Что такое сеть gsm в телефоне. Частотный план GSM

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.

В переводе с английского, GSM переводится как - система глобальной мобильной связи, принадлежащая к сетям второго поколения. Давайте немного вернемся в историю и рассмотрим, как появился и развивался этот популярный стандарт.

Стандарты сети GSM

1. Аналоговая связь – 1G. Данный вид связи начал свое развитие в 1982 году. Во времена появления AMPS – Усовершенствованная Подвижная Телефонная Служба. Данный сервис использовался для голосовых каналов связи, работающих на частоте от 800 МГц.
2. Цифровая связь – 2G. С наступлением 90-х годов, прогресс сделал шаг вперед, и появилось 2-е поколение сотовой связи. Активно развиваясь в направление освоения цифровой связи, были разработаны такие стандарты, как EDGE – 2,7G и GPRS – 2,5G.
3. Широкополосная цифровая связь – 3G. Данный стандарт появился относительно недавно, и помимо услуг сотовой связи предоставляет своим пользователям доступ к сети Интернет. В след за ним появляется улучшенный стандарт HSDPA – 3.5G.
4. Высокоскоростная мобильная связь – 4G. Новое поколение сотовой связи, отличается от предыдущих стандартов более высокой скоростью и качеством сигнала. Так же помимо сотовой связи, поддерживает доступ к сети Интернет.

В наши дни GSM стандарт самый популярный и распространенный не только в России, но и во всем мире. Мобильные телефоны этого стандарта работают в 4-х диапазонах частот – 850 МГц, а так же 900, 1800 и 1900 МГц.

Как все начиналось

Первоначально аббревиатура GSM имела другое значение - Groupe Special Mobile, название группы специалистов создавшей этот стандарт. В последующем значение сменилось на уже привычное - Global System for Mobile Communications, в переводе означающее Система Глобальной Мобильной Связи. Это название и прижилось во всем мире.

Все началось с того, что в 82 году прошлого века, 26 телефонных компаний Европы занялись разработкой общего стандарта телефонной связи. Было решено, что система связи будет работать в частотном диапазоне в пределах 900 MHz.

В 89 году того же века Телекоммуникационный Институт Стандартов взялся за развитие нового стандарта связи. А в 91 году сеть GSM уже функционировала в Европе. В последующем данный стандарт распространился по всему миру, и до сих пор является основным, востребованным стандартом сотовой связи.

Какие услуги доступны с GSM

Основные услуги доступные в сети GSM:

• Обмен данными – синхронный и асинхронный обмен.
• GPRS – пакетная передача данных.
• Голосовая связь.
• Прием и передача текстовых сообщений – SMS.
• Посыл факсимильных сообщений.

Дополнительные услуги доступные в сети GSM:

Определение номера звонящего абонента.

• Анти определение исходящего номера – услуга блокирующая возможность определить ваш номер.
• Переадресация входящего вызова на другой номер.
• Удержание вызова. Режим ожидания.
• Одновременная связь с множеством оппонентов, для создания голосовых конференций.
• Голосовая почта.

Преимущества и недостатки сети GSM.

Преимущества:

1. Телефоны, используемые в сети GSM, отличаются компактностью, малым весом и низкой энергопотребляемостью. Современные аппараты способны работать долгое время без перезарядки аккумулятора, в отличие от своих аналоговых предшественников. Благодаря контролю с базовых станций оператора происходит снижение уровня сигнала, если он превышает необходимый для работы уровень. Все это способствует качеству и удобству связи.
2. Возможность большого количества одновременных соединений. Данная услуга доступна как внутри сети, так и между разными операторами, предоставляющими услуги сотовой связи.
3. Минимальное количество радиопомех. Мобильная связь работает на своих, не зависимых частотных диапазонах. Благодаря этому уровень помех сведен к минимуму, и не что не мешает вашему общению.
4. GSM обладает надежной защитой от вторжения в вашу личную жизнь – незаконное прослушивание личных разговоров, и прочие не легальные действия. Это достигается путем сложных алгоритмов цифрового шифрования. Данная система была разработана фирмой Nokia, и на сегодняшний день является мировым стандартом по защите сетей сотовой связи.
5. Доступность роуминга внутри сети и между разными операторами. Благодаря этому абонент находясь в любой точке планеты, может звонить в разные страны и города, не зависимо от того какой оператор принимает сигнал. Переход сигнала из одной сети в другую происходит автоматически.

