(2 Generation) (1G - аналоговая сотовая связь, 2G - цифровая сотовая связь, 3G - широкополосная цифровая сотовая связь, коммутируемая многоцелевыми компьютерными сетями , в том числе Интернет).

В зависимости от количества диапазонов, телефоны подразделяются на классы и вариацию частот в зависимости от региона использования.

• Однодиапазонные - телефон может работать в одной полосе частот. В настоящее время не выпускаются, но существует возможность ручного выбора определённого диапазона частот в некоторых моделях телефонов, например Motorola C115, или с помощью инженерного меню телефона.

• Двухдиапазонные (Dual Band) - для Европы, Азии, Африки, Австралии 900/1800 и 850/1900 для Америки и Канады.

• Трёхдиапазонные (Tri Band) - для Европы, Азии, Африки, Австралии 900/1800/1900 и 850/1800/1900 для Америки и Канады.

• Четырехдиапазонные (Quad Band) - поддерживают все диапазоны 850/900/1800/1900.

Коммерческие сети GSM начали действовать в Европейских странах в середине г. GSM разработан позже, чем аналоговая сотовая связь и во многих отношениях была лучше спроектирована. Северо-Американский аналог - PCS, вырастил из своих корней стандарты включая цифровые технологии TDMA и CDMA , но для CDMA потенциальное улучшение качества обслуживания так и не было никогда подтверждено.

GSM Phase 1

1982 (Groupe Spécial Mobile) - 1990 г. Global System for Mobile Communications. Первая коммерческая сеть в январе г. Цифровой стандарт, поддерживает скорость передачи данных до 9,6 кбит/с. Полностью устарел, производство оборудования под него прекращено.

В 1991 году были введены услуги стандарта GSM «ФАЗА 1».

Подсистема базовых станций

Антенны трех базовых станций на мачте

BSS состоит из собственно базовых станций (BTS - Base Transceiver Station) и контроллеров базовых станций (BSC - Base Station Controller). Область, накрываемая сетью GSM, разбита на соты шестиугольной формы. Диаметр каждой шестиугольной ячейки может быть разным - от 400 м до 50 км. Максимальный теоретический радиус ячейки составляет 120 км , что обусловлено ограниченной возможностью системы синхронизации к компенсации времени задержки сигнала. Каждая ячейка покрывается одной BTS, при этом ячейки частично перекрывают друг друга, тем самым сохраняется возможность передачи обслуживания MS при перемещении её из одной соты в другую без разрыва соединения (Операция передачи обслуживания мобильного телефона (MS) от одной базовой станции (BTS) к другой в момент перехода мобильного телефона границы досягаемости текущей базовой станции во время разговора, или GPRS-сессии называется техническим термином «Handover» ). Естественно, что на самом деле сигнал от каждой станции распространяется, покрывая площадь в виде круга, но при пересечении получаются правильные шестиугольники. Каждая база имеет шесть соседних в связи с тем, что в задачи планирования размещения станций входила такая, как минимизация зон перекрывания сигнала от каждой станции. Большее число соседних станций, чем 6 - особых выгод не несёт. Рассматривая границы покрытия сигнала от каждой станции уже в зоне перекрытия, как раз получаем - шестиугольники.

Базовая станция (BTS) обеспечивает приём/передачу сигнала между MS и контроллером базовых станций. BTS является автономной и строится по модульному принципу. Направленные антенны базовых станций могут располагаться на вышках, крышах зданий и т. д.

Контроллер базовых станций (BSC) контролирует соединения между BTS и подсистемой коммутации. В его полномочия также входит управление очерёдностью соединений, скоростью передачи данных, распределение радиоканалов, сбор статистики, контроль различных радиоизмерений, назначение и управление процедурой Handover.

Подсистема коммутации

NSS состоит из нижеследующих компонентов.

Центр коммутации (MSC - Mobile Switching Centre)

MSC контролирует определённую географическую зону с расположенными на ней BTS и BSC. Осуществляет установку соединения к абоненту и от него внутри сети GSM, обеспечивает интерфейс между GSM и ТфОП , другими сетями радиосвязи, сетями передачи данных. Также выполняет функции маршрутизации вызовов, управление вызовами, эстафетной передачи обслуживания при перемещении MS из одной ячейки в другую. После завершения вызова MSC обрабатывает данные по нему и передаёт их в центр расчётов для формирования счета за предоставленные услуги, собирает статистические данные. MSC также постоянно следит за положением MS, используя данные из HLR и VLR, что необходимо для быстрого нахождения и установления соединения с MS в случае её вызова.

