функцию передачи обслуживания абонента в сотовых сетях по эстафетному принципу. Это означает, что если клиент перемещается по улице и одновременно разговаривает по телефону, то для сохранения непрерывности разговора необходимо осуществлять своевременное переключение телефона абонента из одного сектора (соты) базовой станции в другой, а также из сферы контроля одной BS либо LAC в другую и т.д. Поэтому, если бы использовалось прямое подключение секторов базовых станций к коммутатору, то, несмотря на обилие других задач, последнему пришлось бы самостоятельно осуществлять процедуру хэндовера для всех существующих абонентов. Для обеспечения равномерной загрузки оборудования и снижения вероятности его отказов от перегрузок, схема организации мобильных сетей GSM построена по многоуровневому принципу. Другими словами, при перемещении абонента из зоны действия одного сектора базовой станции в зону действия другого, переключение осуществляет блок управления данной BS, при этом «вышестоящие» по иерархии устройства LAC или MSC не задействуются. Аналогично, при хэндовере между разными базовыми станциями, работает уже LAC и т. д.
Коммутатор выполняют те же функции, что и АТС в проводных сетях, и является главным управляющим устройством сетей GSM. Центр услуг мобильной связи определяет адресатов звонка, регулирует функционирование дополнительных услуг и непосредственно решает, имеете ли абонент право на осуществление звонка в данный момент времени. Итак, вы нажали «волшебную кнопку» и ваш телефон включился. На SIM-карте, которая располагается в телефоне абонента, находится специальный номер IMSI (International Subscriber Identification Number), что означает «Международный опознавательный номер абонента». IMSI является уникальным номером для всех существующих мобильных сетей во всем мире, по которому мобильные операторы однозначно идентифицируют абонентов. В момент нажатия кнопки питания телефона он отправляет код IMSI на базовую станцию, которая, в свою очередь, передает его сначала на LAC, а тот еще дальше по иерархии на коммутатор. При этом в процессе принимают участие еще два дополнительных устройства - HLR (Home Location Register) и VLR (Visitor Location Register), которые связаны непосредственно с коммутатором. HLR обозначает «Регистр домашних абонентов» и хранит коды IMSI всех абонентов собственной сети, а VLR («Регистр гостевых абонентов») содержит информацию о всех абонентах, которые используют сеть этого мобильного оператора в конкретный момент времени.
При передаче кода IMSI в HLR используется система шифрования, которую обеспечивает AuC (Центр аутентификации). Изначально HLR проверяет наличие в своей базе абонента с данным номером, а в случае наличия - имеет ли абонент право на пользование услугами сети в данный момент, или же, к примеру, в данный момент имеет финансовую блокировку. Если проверка закончилась положительно для абонента, его номер перенаправляется в VLR, после чего клиент может совершать звонки или пользоваться другими услугами сотовой связи.
Таким образом, мы поверхностно рассмотрели основной принцип работы сотовых сетей GSM, т.к. более углубленное описание технических деталей во много раз объемнее и при этом менее понятно для большинства читателей.