Недостатки:

1. Вероятность искажения голоса, происходящая в момент цифровой обработки сигнала. Данный фактор зависит в первую очередь от качества передаваемого сигнала и самого аппарата сотовой связи.
2. Нарушение качества связи вдали от базовой станции оператора. Стабильная связь обеспечивается в радиусе 120 км, между мобильным телефоном и базовой станцией. В городах такое явление практически не наблюдается, но на длинных пригородных трассах сигнал может плавать - пропадать и появляться. Это происходит вследствие отдаления приемника телефона от базовой станции.
3. Повышенный уровень излучения у мобильных телефонов. Данное обстоятельство может принести реальный вред физическому здоровью человека. Чтобы избежать таких последствий используйте чехлы, и не носите телефон во внутренних карманах своей одежды. Хотя прогресс не стоит на месте. Современные телефоны более защищены и не приносят вред здоровью человека, в отличие от своих ранних собратьев.

Если говорить о поколениях мобильной связи, то в России наиболее развито и широко представлено 2G. Основные стандарты второго поколения в РФ – GSM 900/1800 и CDMA 450. Как GSM, так и CDMA используются для голосовых звонков, текстовых сообщений и мобильного доступа в интернет. Хотя второе поколение и не может обеспечить таких же скоростей, как скажем, 3G, или 4G, но это единственный вид сотовой связи который присутствует во всех регионах Российской Федерации, даже в наиболее удаленных. Крупнейшими мобильными провайдерами на территории РФ являются МегаФон, МТС, Beeline, ВымпелКом и Теле2. В среднем покрытие территории РФ составляет 85%, однако МТС, к примеру, обеспечивает покрытие на 100% России.

(Кликните по изображению, чтобы увидеть его в полном размере)

Стандарт GSM в России использует частоты в 900 и 1800 МГц. Поскольку все мобильные телефоны являются дуплексными устройствами, для связи используются сразу две частоты, одна для приема, вторая для передачи данных. К слову, при методом триангуляции по вышкам сотовой связи используются именно эти две частоты. CDMA использует две частоты в диапазонах 450 и 850 МГц, с таким же дуплексным распределением. Крупнейшим CDMA провайдером является СКАЙЛИНК. Как мы уже отмечали, эти стандарты используются в основном для голосовых звонков, текстовых сообщений и мобильного доступа в интернет. Доступ в интернет реализован на технологиях GPRS и EDGE.

Третье поколение мобильной связи или 3G, которое широко используется по всему миру также представлено и в России. Крупнейшие сети 3G в стране работают на технологии WCDMA и согласно решению ГКРЧ работают на частотах 2000-2100 МГц. Под 3G следует понимать 3G со всеми надстройками: HSUPA, HSPDA HSPA+, которые часто ошибочно имеют как . Скорости передачи данных в таких сетях несравненно выше чем в сети GSM, и варьируется в диапазоне 2-14 Мбит/сек. Это поколение мобильной связи позволяет нам пользоваться быстрым мобильным интернетом и совершать видео звонки.

Крупнейшими операторами рынка услуг 3G в России являются МТС, МегаФон, ВымпелКом, Beeline и СКАЙЛИНК. Вместе эти компании обеспечивают работу сети 3G в более чем 120 крупнейших городах Российской Федерации. Покрытие сетей третьего поколения не так велико и сосредоточено, в основном, в густо населенных городах. 3G часто используют для организации скрытого беспроводного видео наблюдения, так как скорость передачи позволяет передавать потоковое видео, а низкое энергопотребление увеличивает время работы скрытой камеры. Это отчасти объясняет популярность .

