Устройство сотовых сетей

Портал о современных технологиях мобильной и беспроводной связи

Структура сети GSM и описание компонентов

Классическая структура сети GSM

Классическая структура сети GSM состоит из 2 систем, каждая из которых содержит функциональные устройства, являющиеся компонентами сети мобильной радиосвязи:

• Коммутационная система — Switching System (SS);
• Система базовых станций — Base Station System (BSS).

Из центра управления осуществляется контроль за обеими системами. Функциональная схема данных систем приведена на рис. 1.

Ниже даны расшифровки сокращений, используемых на рис. 1.

AUC

Центр аутентификации (проверки подлинности абонента)

BSC

Base Station Controller

Контроллер базовых станций

BTS

Base Transceiver Station

Приёмопередающая Базовая Станция (БС)

EIR

Equipment Identity Register

База данных абонентского оборудования

HLR

Home Location Register

База данных «домашних» абонентов

MS

MSC

Mobile Switching Center

Узел коммутации в сети GSM

NMC

Network Management Center

Центр управления сетью

OMC

Operation and Maintenance Center

Центр технического обслуживания

VLR

Visitor Location Register

База данных абонентов, находящихся в зоне данного MSC/VLR

Состав и назначение коммутационной системы (Switching System, SS)

Коммутационная система осуществляет обслуживание вызовов и включает в свой состав:

• Authentication Center (AUC)
• Equipment Identity Register (EIR)
• Mobile Switching Center (MSC)
• Home Location Register (HLR)
• Visitor Location Register (VLR)

Состав и назначение системы базовых станций ( Base Station System, BSS )

Все функции, относящиеся к радиоинтерфейсу, выполняет система BSS, в состав которой входят следующие функциональные блоки:

• Base Station Controller (BSC)
• Base Transceiver Station (BTS)

Функции центра технического обслуживания (Operation and Maintenance Center, OMC)

Центр технического обслуживания (OMC) осуществляет эксплуатационно-техническое обслуживание сети, например, проводит отслеживание сетевого трафика и аварийных сигналов от всех сетевых элементов.

OMC имеет доступ как к системе SS, так и к системе BSS.

Мобильная станция (Mobile Station, MS)

MS не относится ни к одной из вышеперечисленных систем, но является элементом сети.

Структура, принципы построения, текущее состояние, эволюция сетей мобильной связи и многое другое в новой книге «Мобильная связь на пути к 6G»

Как работает сотовая связь. Часть 1: история и развитие

XXI век точно нельзя представить без современных мобильных телефонов и сотовых сетей. Мы обращаемся к ним не просто ежедневно, а сотни и тысячи раз в день. Практически каждый раз, когда просто смотрим на свой смартфон или используем его любым возможным образом, полагаемся именно на сотовые сети, которые соединяют нас с тысячами таких же зевак. Скорее всего, и этот материал вы подгрузили через них и сейчас читаете в общественном транспорте или просто на улице.

Современные смартфоны впечатляют своей производительностью, экранами с миллионами разных цветов, громкими динамиками и камерами на десяток-второй мегапикселей. Но без доступа к сотовым сетям они превращаются в дорогие игровые консоли, фотоаппараты и медиаплееры. Далеко не каждый понимает, как устроена мобильная связь. Именно поэтому мы решили рассказать о ней на страницах нашего сайта. Это первая часть материала, которая введёт вас в курс дела.

Сотовая связь стала новым витком развития технологий

Сотовую связь по праву считают одним из главных изобретений человечества — круче только интернет или какое-нибудь колесо. Корни знаковой технологии достигают 20-х годов. Тогда некоторые американские полицейские участки использовали телефонную радиосвязь диапазона 2 МГц, чтобы передавать информацию о преступниках на приёмники в машинах патрульных. Её внедрили в 1921, а в 1933 году снабдили возможностью двустороннего общения.

В 1934 году Федеральная комиссия связи США разрешила использовать четыре канала в диапазоне частот 30–40 МГц для телефонной связи, и до 1940 года ей начали пользоваться больше десятка тысяч полицейских машин в разных районах страны.

В 1949 году элементы, напоминающие современную сотовую связь, использовались для работы службы такси в американском Детройте. В оговорённых местах водители могли переключаться на конкретные каналы для общения с диспетчерами.

