Nous utilisons tous des téléphones portables, mais personne ne pense rarement - comment fonctionnent-ils ? Dans cet article, nous allons essayer de comprendre comment la communication est réellement mise en place vis-à-vis de votre opérateur mobile.

Lorsque vous passez un appel à votre interlocuteur, ou que quelqu'un vous appelle, votre téléphone est relié par radio à l'une des antennes à proximité station de base (BS, BS, station de base).Chaque station de base communications cellulaires(chez les gens ordinaires - tours cellulaires) comprend de un à douze émetteurs-récepteurs antennes ayant des directions dans différentes directions afin de fournir une communication de haute qualité aux abonnés à leur portée. Les spécialistes dans leur jargon appellent de telles antennes "secteurs", qui sont des structures rectangulaires grises que vous pouvez voir presque tous les jours sur les toits des bâtiments ou des mâts spéciaux.

Le signal d'une telle antenne est envoyé par câble directement à l'unité de contrôle de la station de base. La station de base est une combinaison de secteurs et d'une unité de contrôle. Dans le même temps, une certaine partie de la colonie ou du territoire est desservie par plusieurs stations de base connectées à une unité spéciale à la fois - contrôleur de zone local(abrégé BAC, contrôleur de zone locale ou simplement "contrôleur"). En règle générale, un contrôleur réunit jusqu'à 15 stations de base d'une certaine zone.

De leur côté, les contrôleurs (il peut aussi y en avoir plusieurs) sont reliés à l'unité principale - Centre de contrôle des services mobiles (MSC, Mobile services Switching Center), qui pour faciliter la perception s'appelle simplement "commutateur". Le commutateur, à son tour, fournit une entrée et une sortie à toutes les lignes de communication - à la fois cellulaires et câblées.

Si vous affichez ce qui est écrit sous forme de schéma, vous obtenez ceci :
Les réseaux GSM à petite échelle (généralement régionaux) peuvent utiliser un seul commutateur. Les grands, tels que nos «trois grands» opérateurs MTS, Beeline ou MegaFon, desservant des millions d'abonnés en même temps, utilisent plusieurs appareils MSC interconnectés à la fois.

Voyons pourquoi un système aussi complexe est nécessaire et pourquoi il est impossible de connecter directement les antennes de la station de base au commutateur ? Pour cela, il faut parler d'un autre terme, appelé en langage technique remise (transfert). Il caractérise le handover dans les réseaux mobiles selon le principe du handover. En d'autres termes, lorsque vous vous déplacez dans la rue à pied ou dans un véhicule et que vous parlez au téléphone en même temps, afin que votre conversation ne soit pas interrompue, vous devez en temps opportun basculer votre appareil d'un secteur BS à un autre, de la zone de couverture d'une station de base ou d'un contrôleur local à un autre, etc. Par conséquent, si les secteurs de la station de base étaient connectés directement au commutateur, il devrait effectuer lui-même cette procédure de handover pour tous ses abonnés, et le commutateur a déjà suffisamment de tâches. Ainsi, afin de réduire la probabilité de pannes des équipements liées à leurs surcharges, le schéma de construction des réseaux cellulaires GSM est mis en oeuvre selon un principe multi-niveaux.

En conséquence, si vous et votre téléphone vous déplacez de la zone de service d'un secteur BS à la zone de couverture d'un autre, ce mouvement est effectué par l'unité de contrôle de cette station de base, sans toucher les appareils plus «chers» - LAC et MSC. Si le handover se produit entre différentes BS, alors LAC est déjà pris pour cela, etc.

Le commutateur n'est rien de plus que le "cerveau" principal des réseaux GSM, son fonctionnement doit donc être examiné plus en détail. Le commutateur de réseau cellulaire assume approximativement les mêmes tâches que le PBX dans les réseaux des opérateurs câblés. C'est lui qui comprend où vous passez l'appel ou qui vous appelle, règle le travail des services supplémentaires et, en fait, décide si vous pouvez actuellement passer votre appel ou non.

Voyons maintenant ce qui se passe lorsque vous allumez votre téléphone ou votre smartphone ?

Donc, vous avez appuyé sur le "bouton magique" et votre téléphone s'est allumé. Sur votre carte SIM opérateur mobile il y a un numéro spécial appelé IMSI - Numéro international d'identification de l'abonné (numéro international d'identification de l'abonné). C'est un numéro unique pour chaque carte SIM non seulement pour votre opérateur MTS, Beeline, MegaFon, etc., mais un numéro unique pour tout le monde les réseaux mobiles dans le monde! C'est sur elle que les opérateurs distinguent les abonnés entre eux.

