Как работает сотовая сеть GSM?

kak-rabotaet-sotovaya-set-gsm

В наше время мобильным телефоном мало, кого удивишь, но вот как работает вся эта система, задумывались лишь немногие. Во время поступающего вызова на телефон или во время набора номера вызываемого абонента, сам мобильный телефон связывается по радиосвязи с одной из ближайших антенн базовой станции. Каждая из таких базовых станций может содержать несколько приемо-передающих антенн (их количество в диапазоне от 1 до 12 антенн), которые направлены в разные стороны, чтобы захватить сигнал и передавать его в любую сторону.

Специалисты и профессионалы такие антенны называют «секторами». Каждый из нас почти наверняка видел такие подобные устройства, они представляют собой большие прямоугольные серые блоки. От антенны такого вот блока сигнал по кабелю поступает в управляющий центр всего устройства. Совокупность всех секторов (антенн), а также самого управляющего блока называют базовой станицей или BS (Base Station). Несколько таких станций, антенны которых охватывают или обслуживают некоторую территорию, подсоединяются к другому специальному устройству – контроллеру локальной зоны, который нередко обозначают как LAC (Local Area Controller). К одному контроллеру могут быть подключены порядка 15 базовых станций.

Наконец, совокупность контроллеров образует самый центральный блок, своего рода «мозговой центр», MSC (Mobile services Switching Center). В быту подобный центр называют просто коммутатором. Он предоставляет выход и вход на все телефонные линии города или района, а также на линии других операторов и т.д. Небольшие GSM-сети используют, как правило, не более одного коммутатора, в больших же сетях их может быть несколько, причём между собой они объединяются.

Возникает вполне резонный вопрос – «зачем такие сложности»? Ведь антенны можно напрямую соединить с коммутаторами. Но здесь есть свои нюансы. На пути такой простой схемы стоит handover, свого рода эстафетная передача обслуживания во всех сотовых сетях. Иными словами, идя по улице или передвигаясь в машине, поезде или электричке, во время разговора связь же не прерывается, а чтобы обеспечить это, необходимо постоянно телефон абонента переключать с одной базовой станции на другую, перекидывать с одной локальной зоны на другую. Если бы все эти сектора (антенны) были напрямую подключены к коммутатору, то нагрузка на него была бы гигантской, а ведь ему есть чем заняться и кроме этого.

Поэтому многоуровневая схема сотовой сети позволяет равномерно распределить нагрузку на все станции и локальные зоны, что препятствует быстрому отказу оборудования и продлевает их жизнь. Простой пример: если абонент переходит из зоны действия одного сектора в другой, то переключением антенны заведует базовая станция, не вмешиваясь в работу локальных зон и коммутатора. Аналогично происходит при переходе сигнала от телефона абонента от одной станции к другой, тогда переключением этих станций занимается локальная зона и т.п.

Сам коммутатор в сотовой сети во многом схож по функциональности с АТС в проводной сети. Именно коммутатор определяет место звонка абонента, а также место абонента, которому звонят, также он руководит и следит за работой по тарификации дополнительных услуг и определяет, есть ли возможность вообще сейчас позвонить конкретному абоненту. Поэтому при включении любого мобильного телефона на коммутатор посылается сигнал, содержащий код IMSI (International Subscriber ID Number), который уникален для каждой SIM-карты в мире, именно по нему сотовые операторы различают все телефоны друг друга.

Кстати, ещё один интересный факт об IMSI. Этот номер может состоять максимум из 15 цифр, которые делятся на три части. Первые 3 цифры – это мобильный код страны, затем 2 или 3 цифры кодируют код сотового оператора внутри конкретной страны, ну и последняя группа цифры уже кодирует идентификационный номер конкретного абонента.

Поэтому абонент, включив телефон, условно даёт команду ему отправить сигнал с кодом на базовую станцию, который затем передаётся в локальную зону, а затем передаётся на коммутатор. На коммутаторе работают два модуля HLR и VLR. Первый хранит IMSI всех телефонов данного оператора (Home Location Register или Регистр Домашних Номеров), второй же (Visitor Location Register или Регистр Гостевых Номеров) хранит данные всех абонентов, которые в данный момент пользуются именно этим оператором. В первую очередь, код IMSI сверяется с HLR (сигнал сам передаётся в зашифрованном виде, за его расшифровку отвечает Центр Аутентификации в коммутаторе), если номер в HLR присутствует, то далее происходит проверка, не заблокирован ли номер по каким-либо причинам, например, за неуплату. Если с номером всё нормально, то он сразу же пишется в VLR, и теперь с телефона можно совершать звонки. У самых крупных операторов подобных регистров HLR и VLR несколько ввиду огромной базы абонентов.