Многие считают прообразом мобильной связи именно эти технологии, но они сильно отличалась от современных по принципу работы. А вот концепция сотовой сети, которую мы знаем сейчас, начала разрабатываться в 1946 году учёными из объединения Bell Labs. Она оказалась принципиально новым витком нашего технологического развития, поэтому реальные перспективы её внедрения стали появляться лишь спустя почти 30 лет — в начале 70-х. Тогда для неё удалось придумать актуальную архитектуру.

Американские инженеры предложили идею разделения территории на ячейки, в каждой из которых должна была быть расположена передающая сигнал станция. Но для её тестирования не было подходящего принимающего оборудования.

Здесь в игру вступила Motorola. В 1973 году один из ведущих инженеров компании Мартин Купер представил миру первый прототип мобильного телефона. Чтобы продемонстрировать работу новой технологии, он прямо с улицы совершил звонок руководству конкурентной компании и похвастал своими успехами. Это впечатлило всех, и компания тут же инвестировала в перспективный проект более 100 миллионов долларов. Начали появляться первые базовые станции.

Первым мобильником стал Motorola DynaTAC 8000, который получил сертификат FCC 21 сентября 1973 года. Он весил более 700 граммов, работал от одного заряда 30 минут, а заряжался около 10 часов. Ах да, стоил такой «динозавр» порядка 4000 долларов, но это не помешало ему стать популярным. Именно с помощью него впервые можно было позвонить, не пользуясь услугами операторов связи. Кстати, это и первое мобильное устройство, которое мог поднять один человек.

В 1974 году Федеральная комиссия связи США дала добро на использование полосы частот в 40 МГц в диапазоне 800 МГц (в 1986 году её расширили на 10 МГц) для мобильной связи. А в 1978 в Чикаго стартовали испытания сотовой сети для опытов с базой в две тысячи абонентов. Именно этот год можно считать началом практического применения нового типа связи. А вот коммерческое использование мобильной связи в США началось в 1983 году. Тогда в Чикаго мобильную связь уже могли использовать почти все.

Распространение мобильной связи в Америке обеспечил всемирно известный сейчас оператор AT&T. Он добился от властей лицензирования необходимых частот и построил первую сеть, которая охватила самые крупные американские города.

В Канаде мобильные сети начали использовать в 1978 году. А Японии их запустили в 1979, в Швеции, Дании, Норвегии и Финляндии — в 1981, в Испании и Англии — в 1982. До 1997 года сотовая связь уже охватила 140 стран мира.

Сотовыми сети называют из-за принципа расстановки вышек

Почему же связь называется именно сотовой? Ответ, и это внезапно, очень прост — вся территория её покрытия делится на равномерные шестиугольники, похожие на пчелиные соты. В центре каждого сектора находится базовая станция.

Форма шестиугольника была выбрана из-за того, что именно она позволяет обеспечить одинаковые расстояния между вышками. Это положительно сказывается на качестве и стабильности сотовой связи и лишает базовые станции дополнительных нагрузок. Вышки сотовой связи активно общаются друг с другом, и в каждом из подобных шестиугольников абоненты получают одинаковые сигналы, которые позволяет нам не чувствовать разрывов соединения.

Шестиугольные ячейки напоминают пчелиные соты, поэтому и связь в итоге называют сотовой. Кстати, это название всё больше отходит на второй план — чтобы не усложнять, его заменяют понятием «мобильная».

SIM-карты предназначены для идентификации абонентов

Несколько десятков лет назад SIM-карт ещё не было. Тогда для идентификации мобильных телефонов в сотовой сети операторы использовали только присвоенные им на заводе номера ESN. Сначала даже казалось, что это на 100% правильное решение, но на практике всё было иначе. Когда абонент менял телефон, ему нужно было ехать в офис оператора, чтобы его зарегистрировать. Эта было дорого и стоило денег.

Нужно было что-то, что смогло бы отделить абонента от его оборудования. Так в 1991 году и появились модули Subscriber Identity Module или SIM-карты. Впервые они появились с приходом 2G. Они представляли собой полноценные компьютеры с процессорами, постоянной и оперативной памятью и модулем шифрования. Первые были размером с визитку, но быстро уменьшились в габаритах, а скоро вообще станут встроенными и перезаписываемыми — мы уже на пороге этого.