Lorsque vous allumez votre téléphone, votre appareil envoie code donné IMSI à la station de base, qui le transmet ensuite au LAC, qui, à son tour, l'envoie au commutateur. Dans le même temps, deux appareils supplémentaires connectés directement au commutateur entrent dans notre jeu - HLR (registre de localisation d'origine) Et VLR (registre de localisation des visiteurs). Traduit en russe, il s'agit respectivement de Registre des abonnés à domicile Et Registre des abonnés invités. HLR stocke l'IMSI de tous les abonnés de son réseau. Le VLR contient des informations sur les abonnés qui utilisent actuellement le réseau de cet opérateur.

Le numéro IMSI est transmis au HLR à l'aide d'un système de cryptage (un autre appareil est responsable de ce processus AuC - Centre d'authentification). Dans le même temps, HLR vérifie si un abonné avec ce numéro existe dans sa base de données, et si le fait de sa présence est confirmé, le système regarde s'il peut actuellement utiliser les services de communication ou, par exemple, s'il a un blocage financier. Si tout va bien, alors cet abonné va au VLR et a ensuite la possibilité d'appeler et d'utiliser d'autres services de communication.

Pour plus de clarté, nous allons afficher cette procédure à l'aide d'un schéma :

Ainsi, nous avons brièvement décrit le principe de fonctionnement des réseaux cellulaires GSM. En fait, cette description est assez superficielle, car si nous approfondissons plus en détail les détails techniques, le matériel se révélera beaucoup plus volumineux et beaucoup moins compréhensible pour la plupart des lecteurs.

Dans la deuxième partie, nous poursuivrons notre connaissance du fonctionnement des réseaux GSM et examinerons comment et pour quoi l'opérateur débite des fonds de notre compte avec vous.

Savez-vous ce qui se passe après avoir composé le numéro d'un ami sur votre téléphone portable ? Comment réseau cellulaire trouve-t-il dans les montagnes d'Andalousie ou sur la côte de la lointaine île de Pâques ? Pourquoi la conversation s'arrête-t-elle parfois soudainement ? La semaine dernière, j'ai rendu visite à Beeline et j'ai essayé de comprendre comment fonctionne la communication cellulaire ...

Une grande partie de la partie peuplée de notre pays est couverte par des stations de base (BS). Sur le terrain, ils ressemblent à des tours rouges et blanches, et en ville, ils sont cachés sur les toits des bâtiments non résidentiels. Chaque station capte un signal des téléphones portables à une distance allant jusqu'à 35 kilomètres et communique avec un téléphone portable via un service ou des canaux vocaux.

Après avoir composé le numéro d'un ami, votre téléphone contacte la station de base (BS) la plus proche via un canal de service et vous demande d'attribuer un canal vocal. La station de base envoie la requête au contrôleur (BSC), qui la transmet au commutateur (MSC). Si votre ami est sur le même réseau cellulaire, le commutateur vérifiera le registre de localisation domestique (HLR) pour savoir où il se trouve. ce moment l'abonné appelé se trouve (chez lui, en Turquie ou en Alaska), et transférera l'appel au standard approprié, d'où il le transmettra au contrôleur puis à la station de base. La station de base contactera le téléphone portable et vous connectera avec un ami. Si votre ami est abonné à un autre réseau ou que vous appelez un téléphone fixe, alors votre commutateur contactera le commutateur correspondant d'un autre réseau. Difficile? Regardons de plus près. La station de base est une paire d'armoires en fer enfermées dans une pièce bien climatisée. Étant donné qu'à Moscou, il faisait +40 dans la rue, je voulais vivre dans cette pièce pendant un certain temps. Habituellement, la station de base est située soit dans le grenier du bâtiment, soit dans un conteneur sur le toit :

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L'antenne de la station de base est divisée en plusieurs secteurs, chacun "brillant" dans sa propre direction. Antenne verticale communique avec les téléphones, le rond connecte la station de base au contrôleur :

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Chaque secteur peut servir jusqu'à 72 appels en même temps, selon l'installation et la configuration. Une station de base peut être composée de 6 secteurs, donc une station de base peut servir jusqu'à 432 appels, cependant, il y a généralement moins d'émetteurs et de secteurs installés dans la station. Les opérateurs cellulaires préfèrent installer plus de BS pour améliorer la qualité de la communication. La station de base peut fonctionner dans trois bandes : 900 MHz - le signal à cette fréquence se propage davantage et pénètre mieux à l'intérieur des bâtiments 1800 MHz - le signal se propage sur des distances plus courtes, mais vous permet d'installer plus d'émetteurs sur 1 secteur 2100 MHz - réseau 3G Voici à quoi ressemble une armoire avec un équipement 3G :

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Des émetteurs 900 MHz sont installés dans les stations de base dans les champs et les villages, et dans la ville, où les stations de base sont coincées comme des aiguilles dans un hérisson, la communication s'effectue principalement à une fréquence de 1800 MHz, bien que des émetteurs des trois bandes puissent être présents à n'importe quelle station de base en même temps.