Домашний регистр местоположения (HLR - Home Location Registry)

Содержит базу данных абонентов, приписанных к нему. Здесь содержится информация о предоставляемых данному абоненту услугах, информация о состоянии каждого абонента, необходимая в случае его вызова, а также Международный Идентификатор Мобильного Абонента (IMSI - International Mobile Subscriber Identity), который используется для аутентификации абонента (при помощи AUC). Каждый абонент приписан к одному HLR. К данным HLR имеют доступ все MSC и VLR в данной GSM-сети, а в случае межсетевого роуминга - и MSC других сетей.

Гостевой регистр местоположения (VLR - Visitor Location Registry)

VLR обеспечивает мониторинг передвижения MS из одной зоны в другую и содержит базу данных о перемещающихся абонентах, находящихся в данный момент в этой зоне, в том числе абонентах других систем GSM - так называемых роумерах. Данные об абоненте удаляются из VLR в том случае, если абонент переместился в другую зону. Такая схема позволяет сократить количество запросов на HLR данного абонента и, следовательно, время обслуживания вызова.

Регистр идентификации оборудования (EIR - Equipment Identification Registry)

Содержит базу данных, необходимую для установления подлинности MS по IMEI (International Mobile Equipment Identity). Формирует три списка: белый (допущен к использованию), серый (некоторые проблемы с идентификацией MS) и чёрный (MS, запрещённые к применению). У российских операторов (и большей части операторов стран СНГ) используются только белые списки, что не позволяет раз и навсегда решить проблему кражи мобильных телефонов.

Центр аутентификации (AUC - Authentification Centre)

Здесь производится аутентификация абонента, а точнее - SIM (Subscriber Identity Module). Доступ к сети разрешается только после прохождения SIM процедуры проверки подлинности, в процессе которой с AUC на MS приходит случайное число RAND, после чего на AUC и MS параллельно происходит шифрование числа RAND ключом Ki для данной SIM при помощи специального алгоритма. Затем с MS и AUC на MSC возвращаются «подписанные отклики» - SRES (Signed Response), являющиеся результатом данного шифрования. На MSC отклики сравниваются, и в случае их совпадения аутентификация считается успешной.

Подсистема OMC (Operations and Maintenance Centre)

Соединена с остальными компонентами сети и обеспечивает контроль качества работы и управление всей сетью. Обрабатывает аварийные сигналы, при которых требуется вмешательство персонала. Обеспечивает проверку состояния сети, возможность прохождения вызова. Производит обновление программного обеспечения на всех элементах сети и ряд других функций.

См. также

• Список моделей GPS-трекеров
• GSM-терминал

Примечания

Ссылки

• Ассоциация GSMA (The GSM Association) (англ.)
• 3GPP - Текущий уровень стандартизации GSM, свободные стандарты (англ.)
• Схема нумерации спецификаций 3GPP (англ.)
• (англ.)
• Буклет ВОЗ «Построение диалога о рисках от электромагнитных полей» (pdf 2.68Mb)
• «Предложения ВОЗ по Проекту Изучения Влияния Электромагнитных Полей; Влияние Радиополей Мобильных Телекоммуникаций на Здоровье; Рекомендации Органам Государственной Власти»

Впервые акроним GSM был использован в 1982 г. и означал Groupe Speciale Mobile – французское название рабочей группы CEPT (Сonference des administrations Europennes des Postes et Telecommunications – Европейская администрация почты и электросвязи).

Перед рабочей группой CEPT стояла задача разработки спецификаций нового цифрового стандарта мобильной связи в диапазоне 900 МГц. Со временем (1989 г.) эти работы из CEPT перешли в новую организацию ETSI.

Днем рождения GSM считается 01.07.1991 г. – в г. Хельсинки (Финляндия) был сделан первый телефонный вызов в этой системе.

Значение акронима GSM изменилось и стало означать Global System for Mobile Communications.

«GSM Казахстан» - оператор сотовой связи стандарта GSM 900, предоставляющий услуги под брендами «Activ» и «Kcell». Основан 30.09.1998 г. Акционеры «GSM Казахстан» - национальный оператор связи АО «Казахтелеком» и финcко-шведо-турецкая компания «FinTur».

Первым среди операторов Казахстана осуществил коммерческий запуск услуги «Мобильное видео», услуг на основе GPRS (MMS, WAP, Мобильный Интернет).

Сети систем радиосвязи в технической литературе называются сетями подвижной, мобильной и сотовой связи. Все названия используются как синонимы, однако в этом вопросе намечаются некоторые расхождения.