Мобильному телефону остался только номер IMEI (International Mobile Equipment Identity). Да, он участвует в работе системы на стороне сотового оператора, но к абоненту не привязан никаким образом. Эта схема исправно работает почти 30 лет.

На каждой SIM-карте хранятся серийный номер ICCID и PIN- и PUK-коды, ключи, идентификаторы и так далее. Важнее всего — международный номер абонента IMSI и уникальный ключ идентификации пользователя под названием KI. Когда мобильный регистрируется в сети оператора, он использует именно IMSI и KI. Когда SIM-карта установлена в телефон, смартфон или другой гаджет, она по факту становится частью телефона и связующим звеном с поставщиком услуг — мы уже рассказывали про это.

За 40 лет мы увидели пять поколений сотовых сетей

Каждое поколение сотовой связи несёт в себе значительные улучшения в сравнении с предыдущим. Это и частотность, и шифрование, и битрейт, и характер обслуживания пользователей. Сегодня мы стоим уже на пороге пятого.

Сеть первого поколения первоначально запустили в Японии в 1979 году. Популярность в Европе и США она получила уже в начале 80-х. Это единственная аналоговая сеть связи, и все последующие уже были цифровыми. 1G занимала частоты 800 и 900 МГц, поддерживала только голосовые звонки и работала отвратительно. Качество звука было ужасным, а вызовы можно было легко перехватить с помощью FM-демодулятора. Роуминг тогда ещё не придумали, а скорость сети составляла 2,4 Кбит/с.

Со временем и простым пользователям, и коммерческим организациям этого оказалось мало — мир начал переходить на цифровую передачу данных. В числе её преимуществ оказались хороший звук, защита от прослушки и более высокая скорость.

Сеть второго поколения в коммерческую эксплуатацию впервые запустила компания Radiolinja. Это случилось в Финляндии в 1991 году. Новый стандарт связи дал абонентам SMS, роуминг, конференц-связь. Максимальная скорость 2G составляла 50 Кбит/с.

После старта второго поколения мир высоких технологий переживал настоящую революцию. Всё больше пользователей интересовались мобильным интернетом. Благодаря нему со временем появились стандарты GPRS и EDGE (2.5G) — они передавали данные на скорости от 115 Кбит/с до 384 Кбит/с соответственно. Это позволило абонентам проверять свою электронную почту прямо с мобильника, что ранее казалось чем-то совершенно невозможным. Дальше было только больше.

Сеть третьего поколения не заставила себя долго ждать. Это было связано с активным внедрением технологии UMTS — универсальных мобильных телекоммуникационных систем, которые поддерживали видеовызовы.

Именно тогда начали появляться различные приложения для чатов, электронной почты, видеосвязи и социальных сетей, веб-браузеры стали более быстрыми и функциональными. Их ввели в коммерческую эксплуатацию в 2001 году. В 3G повысилась эффективность использования частотного спектра за счёт улучшения сжатия звука во время разговора. Поэтому в одном и том же диапазоне частот могло происходить намного больше вызовов одновременно.

Сеть четвёртого поколения была разработана как улучшенная версия более старых сетей. Этот стандарт предлагает ещё более высокую скорость передачи данных и поддерживает все современные мультимедийные сервисы.

Все данные, включая голосовые вызовы, могут передаваться с помощью IP-пакетов. Для увеличения пропускной способности входящей и исходящей линии используются совершенно новые технологии вроде WiMax. Скорость передачи данных у этого стандарта сети благодаря ему поднимается до 1 Гбит/с. Главным недостатком 4G остаётся только недостаточное внедрение в большинстве стран мира. Обычно в больших городах сеть уже работает, а в маленьких нет.

Сеть пятого поколения обещает значительное улучшение передачи данных, меньшую задержку при соединении и другие улучшения. Полноценная эксплуатация стандарта начнётся в течение следующих нескольких лет.

Новый стандарт связи будет бережнее относиться к заряду аккумулятора. Максимальная скорость 5G будет достигать 35 Гбит/с, что в 35 раз быстрее, чем у четвёртого поколения. Значительно уменьшится задержка — это даст возможность обрабатываться тяжёлые операции на удалённых производительных серверах и моментально передавать на мобильные устройства. Тогда необходимость в их невероятной производительности отпадёт везде, где будет покрытие сотовой сети.