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Un signal de 900 MHz peut atteindre jusqu'à 35 kilomètres, bien que la "portée" de certaines stations de base le long des itinéraires puisse atteindre jusqu'à 70 kilomètres, en réduisant de moitié le nombre d'abonnés desservis simultanément à la station. En conséquence, notre téléphone, avec sa petite antenne intégrée, peut également transmettre un signal jusqu'à 70 kilomètres... Toutes les stations de base sont conçues pour fournir une couverture radio optimale au niveau du sol. Par conséquent, malgré la portée de 35 kilomètres, le signal radio n'est tout simplement pas envoyé à l'altitude de l'avion. Cependant, certaines compagnies aériennes ont déjà commencé à installer des stations de base de faible puissance sur leurs avions qui offrent une couverture à l'intérieur de l'avion. Une telle BS est connectée au réseau cellulaire terrestre à l'aide d'un canal satellite. Le système est complété par un panneau de contrôle qui permet à l'équipage d'allumer et d'éteindre le système, ainsi que certains types de services, comme la désactivation de la voix sur les vols de nuit. Le téléphone peut mesurer simultanément la force du signal de 32 stations de base. Il envoie des informations sur les 6 meilleurs (par niveau de signal) via le canal de service, et le contrôleur (BSC) décide à quelle BS transmettre l'appel en cours (Handover) si vous êtes en déplacement. Parfois, le téléphone peut faire une erreur et vous transférer vers une BS avec un signal moins bon, auquel cas la conversation peut être interrompue. Il se peut également qu'à la station de base que votre téléphone a sélectionnée, toutes les lignes vocales soient occupées. Dans ce cas, la conversation sera également interrompue. On m'a également parlé du soi-disant "problème du dernier étage". Si vous vivez dans un penthouse, alors parfois, en passant d'une pièce à une autre, la conversation peut être interrompue. En effet, dans une pièce, le téléphone peut "voir" une BS, et dans la seconde - une autre, s'il va de l'autre côté de la maison, et, en même temps, ces 2 stations de base sont très éloignées l'une de l'autre et ne sont pas enregistrées comme "voisines" par l'opérateur cellulaire. Dans ce cas, le transfert d'un appel d'une BS à une autre n'aura pas lieu :

La communication dans le métro est assurée de la même manière que dans la rue: Station de base - contrôleur - commutateur, à la seule différence que de petites stations de base y sont utilisées, et dans le tunnel, la couverture n'est pas assurée par une antenne ordinaire, mais par un câble rayonnant spécial. Comme je l'ai écrit ci-dessus, une BS peut effectuer jusqu'à 432 appels en même temps. Habituellement, cette puissance est suffisante pour les yeux, mais, par exemple, pendant certaines vacances, la BS peut ne pas être en mesure de faire face au nombre de personnes qui souhaitent appeler. Cela se produit généralement sur Nouvelle année quand tout le monde commence à se féliciter. Les SMS sont transmis via des canaux de service. Le 8 mars et le 23 février, les gens préfèrent se féliciter par SMS, en s'envoyant des rimes amusantes, et les téléphones ne parviennent souvent pas à s'entendre avec la BS sur l'attribution d'un canal vocal. On m'a raconté une histoire intéressante. D'un quartier de Moscou, des plaintes ont commencé à venir d'abonnés qu'ils ne pouvaient joindre nulle part. Les techniciens ont commencé à comprendre. La plupart des canaux vocaux étaient gratuits et tous les canaux de service étaient occupés. Il s'est avéré qu'à côté de ce BS, il y avait un institut où les examens avaient lieu et les étudiants échangeaient constamment des SMS. Long Téléphone SMS se divise en plusieurs courts et envoie chacun séparément. Employés service technique Il est conseillé d'envoyer ces félicitations via MMS. Ce sera plus rapide et moins cher. Depuis la station de base, l'appel est acheminé vers le contrôleur. Il a l'air aussi ennuyeux que le BS lui-même - c'est juste un ensemble d'armoires :