Беспроводные технологии активно осваивают рынок ноутбуков и ПК, пользователям которых необходима высокая скорость передачи при ограниченной мобильности как в скорости передвижения и так и в непрерывности связи.

Исходя из этого, мобильным можно назвать все, что можно перенести и через что можно войти в сеть связи в любом месте.

Подвижной сетью можно назвать традиционную сотовую связь.

Термин сотовая (cellular) означает разделение сети на ячейки – соты (географических участков). Каждой соте назначается частотный диапазон, который можно использовать и в других сотах.

В каждой соте имеется базовая станция, которая содержит радиопередающее и радиопринимающее оборудование и обеспечивает радиосвязь с мобильными телефонами, оказавшимися территориально в этой соте.

Рисунок 18. Соты в системе мобильной (подвижной) связи

Зона охвата соты зависит от ряда факторов:

мощности передатчика базовой станции;

мощности мобильного телефона;

высоты антенны базовой станции;

топологии местности.

Размеры сот варьируются и потому, каждая сота может обслуживать только ограниченное количество сотовых телефонов, которые называются мобильными терминалами, мобильным оборудованием МЕ, мобильными станциями MS.

Количество мобильных терминалов составляет 600 – 800. Соты становятся меньше в зонах с более высокой плотностью населения. Охват соты лежит в пределах от 100 м до десятков километров.

Выбор шестиугольной формы соты объясняется следующим.

Квадратная сота (соответствующая кварталам города) со стороной будет иметь четыре граничащие с ней стороны на расстоянии от ее центра до центров этих четырех ячеек.

Центры каждой из четырех ячеек, граничащих с ячейкой, будут располагаться от центра рассматриваемой ячейки на расстоянии .

Такая конфигурация создает проблемы при переключении на новую антенну абонента при его движении от центра ячейки.

Для эффективного переключения желательно, чтобы центры всех ячеек были на одинаковом расстоянии друг от друга. Это достигается при шестиугольной конфигурации.

При шестиугольной конфигурации ячейки расстояния между центрами ячеек будет равно . Антенны базовой станции BS будут находиться на одинаковом расстоянии друг от друга вне зависимости от направления перемещения мобльного абонента.

Рассматривая архитектуру и функциональные возможности сети GSM, будем иметь в виду, что именно GSM является фундаментом ряда более совершенных технологий поколения 2,5G, GPRS.

Сеть GSM состоит из следующих основных конструктивных блоков:

1. Приемопередающая BS;

2. Контроллер BS;

3. Блок перекодировки и аддаптации скорости передачи TRAU (Transcoding and Rate Adaptation Unit).

4. Центр коммутации MSC.

5. Домашний регистр HLR (Home Location Register) – сетевая база данных, в которой хранятся справочные данные об абонентах, постоянно зарегистрированных в зоне, которую контролирует HLR (адреса, информация об услугах).

6. Гостевой регистр VLR (Visitor Location Register) – сетевая база данных, в которой хранится информация о перемещениях абонентов. Накопленная информация хранится до тех пор, пока абонент находится в зоне, контролируемой MSC.

7. Регистр идентификации оборудования EIR (Equipment Identity Register).

8. Центр аутентификации AuC (Authentication Center).

Рисунок 18. Архитектура системы GSM 2G

С целью изучения удобно рассмотреть технологию GSM-900, так как эта технология после незначительной модификации используется в GSM-1800 и GSM-1900. GSM-1900 в США используется также под названием PSC-1900 (Personal Communication Services). GSM-1800 отличается от GSM-900 меньшей мощностью базовых станций BS, мобильных терминалов MS и меньшим размером сот.

Рассмотрим принцип работы технологии GSM (рисунок 18).

Мобильный терминал MS (mobile station) связывается через радиоинтерфейс с базовой приемоперадающей станцией BTS (Base Transceiver Station).

MS состоит из двух частей: самой трубки, т.е. мобильным оборудованием (терминалом) ME (Mobile Equipment) и SIM-карты (Subscriber Identity Module).

SIM-карта – это микроконтроллер, размещенный в небольшом куске пластика, хранящий программу работы с сетью GSM и информацию об абоненте и операторе связи.

Станция BTS соеденены с контролером базовой станции BSC (Base Station Controller), который обеспечивает ряд функций, связанных:

с управлением радиоресурсом RR (Radio Resource);

с поддержкой мобильности MM (Mobile Management) в зоне охвата станций BTS;

ряд функций эксплуатационного управления всей радиосетью.

Станции BTS и контроллеры базовой станции BSC образуют подсистему базовой станции BSS (Base Station Subsystem). BSS обеспечивает радиодоступ для мобильного терминала ME.