Сети четвертого поколения также активно развиваются. Первыми компаниями, которые начали строительство такой сети являются Yota и Freshtel, после них в развитие этого поколения связи на территории РФ включились такие гиганты как МТС и МегаФон. Также в России былы недавно организованны производственные мощности, которые разрабатывают и собирают оборудование для базовых станций четвертого поколения, а также производят все необходимое для этого периферийное оборудование. Первым городом, где была запущена сеть 4G был Новосибирск, а после четвертое поколение мобильной связи появилось и в Москве. 4G представлена двумя стандартами - LTE (791-862 МГц) и Wi-Max (2500-2600 МГц). На сегодня сеть 4G полностью развернута в таких городах как: Москва, Санкт-Петербург, Сочи, Самара, Новосибирск, Уфа и Краснодар.

Выше были приведены наиболее распространенные стандарты сотовой связи, однако стоит отметить, что РФ также создала свою систему глобального позиционирования, под названием . Она была создана в замену американской спутниковой системе навигации GPS. ГЛОНАСС сильно отличается от GPS. Американская система работает на трех каналах и использует 3 разных частоты:1575.42, 1227.60 и 1176.45 МГц, и делится на гражданский и военный сектора, а частота 1575.42 МГц отведена для работы службы спасения. ГЛОНАСС, в свою очередь работает с двумя каналами, их частоты: 1602-1615 и 1246-1256 МГц. ГЛОНАСС наиболее популярен в приполярных районах, так как орбиты спутников ГЛОНАСС выше чем орбиты GPS и имеют лучшую видимость. Однако стоит отметить, что GPS определяет координаты точнее.

В целом можно сказать, что Россия имеет неплохое покрытие различными стандартами и поколениями сотовой связи, а высокие темпы не могут не радовать активных пользователей мобильных гаджетов.

Стандарты сотовой связи второго поколения нашли широкое распространение не только на территории России, но и в других странах. Самым известным стандартом 2G является GSM (Global System for Mobile Communications - Глобальная система мобильной связи). Около 80% сетей сотовой связи по всему миру построены по этому стандарту. Сети GSM используются 3 миллиардами людей более чем в 212 странах мира. Такое широкое распространение позволяет использовать международный между операторами сотовой связи, что дает возможность использовать абоненту свой телефон практически в любом уголке Земли. Причем именно возможность (в том числе и международного) является главной отличительной чертой стандарта GSM от .

Разработка стандарта GSM началась еще в 1982 году организацией по стандартизации . В 1991 году в Финляндии была введена в эксплуатацию первая в мире сеть GSM. Уже к концу 1993 года число абонентов, использующих этот стандарт, перевалило за миллион. К этому времени сети GSM были развернуты в 73 странах мира.

Сети стандарта GSM позволяют предоставлять широкий перечень услуг:

Благодаря этому GSM завоевал прочные позиции на рынке сотовой связи. Причем, можно с уверенность сказать, что на ближайшие несколько лет этот стандарт будет лидирующим.

Итак, рассмотрим основные элементы, входящие в состав системы GSM:

Сеть GSM делится на 2 системы. Каждая из этих систем включает в себя ряд функциональных устройств, которые, в свою очередь являются компонентами сети мобильной радиосвязи.

Данными системами являются:

Визитный регистр местоположения ()

Центр аутентификации ()

Регистр идентификации абонентского оборудования ()

– это база данных, содержащая информацию о идентификационных номерах мобильных телефонов GSM. Данная информация необходима для осуществления блокировки краденых трубок. не является обязательным элементом сети. В мире существует лишь несколько операторов, которые внедрили его в своей сети.

(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»