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Selon l'équipement, le contrôleur peut desservir jusqu'à 60 stations de base. La communication entre la BS et le contrôleur (BSC) peut être réalisée via un canal de relais radio ou via l'optique. Le contrôleur contrôle le fonctionnement des canaux radio, incl. contrôle le mouvement de l'abonné, la transmission du signal d'une BS à l'autre. Le switch a l'air bien plus intéressant :

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Chaque commutateur dessert de 2 à 30 contrôleurs. Il occupe déjà un grand hall rempli de diverses armoires avec du matériel :

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Le commutateur effectue le contrôle du trafic. Vous souvenez-vous des vieux films où les gens appelaient d'abord la "fille", puis elle les connectait avec un autre abonné, recâblant les fils ? Les commutateurs modernes font la même chose :

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Pour contrôler le réseau, Beeline dispose de plusieurs voitures, qu'ils appellent affectueusement "hérissons". Ils se déplacent dans la ville et mesurent le niveau de signal de leur propre réseau, ainsi que le niveau du réseau de collègues des "Big Three":

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Tout le toit d'une telle voiture est parsemé d'antennes:

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À l'intérieur se trouvent des équipements qui effectuent des centaines d'appels et capturent des informations :

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Le contrôle 24 heures sur 24 des commutateurs et des contrôleurs est effectué à partir du centre de contrôle de mission du centre de contrôle du réseau (NCC):

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Il existe 3 principaux domaines de surveillance du réseau cellulaire : le taux d'accidents, les statistiques et les commentaires des abonnés. Tout comme dans les avions, tous les équipements de réseau cellulaire sont équipés de capteurs qui envoient un signal au MCC et transmettent des informations aux ordinateurs des répartiteurs. Si certains équipements sont hors service, le voyant du moniteur « clignotera ». Le MSC assure également le suivi des statistiques de tous les commutateurs et contrôleurs. Il l'analyse en la comparant aux périodes précédentes (heure, jour, semaine, etc.). Si les statistiques de l'un des nœuds ont commencé à différer fortement des indicateurs précédents, le voyant du moniteur recommencera à «clignoter». Retour acceptées par les opérateurs de services d'abonnement. S'ils ne peuvent pas résoudre le problème, l'appel est transféré à un spécialiste technique. S'il s'avère impuissant, un «incident» est créé dans l'entreprise, qui est résolu par des ingénieurs impliqués dans le fonctionnement de l'équipement correspondant. Les aiguillages sont surveillés 24h/24 par 2 ingénieurs :

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Le graphique montre l'activité des commutateurs de Moscou. On voit bien que presque personne n'appelle la nuit :

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Le contrôle des contrôleurs (désolé pour la tautologie) s'effectue depuis le deuxième étage du Network Control Center :

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Lors de l'émission ou de la réception d'un appel, le téléphone de l'abonné établit une liaison radio avec l'une des antennes d'une station de base à proximité ( BS- Station de base). Vers le système cellulaire GSM comprend un ensemble de stations de base, dont chacune peut comprendre 1 à 12 antennes d'émission-réception. Pour assurer une communication de haute qualité dans le rayon de leur action, les antennes ont une orientation polyvalente. Les antennes sont des structures rectangulaires que l'on peut voir sur des mâts spéciaux ou sur le toit d'immeubles de grande hauteur. Ces antennes génèrent des signaux et les transmettent via un câble spécial à l'unité de contrôle BS. Station de base est une combinaison d'antennes et d'une unité de contrôle. Il y a des territoires qui peuvent être desservis par plusieurs stations de base connecté à contrôleur de zone local (LAC- Contrôleur de Zone Locale). Un contrôleur peut combiner jusqu'à 15 stations de base sur certain territoire. Les contrôleurs de zone locale communiquent avec centre de contrôle services mobiles (MSc- Centre de commutation des services mobiles, ou plus simplement "commutateur"), qui, à son tour, dispose de connexions d'entrée et de sortie vers tous les types de communications cellulaires et filaires existants. Les réseaux cellulaires régionaux de la norme GSM ne peuvent utiliser qu'un seul centre de contrôle de service mobile. Dans le même temps, grands opérateurs communications mobiles(par exemple, MTS, Beeline ou Megafon), qui comptent plusieurs millions d'abonnés, utilisent plusieurs MSC interconnectés.