Остальные сетевые элементы отвечают за функции управления и за базы данных, необходимые для установления соединения в сети GSM, например, шифрование, аутентификацию и роуминг.

Контроллер базовых станций BSC – это сетевой элемент, являющийся ядром подсистемы радиосети (BSS) сотовой связи стандарта GSM.

SIM-карта (Subscriber Identity Module) – это модуль идентификации абонента, пластиковая карта, вставляемая в мобильный терминал МЕ и обеспечивающий возможность санкционированного доступа в сеть мобильной (сотовой) связи.

Микрочип SIM-карты имеет размеры 85,5×54×0,76 мм, универсален для разных мобильных устройств. Защищена специальным паролем или персональным идентификационным номером, содержит уникальный международный идентификатор абонента IMSI (International Mobile Subscriber Identity).

Несколько BS присоединены к контроллеру базовой станций BSC (Base Station Controller), который содержит логику управления каждой из этих станций.

Все BSC присоединены к центру коммутации подвижной связи МSC (Mobile Switching Center), который управляет установлением соединений к мобильным абонентам и от них.

Центр МSC представляет функциональные возможности стандартного коммутатора и, дополнительно, ряд специальных функций для мобильной связи.

К этим функциям, в частности, относится, функции хэндовера и роуминга.

Функция хэндовера (handover или handoff) заключается в перепоручении новой соте управления обслуживания вызова во время соединения мобильного абонента при перемещении из одной соты в другую.

Фактически хэндовер означает переключение абонента с одно радиоканала и (или) временного интервала на другой, без уведомления абонента об этом изменении.

Если интенсивность сигнала падает ниже заданного уровня (пользователь перемещается в другую соту или приближается к границе текущей соты), то проверяется, не принимает ли соседняя сота сигнал с более высоким уровнем.

При подтверждении этого обслуживание мобильного абонента переключается на эту соту.

В современных технологиях для этого используется метод MAHO (Mobile Assisted Handover), в котором мобильный терминал сам периодических измеряет уровень сигнала и качество сигналов, принятых как от обслуживающего BS, так и от соседних, и передает в сеть соответствующее сообщение.

От характера этого сообщения зависит принятие решения: нужно ли производить хэндовер или нет.

При технологии подвижной связи абонент перемещается из соты в соту в пределах сети, а так же из одной сети в другую. Перемещение (местонахождение) необходимо отслеживать с определенной точностью, чтобы адресовать ему вызовы (сообщение).

Задача эта решается следующим образом.

1. Абонент первоначально включает свой мобильный терминал.

Устройство самостоятельно посылает регистрационное сообщение к местному центру MSC. В состав сообщения входит уникальный идентификатор абонента.

В состав сообщения входит уникальный идентификатор абонента.

На основе его центр MSC может определить регистр HLR, которому принадлежит абонент и передать регистрационное сообщение в регистр HLR, чтобы информировать его о том, какой центр MSC в данное время обслуживает абонента.

2. Регистр HLR – передает сообщение отмены регистрации в тот центр MSC, который до этого обслуживал этого абонента (если таковой имеется), и посылает подтверждение в новый обслуживающий центр MSC.

В каждой трубке хранятся 15 цифр идентификатора IMEI (International Mobile Equipment Identity) – уникальный международный идентификатор мобильного терминала или 16 цифр IMEISV (International Mobile Equipment Identity and Software Version Number) – уникальный международный идентификатор мобильного терминала и номер версии программного обеспечения (ПО).

Чтобы узнать IMEI своего мобильного телефона, введите комбинацию «*#06#». Полезно записать этот номер на тот случай, если мобильный телефон будет похищен.

В регистре EIR хранятся три списка – черный, серый и белый.

В черном списке может находиться и полный номер IMEI и номер IMEISV. Если полный номер IMEI появляются в черном списке, значит вызовы с этого мобильного терминала запрещены.

Если эти значения появляются в сером списке, то вызовы могут быть разрешены. Но могут быть и запрещены по усмотрению Оператора.

Когда эти значения появляются в белом списке, вызовы разрешены.

В белом списке содержатся все серии идентификационных номеров оборудования для различных стран.

В черном списке содержатся идентификационные номера мобильных аппаратов, запрещенных к использованию в данной сети.

В сером списке содержится информация о дефектном или нелицензированном (несертификацированном) оборудовании.

Аутентификация (англ. authentication) – проверка принадлежности субъекту доступа предъявленного им идентификатора.

Аутентификацию не следует путать с идентификацией и авторизацией.