Во второй части вы узнаете о сотовой связи ещё больше

Мы разделили материал «Как устроена сотовая связь» на две части. Это первая, и здесь мы копнули в её историю, рассмотрели развитие мобильных сетей по поколениям и прикинули их дальнейшие перспективы в недалёком будущем.

В следующей части мы поговорим про базовые станции, которые находятся в центре пресловутых сот. Мы расскажем, что они собой представляют, могут ли быть опасными для нашего с вами здоровья, а ещё почему не всегда исправно работают.

Принцип работы сетей GSM

20.03.2012 | «Мобильные сети»

Часть 1: структура мобильных сетей

Все мы пользуемся мобильными телефонами, но при этом редко кто задумывается — как же они работают? В данной статье мы постараемся разобраться, как, собственно, реализуется связь относительно вашего мобильного оператора.

Когда вы осуществляете звонок своему собеседнику, или кто-то звонит вам, ваш телефон соединяется по радиоканалу с одной из антенн соседней базовой станции (БС, BS, Base Station).Каждая базовая станция сотовой связи (в простонародье — вышки сотовой связи) включает в себя от одной до двенадцати приемо-передающих антенн, имеющих направления в разные стороны с целью обеспечения качественной связью абонентов в радиусе своего действия. Такие антенны специалисты на своем жаргоне называют «секторами», представляющими собой серые прямоугольные конструкции, которые вы можете практически каждый день видеть на крышах зданий или специальных мачтах.

Сигнал от такой антенны поступает по кабелю прямо в управляющий блок базовой станции. Базовая станция является совокупностью секторов и управляющего блока. При этом определенную часть населенного пункта или территории обслуживают сразу несколько базовых станций, подключенных к специальному блоку – контроллеру локальной зоны (сокращенно LAC, Local Area Controller или просто «контроллер»). Как правило, один контроллер объединяет до 15 базовых станций определенного района.

Со своей стороны, контроллеры (их также может быть несколько) соединены с самым главным блоком — Центром управления мобильными услугами (MSC, Mobile services Switching Center), который для упрощения восприятия принято называть просто «коммутатором». Коммутатор, в свою очередь, осуществляет вход и выход на любые линии связи – как сотовой, так и проводной.

Если отобразить написанное в виде схемы, то получится следующее:GSM-сети небольшого масштаба (как правило, региональные) могут использовать всего один коммутатор. Крупные же, такие как наши операторы «большой тройки» МТС, Билайн или МегаФон, обслущивающие одновременно миллионы абонентов, используют сразу несколько объединенный между собой устройств MSC.

Давайте разберемся, зачем нужна столь сложная система и почему нельзя подключить антенны базовых станций к коммутатору напрямую? Для этого нужно рассказать про еще один термин, называемый на техническом языке handover (хэндовер). Он характеризует собой передачу обслуживания в мобильных сетях по эстафетному принципу. Иными словами, когда вы перемещаетесь по улице пешком или в транспортном средстве и говорите при этом по телефону, то, чтобы ваш разговор при этом не прерывался, следует своевременно переключать ваш аппарат из одного сектора БС в другой, из зоны действия одной базовой станции или контроллера локальной зоны в другую и т.д. Следовательно, если бы сектора базовых станций подключались к коммутатору напрямую, ему бы пришлось самому осуществлять данную процедуру хендовера всех своих абонентов, а у коммутатора и без того хватает задач. Поэтому для уменьшения вероятности отказов оборудования, связанных с его перегрузками, схема построения сотовых сетей GSM реализуется по многоуровнему принципу.

В итоге, если вы со своим телефоном перемещаетесь из зоны обслуживания одного сектора БС в зону действия другого, то данное перемещение осуществляет блок управления данной базовой станции, не касаясь при это более «высокостоящих» устройств – LAC и MSC. Если же хэндовер происходит между разными БС, то за него берется уже LAC и т. д.

Коммутатор – ни что иное, как основной «мозг» сетей GSM, поэтому его работу следует рассмотреть более детально. Коммутатор сотовой сети берет на себя примерно те же задачи, что и АТС в сетях проводных операторов. Именно он понимает, куда вы осуществляете звонок или кто звонит вам, регулирует работу дополнительных услуг и, собственно, решает – можете ли вы в настоящее время осуществить свой звонок или нет.