Pour comprendre la hiérarchie d'un système aussi complexe, il est nécessaire d'utiliser le sens du terme technique remettre(handover), qui fait référence à la fonction de handover de l'abonné dans les réseaux cellulaires selon le principe du handover. Cela signifie que si le client se déplace dans la rue et parle au téléphone en même temps, alors afin de maintenir la continuité de la conversation, il est nécessaire de basculer en temps opportun le téléphone de l'abonné d'un secteur (cellule) de la station de base à un autre, ainsi que de la sphère de contrôle d'un BS ou LAC à un autre, etc. Par conséquent, si une connexion directe des secteurs des stations de base au commutateur était utilisée, alors, malgré l'abondance d'autres tâches, ce dernier devrait effectuer indépendamment la procédure de transfert pour tous les abonnés existants. Pour assurer une charge uniforme des équipements et réduire le risque de défaillances dues à des surcharges, le schéma d'organisation des réseaux mobiles GSM repose sur un principe à plusieurs niveaux. En d'autres termes, lorsqu'un abonné passe de la zone de couverture d'un secteur de la station de base à la zone de couverture d'un autre, la commutation est effectuée par l'unité de contrôle de cette BS, tandis que les dispositifs LAC ou MSC "supérieurs" de la hiérarchie ne sont pas impliqués. De même, avec le transfert entre différentes stations de base, LAC fonctionne déjà, etc.

Le commutateur remplit les mêmes fonctions que les PBX dans les réseaux câblés et est le principal dispositif de contrôle pour les réseaux GSM. Le Mobile Communications Service Center détermine les destinataires de l'appel, régule le fonctionnement des services supplémentaires et décide directement si l'abonné a le droit de passer un appel à un moment donné. Donc, vous avez appuyé sur le "bouton magique" et votre téléphone s'est allumé. Sur la carte SIM, qui se trouve dans le téléphone de l'abonné, il y a un numéro spécial IMSI(International Subscriber Identification Number), qui signifie "International Subscriber Identification Number". IMSI est un numéro unique pour tous les réseaux mobiles existants dans le monde, par lequel les opérateurs mobiles identifient de manière unique les abonnés. Au moment où le bouton d'alimentation du téléphone est enfoncé, il envoie le code IMSI à la station de base, qui, à son tour, le transmet d'abord au LAC, puis encore plus bas dans la hiérarchie au commutateur. Dans le même temps, deux appareils supplémentaires participent au processus - HLR(Registre de localisation du domicile) et VLR(Visitor Location Register), qui sont connectés directement au commutateur. HLR signifie "Home Subscriber Register" et stocke les codes IMSI de tous les abonnés sur son propre réseau, tandis que VLR ("Visitor Subscriber Register") contient des informations sur tous les abonnés qui utilisent le réseau de ce opérateur mobileà un moment précis.

Lors de la transmission du code IMSI au HLR, un système de cryptage est utilisé, qui est fourni par ASC(Centre d'authentification). Dans un premier temps, HLR vérifie s'il existe un abonné avec ce numéro dans sa base de données et, le cas échéant, si l'abonné a le droit d'utiliser les services du réseau pour le moment ou, par exemple, s'il a un blocage financier pour le moment. Si la vérification s'est terminée positivement pour l'abonné, son numéro est redirigé vers VLR, après quoi le client peut passer des appels ou utiliser d'autres services cellulaires.

Ainsi, nous avons superficiellement considéré le principe de base du fonctionnement des réseaux cellulaires GSM, puisque une description plus approfondie des détails techniques est beaucoup plus volumineuse et en même temps moins compréhensible pour la plupart des lecteurs.

Introduction

Téléphones portables sont apparus relativement récemment et, néanmoins, en très peu de temps, ils sont devenus une partie intégrante de notre vie. Dans les grandes villes, par exemple, la grande majorité des gens utilisent les services des opérateurs mobiles à un degré ou à un autre. La chose la plus intéressante est que la technologie communications mobiles en constante évolution et à un rythme très rapide. Il convient de noter que ce développement se produit dans plusieurs directions à la fois. D'une part, le nombre de nouveaux services fournis par les opérateurs mobiles ne cesse de croître. En revanche, ils augmentent Fonctionnalité eux-mêmes mobile postes téléphoniques. La troisième direction - la réduction de la taille des téléphones a déjà atteint un certain seuil et a cessé d'être décisive pour le moment.

Malgré la diversité des normes existantes communications cellulaires (GSM, CDMA...) et l'abondance de fonctionnalités de leur mise en œuvre, les algorithmes de construction et de fonctionnement de tels systèmes sont largement similaires.