В комментариях к постам про сеть WiMAX ( , ) и про GPRS был выражен интерес к сетям сотовой связи, поэтому решил реализовать свою давнюю задумку и описать хабрасообществу как же устроены современные сети сотовой связи.

На приведённой картинке изображена общая структура сетей сотовой связи. Изначально сеть разделяется на 2 больших подсети - сеть радиодоступа (RAN - Radio Access Network) и сеть коммутации или опорную сеть (CN - Core Network).

Хочу подчеркнуть, что буду описывать именно существующие сети сотовой связи для СНГ, потому что в Европе, Америке и Азии сети более развиты и их структура несколько отличается от наших сетей, про это напишу как-нибудь позже, если будет интерес.

Сперва, хотелось бы рассказать в общих словах про сеть, а потом более подробно расскажу про функции каждого из элементов сети.

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. Наибольшие изменения при переходе от GSM к UMTS происходят как раз в сети радиодоступа - оператору нужно построить вторую сеть и заново покрыть уже имеющиеся территории.

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.

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 мало эволюционирует в связи с эволюцией от GSM к UMTS, эта сильная эволюция происходит немного позже - её уже прошли западные и азиатские операторы, у нас же она только начинается.

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:)

HLR - Home Location Register, Регистр положения домашних абонентов.
По сути это большая база данных, в которой хранится всё об абоненте данной сети. В крупных сетях, таких, как у операторов большой тройки, таких узлов несколько - они разбросаны по регионам. Их количество измеряется единицами штук. Для того, чтобы понимать порядки - в Питере такой узел один, в Москве другой, на Урале ещё один, ещё на Кавказе, в Сибири - 3-4 штучки… На практике это может быть распределённая БД, потому что ёмкости одного HLR может не хватить для хранения данных обо всех абонентах. Тогда оператор докупает ещё один HLR (физическое устройство) и организует распределённую БД.

Какая же информация там хранится? По большей части, это информация об услугах, подключенных у абонента:
- может ли абонент совершать исходящие звонки
- может ли абонент отправлять/принимать SMS
- разрешена ли услуга конференц-связи
- ну и все остальные возможные услуги
Также здесь хранится такая важная информация, как идентификатор того MSC, в зоне действия которого сейчас находится абонент. Позже мы увидим для чего это может быть нужно.

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.

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.

AUC - AUthentication Center, центр аутентификации абонентов. Этот узел отвечает за то, чтобы злоумышленник не мог получить доступ к сети от вашего лица. Также этот узел генерирует ключи шифрования, с помощью которых шифруется ваше соединение с сетью в самом уязвимом месте - на радиоинтерфейсе.

GMSC - Gateway MSC, шлюзовой коммутатор. Этот узел сети используется только при входящих вызовах. У операторов есть определённая номерная ёмкость, этой номерной ёмкости сопоставляются шлюзовые коммутаторы сетей связи (сотовых, фиксированных). Когда вы набираете номер друга, ваш звонок доходит до коммутатора (MSC) вашей сети и он определяет куда дальше отправить этот вызов на основе имеющихся у него соответствий между номерами и шлюзами сетей. Звонок отправляется на GMSC сотового оператора, которым пользуется ваш друг. Далее GMSC делает запрос в HLR и узнаёт в зоне действия какого MSC сейчас находится вызываемый абонент. Туда дальше и перенаправляется вызов.

SGSN - Serving GPRS Support Node, обслуживающий узел поддержки GPRS. Этот узел отвечает за то, чтобы определить каким образом предоставлять услуги на основе запрошенной APN (Access Point Name, точки доступа, например, mms.beeline.ru). Также на этом узле осуществляется посчёт трафика.

GGSN - Gateway GPRS Support Node, шлюзовой узел поддержки GPRS. Ну это шлюз, отвечает за правильную доставку пакетов до пользователя.

BSC - Base Station Controller, контроллер базовых станций. Узел, к которому подключаются базовые станции, дальше он осуществляет управление базовыми станциями - назначает какому абоненту где сколько ресурсов выделить, определяет каким образом осуществляются хэндоверы. Когда с MSC приходит сигнал о входящем соединении для абонента, контроллер осуществляет процедуру пейджинга - через все подчинённые ему базовые станции посылает вызов данному абоненту, который должен отозваться через одну из базовых станций.

TRC - TRansCoder, транскодер. Устройство, отвечающее за перекодирование речи из формата GSM в стандартный формат телефонии, используемый в фиксированных сетях связи и обратно. Таким образом, получается, что речь передаётся в формате сетей фиксированной связи в сети GSM на участке от GMSC до TRC.