Теперь давайте разберемся, что же происходит, когда вы включаете свой телефон или смартфон?

Итак, вы нажали «волшебную кнопку» и ваш телефон включился. На SIM-карте вашего сотового оператора находится специальный номер, который носит название IMSI – International Subscriber Identification Number (Международный опознавательный номер абонента). Он является уникальным номером для кажой SIM-карты не только у вашего оператора МТС, Билайн, МегаФон и т.п., а уникальным номером для всех мобильных сетей в мире! Именно по нему операторы отличают абонентов между собой.

В момент включения телефона ваш аппарат посылает данный код IMSI на базовую станцию, которая передает его далее на LAC, он же, в свою очередь, отсылает его на коммутатор. При этом в нашу игру вступают два дополнительных устройства, свзанных непосредственно с коммутатором – HLR (Home Location Register) и VLR (Visitor Location Register). В переводе на русский это, соответственно, Регистр домашних абонентов и Регистр гостевых абонентов. HLR хранит в себе IMSI всех абонентов своей сети. В VLR же содержится информация о тех абонентах, которые пользуются сетью данного оператора в настоящее время.

Номер IMSI передается в HLR с помощью системы шифрования (за этот процесс отвечает еще одно устройство AuC — Центр аутентификации). HLR при этом проверяет, существует ли в его базе абонент с данным номером, и если факт его наличия подтверждается, система смотрит, может ли он в настоящее время пользоваться услугами связи или, скажем, имеет финансовую блокировку. Если все нормально, то данный абонент отправляется в VLR и после этого получает возможность звонить и пользоваться другими услугами связи.

Для наглядности отобразим данную процедуру с помощью схемы:

Таким образом, мы коротко описали принцип работы сотовых сетей GSM. На самом деле, это описание достаточно поверхностно, т.к. если углубиться в технические детали подробнее, то материал бы получился во много раз объемнее и гораздо менее понятным для большинства читателей.

Во второй части мы продолжим знакомство с работой сетей GSM и рассмотрим, как и за что оператор списывает средства с нашего с вами счета.

Вся правда о том, как работают глушилки связи в России

С каждым днем нас окружает все больше техники, которая работает с использованием беспроводных сетей: мобильные телефоны, гаджеты для «умного» дома, автомобильные сигнализации, беспилотные летательные аппараты.

К сожалению, такие устройства легко вывести из строя. Простой прибор за несколько тысяч рублей может нейтрализовать охранную сигнализацию или вырубить сотовую связь в целом офисе.

Если вы живёте в Москве, то встречаетесь с этим регулярно в центре города.

В этой статье вы узнаете какие бывают бытовые подавители радиочастот и для каких целей они используются.

«Глушилки» можно легко купить в интернете, но использовать их стоит только с разрешения Роскомнадзора. Подробнее процессе регистрации подавителей радиочастот можно прочитать в документе Регистрация РЭС и ВЧУ.

Как работают подавители радиочастот?

Общий принцип работы всех глушилок очень прост: они излучают сигнал в том же диапазоне частот, что и устройство, которое требуется подавить. Вокруг глушилки создается поле «белого шума», в котором теряются сигналы от других источников.

Типы глушилок по форм-фактору

Стационарные глушилки. Такие устройства предназначены для постоянного использования на одном месте и для работы им необходимо подключение к сети. Они весят несколько килограмм и могут одновременно генерировать «белый шум» на десяти и более диапазонах радиочастот.

Портативные глушилки. Такие устройства можно носить в кармане и незаметно включать по мере необходимости, не привлекая внимание окружающих. Время автономной работы такого устройства 1-3 часа.

Весят портативные глушилки, в среднем, 300-700 грамм и объединяют в себя 3-6 антенн для подавления разных диапазонов радиочастот.

Чехлы-блокираторы. С 90-х годов ходит множество легенд про встроенный в каждый GSM-телефон «полицейский режим», который позволяет оператору сотовой связи следить за перемещениями и прослушивать разговоры любого абонента.

Обычно в таких чехлах есть два отсека. Первый отсек предназначен для полной блокировки сигналов, а второй для защиты от вредного излучения.

Во многих странах мира высокопоставленные чиновники и работники спецслужб используют мобильные телефоны специальной сборки. В России для сотрудников секретных ведомств выпускаются криптотелефоны SMP-АТЛАС/2 и М-549М.