BTS - Base Transceiver Station, базовая приёмопередающая станция. Это то, что непосредственно находится близко к самому пользователю. Именно базовые станции образуют ту самую паутину, которой накрывают операторы сотовой связи, именно от их количества зависит территория, на которой предоставляют услуги операторы сотовой связи. По сути - довольно глупое устройство, оно обеспечивает выделение пользователям отдельных каналов связи, преобразует сигнал в высокочастотный, который будет передаваться в эфир, ну и выдаёт этот самый высокочастотный сигнал на антенны. А вот антенны то мы и можем наблюдать каждый день.

Хочу заметить, что антеннки - это не есть базовая станция:) Базовая станция похожа на холодильник - шкафчик с модулями, который стоит в специальном месте. Это специальное место - например, синенькие вагончики, которые ставятся под красно-белыми вышками где-нибудь в пригороде.

В комментариях к постам про сеть WiMAX ( , ) и про GPRS был выражен интерес к сетям сотовой связи, поэтому решил реализовать свою давнюю задумку и описать хабрасообществу как же устроены современные сети сотовой связи.

На приведённой картинке изображена общая структура сетей сотовой связи. Изначально сеть разделяется на 2 больших подсети - сеть радиодоступа (RAN - Radio Access Network) и сеть коммутации или опорную сеть (CN - Core Network).

Хочу подчеркнуть, что буду описывать именно существующие сети сотовой связи для СНГ, потому что в Европе, Америке и Азии сети более развиты и их структура несколько отличается от наших сетей, про это напишу как-нибудь позже, если будет интерес.

Сперва, хотелось бы рассказать в общих словах про сеть, а потом более подробно расскажу про функции каждого из элементов сети.

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. Наибольшие изменения при переходе от GSM к UMTS происходят как раз в сети радиодоступа - оператору нужно построить вторую сеть и заново покрыть уже имеющиеся территории.

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.

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 мало эволюционирует в связи с эволюцией от GSM к UMTS, эта сильная эволюция происходит немного позже - её уже прошли западные и азиатские операторы, у нас же она только начинается.

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:)

HLR - Home Location Register, Регистр положения домашних абонентов.
По сути это большая база данных, в которой хранится всё об абоненте данной сети. В крупных сетях, таких, как у операторов большой тройки, таких узлов несколько - они разбросаны по регионам. Их количество измеряется единицами штук. Для того, чтобы понимать порядки - в Питере такой узел один, в Москве другой, на Урале ещё один, ещё на Кавказе, в Сибири - 3-4 штучки… На практике это может быть распределённая БД, потому что ёмкости одного HLR может не хватить для хранения данных обо всех абонентах. Тогда оператор докупает ещё один HLR (физическое устройство) и организует распределённую БД.

Какая же информация там хранится? По большей части, это информация об услугах, подключенных у абонента:
- может ли абонент совершать исходящие звонки
- может ли абонент отправлять/принимать SMS
- разрешена ли услуга конференц-связи
- ну и все остальные возможные услуги
Также здесь хранится такая важная информация, как идентификатор того MSC, в зоне действия которого сейчас находится абонент. Позже мы увидим для чего это может быть нужно.

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.

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.

AUC - AUthentication Center, центр аутентификации абонентов. Этот узел отвечает за то, чтобы злоумышленник не мог получить доступ к сети от вашего лица. Также этот узел генерирует ключи шифрования, с помощью которых шифруется ваше соединение с сетью в самом уязвимом месте - на радиоинтерфейсе.

GMSC - Gateway MSC, шлюзовой коммутатор. Этот узел сети используется только при входящих вызовах. У операторов есть определённая номерная ёмкость, этой номерной ёмкости сопоставляются шлюзовые коммутаторы сетей связи (сотовых, фиксированных). Когда вы набираете номер друга, ваш звонок доходит до коммутатора (MSC) вашей сети и он определяет куда дальше отправить этот вызов на основе имеющихся у него соответствий между номерами и шлюзами сетей. Звонок отправляется на GMSC сотового оператора, которым пользуется ваш друг. Далее GMSC делает запрос в HLR и узнаёт в зоне действия какого MSC сейчас находится вызываемый абонент. Туда дальше и перенаправляется вызов.

SGSN - Serving GPRS Support Node, обслуживающий узел поддержки GPRS. Этот узел отвечает за то, чтобы определить каким образом предоставлять услуги на основе запрошенной APN (Access Point Name, точки доступа, например, mms.beeline.ru). Также на этом узле осуществляется посчёт трафика.

GGSN - Gateway GPRS Support Node, шлюзовой узел поддержки GPRS. Ну это шлюз, отвечает за правильную доставку пакетов до пользователя.

BSC - Base Station Controller, контроллер базовых станций. Узел, к которому подключаются базовые станции, дальше он осуществляет управление базовыми станциями - назначает какому абоненту где сколько ресурсов выделить, определяет каким образом осуществляются хэндоверы. Когда с MSC приходит сигнал о входящем соединении для абонента, контроллер осуществляет процедуру пейджинга - через все подчинённые ему базовые станции посылает вызов данному абоненту, который должен отозваться через одну из базовых станций.

TRC - TRansCoder, транскодер. Устройство, отвечающее за перекодирование речи из формата GSM в стандартный формат телефонии, используемый в фиксированных сетях связи и обратно. Таким образом, получается, что речь передаётся в формате сетей фиксированной связи в сети GSM на участке от GMSC до TRC.

BTS - Base Transceiver Station, базовая приёмопередающая станция. Это то, что непосредственно находится близко к самому пользователю. Именно базовые станции образуют ту самую паутину, которой накрывают операторы сотовой связи, именно от их количества зависит территория, на которой предоставляют услуги операторы сотовой связи. По сути - довольно глупое устройство, оно обеспечивает выделение пользователям отдельных каналов связи, преобразует сигнал в высокочастотный, который будет передаваться в эфир, ну и выдаёт этот самый высокочастотный сигнал на антенны. А вот антенны то мы и можем наблюдать каждый день.

Хочу заметить, что антеннки - это не есть базовая станция:) Базовая станция похожа на холодильник - шкафчик с модулями, который стоит в специальном месте. Это специальное место - например, синенькие вагончики, которые ставятся под красно-белыми вышками где-нибудь в пригороде.

В пластмассовом корпусе маленького телефона, кроме аккумулятора, держателя карточки SIM и дисплея, мы обнаружим очень немного деталей. Печатная плата, несколько распаянных на ней микросхем, встроенная приёмо-передающая антенна, клавиатура (самая обычная «резинка» с пластмассовыми клавишами), световые индикаторы. Ну, ещё крошечный фотомодуль в камерофонах – с пластмассовыми линзочками объектива и очень маленькой светочувствительной матрицей, спрятанной в корпусе модуля (сенсор намного меньше, чем в самом дешёвом цифровом фотоаппарате, размером с рисовое зерно). Завершают эту печальную картину несколько соединительных проводков… Короче, ничего особенного. На первый взгляд сотовый телефон устроен ничуть ни сложней современного радиоприёмника. Портативный аналоговый (не цифровой!) радиоприёмник кажется даже более мудрёным – в нём есть верньер, шкала настройки с механической системой перемещения движка… За что же платим такие деньги? Что такого особенного скрывает в себе сотовый телефон?

Впрочем, не будем забывать, что сотовая связь одна из последних (вместе с персональным компьютером и Интернетом) великих технологий прошлого века. Люди уже побывали на Луне, посадили на Венеру автоматический зонд, опустились на дно глубочайшей в мире Марианской впадины, создали огромные воздушные и автомобильные транспортные системы, открыли строение атома и взорвали ядерную бомбу, а маленький радиотелефон с неограниченной зоной действия оставался лишь мечтой.

Телефон, как и компьютер, прошёл несколько стадий развития. Сначала он был здоровенным чемоданом с телефонной трубкой. В чемодане располагалось множество схем и деталей, а вес «портативного» устройства приближался к десятку килограммов. Потом появились телефоны «кирипичи». Они были полегче, поменьше, но их устройство тоже было достаточно, скажем так, насыщенным. Большая многодиапазонная радиола по сравнению с этим телефоном выглядела, как бутафорский надувной автомобиль рядом с настоящим лимузином. И только в начале 90-х годов сотовый телефон стал тем маленьким устройством карманного размера, которое мы используем сегодня. И всё это благодаря усилиям разработчиков нового (на то время) стандарта сотовой связи GSM. Только введением в сотовую телефонию цифровых технологий удалось уменьшить мощность передатчиков, повысить чувствительность приёмников и достичь высокого качества связи при ничтожно малых размеров самого абонентского устройства – сотового телефона.

Сегодня мы пользуемся маленьким телефоном и даже не задумываемся – а как, собственно, он работает? Что происходит внутри сотового телефона? Почему это маленькое и уже доступное всем и каждому устройство относят к области высоких технологий? В чём, собственно, его сложность (между тем обычный проводной телефон устройство до удивления простое – проще кофемолки или электробритвы)? И… что такое GSM?