А теперь подробнее остановимся на том, для чего применяется на практике подавление сигналов на разных диапазонах частот.

Сотовая связь

В большинстве случаев глушилки сотовой связи приобретаются для защиты помещений от прослушки с помощью GSM-жучков. Подавителем мобильной связи можно создать тишину в зале на массовом мероприятии благодаря блокировки входящих звонков.

Возможно, скоро в нашей стране примут закон, согласно которому глушилки сотовой связи будут устанавливать в тюрьмы, в школы на время проведения ЕГЭ, в аудитории университетов, театры и другие общественные места.

Диапазоны частот:
GSM900: 925-960 МГц
GSM1800: 1805-1880 МГц
3G: 2110-2170 МГц
4G WIMAX: 2570-2690 МГц
4G LTE: 791-820 МГц
CDMA800: 850-894 МГц (не используется российскими сотовыми операторами с 2010 года)
PHS: 1900-1930 МГц (устаревший стандарт, ранее использовался в Китае и Японии)

Wi-Fi/Bluetooth

Такие глушилки часто объединены в одном устройстве с подавителями сотовой связи. Они предназначены для блокировки каналов передачи данных беспроводных камер. Это дает дополнительную защиту от утечек информации.

Если в помещении активна такая глушилка, то помимо камер скрытого наблюдения не работают роутеры, беспроводные клавиатуры и мыши.

Диапазон частот:
Wi-Fi/Bluetooth: 2400 – 2500 МГц

GPS/Глонасс

Служебные автомобили дальнобойщиков и курьеров бывают оборудованы GPS-маячками, которые позволяют работодателю контролировать местоположение сотрудника. Но от такой слежки можно защититься с помощью антитрекера.

GPS-антитрекер — это небольшое устройство, которое устанавливается в прикуриватель автомобиля и блокирует сигналы спутников GPS и ГЛОНАСС. Некоторые антитрекеры включают в себя также GSM-глушилку.

Подавители GPS и Глонасс также используют угонщики для защиты от слежки за украденным автомобилем.

Диапазоны частот:
GPS L1: 1570-1620 МГц
GPS и ГЛОНАСС L2: 1200-1310МГц
GPS и ГЛОНАСС L3: 1380-1410МГц

Радио

В интернет-магазинах их продают под жизненным названием «Антишансон». Такие глушилки пригодятся в маршрутках, такси, магазинах и прочих местах обитания слушателей «Радио Дача» и «Ретро FM».

Диапазон частот:

Также для противодействия шансону и троллинга водителей используются MP3-плееры с FM-трансмиттерами. C их помощью можно не просто заглушить радио, а заставить всю маршрутку слушать свои любимые треки.

Аудиозапись

Генераторы помех для микрофонов входят в комплект комплексной защиты от прослушки вместе с подавителями сотовой связи и Wi-Fi/Bluetooth. Есть два способа предотвращения аудиозаписи:

Ультразвуковое подавление. Устройство генерируют ультразвук, который не воспринимается человеческим слухом, но создает помехи, которые блокируют запись со смартфонов и карманных диктофонов.

Акустическое подавление. Устройство генерирует слышимую человеком помеху «хор голосов».

«Глушилка микрофонов» обычно весит несколько килограммов, выглядит как обычная колонка и органично смотрится в интерьере. Управление ей происходит с помощью пульта дистанционного управления, который можно спрятать в карман.

Как маскируют глушилки?

Для незаметного окружающим подавления радио-сигналов в интернет-магазинах продаются глушилки, закамуфлированные под разные предметы. Портативные глушилки радиусом действия до 15 метров маскируют под барсетки или пачки сигарет, а более мощные универсальные подавители под портфели, дипломаты или детали интерьера.

И последнее. Как обнаружить глушилку?

Идеальный вариант — приобрести индикатор поля (детектор радиосигналов) и пройтись с ним по территории, на которой наблюдаются сбои в работе связи. Его можно купить по цене от 5 до 20 тысяч рублей.

В интернет-магазинах индикаторы поля продаются под названием «детектор жучков». Бытовой индикатор поля обнаруживает любые устройства, которые излучают радиоволны на частотах от 10 до 3500 Мгц.

(4.80 из 5, оценили: 15)