История GSM началась в 80-е годы прошлого века, когда страны Европы имели собственные, несовместимые между собой, сети сотовой связи. Собственными сетями были оснащены страны Скандинавии, Великобритания, Франция и Германия. Несовместимость стандартов мешала распространению сотовой телефонии, усложняла жизнь и операторам, и абонентам. Невозможно было, к примеру, осуществлять автоматический роуминг при перемещении из зоны действия одной сети в зону действия другой. И абонентские устройства, сами сотовые телефоны, были далеко не универсальными. Для каждого типа сотовой связи нужно было разрабатывать уникальную аппаратуру.

Для преодоления барьера несовместимости в 1982 году была создана международная группа по разработке общего стандарта сотовой связи – Groupe Special Mobile или GSM. В 1990 году европейский институт телекоммуникационных стандартов, к которому перешли полномочия группы GSM, опубликовал спецификации так называемой "фазы I", а в середине 1991 года началась коммерческая эксплуатация первой сети этого стандарта. Сегодня GSM является самой распространенной системой сотовой связи в мире, а её название расшифровывается иначе - Global System for Mobile telecommunications или «глобальная система мобильных телекоммуникаций».

Следует заметить, что GSM первый общепринятый цифровой стандарт сотовой связи. К моменту принятия решения о его введении в мире уже существовало несколько развитых аналоговых систем – кроме скандинавской NMT, это были английская TACS и американская AMPS. Но разработчики новой системы резонно полагали, что цифровые методы сжатия и кодирования информации значительно расширят применения сотовой связи, обеспечат лучшее качество и предоставят пользователям невиданные ранее сервисы.

В сотовой связи стандарта GSM используются радиочастоты 900, 1800 или 1900 МГц (трехдиапазонные телефоны при этом могут использоваться в сетях любого из перечисленных частотных диапазонов). В сравнении с аналоговыми стандартами GSM имеет целый ряд преимуществ. Основные из них – применение маломощных передатчиков в абонентских аппаратах и в базовых станциях. Это удешевляет саму аппаратуру, но не сказывается на качестве связи. Кроме того, передача информации в цифровом виде позволяет легко обеспечить высокую степень конфиденциальности переговоров.

Технология GSM это на самом деле целый «букет» сложнейших технологий. Первая из них – технология оцифровка и кодирование звука. Поскольку оцифровка звука требует немалых вычислительных ресурсов, в каждом сотовом телефоне, даже в самом дешевом, работает достаточно мощный специализированный компьютер, который выполняет функции аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей - АЦП и ЦАП.

Далее – технология многоканального выравнивания. Дело в том, что в диапазоне 900 МГц и выше радиосигнал легко отражается от стен зданий и других препятствий. В результате телефон получат множество отличающихся по фазе сигналов, из которых выделяет нужный, а остальные игнорирует.

При передвижении абонента сотовый телефон должен автоматически переходить с частоты на частоту без прерывания сеанса связи. Это обеспечивает технология «медленного частотного скачка». При этом каждая «порция» информации (а весь поток цифровой информации разделяется на «порции» в рамках так называемого тайм-слота – временного промежутка) передается по разным частотам.

Ещё одна любопытная технология GSM – прерывистая передача. Обратите внимание, как мы говорим по телефону. Скажем слово, пауза, скажем еще одно слово, снова пауза. Так вот, когда мы молчим, телефон отключает передатчик. Как только заговорим – включает. Этот механизм позволяет свести к минимуму энергопотребление сотового телефона. Умная получается машинка!

Еще какая умная – телефон и на прием работает тоже «прерывисто». Во включенном состоянии он ожидает сигнала базовой станции, но включается только на короткое время и тут же отключается… Теперь понятен смысл мигающего светового индикатора на вашем телефоне?

Все сотовые телефоны в зависимости от мощности встроенных радиопередатчиков подразделяются на несколько классов – от 20 ватт (настоящие монстры!), до 0,8 ватт (большинство популярных моделей). Но обычно, когда базовая станция находится рядом с абонентским устройством (а "соты" GSM в больших городах располагаются достаточно густо, чтобы избежать "мертвых" зон между строениями), полная мощность передатчика телефона для поддержания устойчивой связи не нужна. Для регулировки мощности используется механизм анализа количества ошибок при передаче-приёме. На его основе мощность передатчика базовой станции и телефона понижается до уровня, когда качество связи достаточно стабильно. Этот контроль мощности вещь очень тонкая. Большинство жалоб пользователей на плохое качество связи на его "совести".

© Николай Надеждин ,