Théoriquement, il est possible de diviser le territoire en zones de même forme sans recouvrement ni vide en utilisant trois formes géométriques régulières : un triangle, un carré et un hexagone. Dans le premier cas stations de base devrait être situé sur le sol en damier, et dans le second - de manière carrée. Mais la couverture la plus économique et la plus efficace est réalisée par des zones en forme d'hexagones. Et la raison ici est simple : c'est l'hexagone qui décrit presque parfaitement la zone de travail de la station de base installée au centre de la cellule et dotée d'une antenne à diagramme de rayonnement circulaire.

Dans les endroits où le service simultané d'un grand nombre d'abonnés est requis, la méthode de division cellulaire est utilisée - la création de zones plus petit. Dans ce cas, l'hexagone d'origine est divisé en sept hexagones plus petits (picocellules). Dans ce cas, le reste de la structure du réseau n'est pas violé. Il convient de noter que la forme géométriquement correcte des zones de travail n'est pas toujours réalisable dans la pratique. La portée de propagation des ondes radio dépend du terrain : collines, ravins, montagnes, grands bâtiments, etc. Elles déforment la forme des zones de travail et obligent les stations de base à se situer pas toujours dans un ordre géométrique strict.

Passons maintenant aux aspects techniques. Les principaux éléments du système cellulaire : l'équipement d'abonné (radiotéléphones mobiles), un réseau de stations de base situées dans la zone de service et un centre de commutation.

Chaque station de base est un émetteur-récepteur multicanal qui dessert les abonnés au sein de sa cellule. Grâce à des lignes de communication spéciales (filaires ou relais radio), toutes les stations de base sont connectées au centre de commutation.

Le centre de commutation assure la gestion du réseau et, en fait, est un central téléphonique automatique spécialisé. Il stocke dans sa mémoire les données de tous les abonnés du réseau cellulaire, est chargé de vérifier les droits d'accès des abonnés et leur authentification (authentification), traite et stocke les informations. Également dans ses responsabilités comprennent : les signaux de suivi téléphones portables, leur transmission par relais lors du déplacement du téléphone d'une cellule à l'autre, la commutation des canaux dans les cellules en cas d'interférences ou de dysfonctionnements, et surtout, l'établissement d'une connexion d'un abonné au réseau cellulaire conformément au numéro composé avec un autre abonné ou l'accès au réseau téléphonique urbain, interurbain et international. Dans certaines conceptions de système, toutes ces fonctions sont partagées entre le centre de commutation et un autre équipement - les contrôleurs de station de base.

Simplifié principe le fonctionnement des éléments du réseau cellulaire ressemble à ceci. Chaque station de base a canal spécial, a appelé le gérant, et tous Téléphones portablesécouter les signaux sur ce canal en attendant un appel. Dans le cas où l'abonné souhaite passer un appel, immédiatement après avoir composé le numéro, le radiotéléphone démarre recherche automatique canal gratuit. Lorsqu'il est détecté, il transmet ses paramètres et le numéro composé via la station de base au commutateur de réseau cellulaire. Après vérification des paramètres de l'abonné, le centre de commutation établit la connexion. Dans le sens inverse - lors de l'appel d'un abonné au réseau cellulaire - le commutateur vérifie la présence d'un tel numéro dans sa base de données et lance la recherche d'un radiotéléphone dans chacune des cellules. Le radiotéléphone de l'abonné, ayant reçu cet appel sur le canal de contrôle, transmet une confirmation d'appel, déterminant ainsi sa localisation dans le réseau cellulaire. Après cela, le commutateur trouve un canal de conversation libre dans cette cellule et commute la connexion vers celui-ci.

En plus d'organiser les connexions, le commutateur surveille en permanence les signaux radiotéléphones et pendant la communication. En cas de dysfonctionnement de l'équipement ou d'interférences, le commutateur trouve un autre canal libre et y transfère la conversation. Les mouvements de l'abonné en cours de connexion (la communication est mobile !) peuvent entraîner une diminution extrême du niveau des signaux. Ensuite, le commutateur bascule vers une autre station de base plus proche de l'abonné. La transmission par relais est entièrement automatique et si rapide que la connexion n'est pas interrompue et que l'abonné ne remarque rien.

Réseaux GSM. Un regard de l'intérieur.

Un peu d'histoire

À l'aube du développement des communications mobiles (et il n'y a pas si longtemps - au début des années 80), l'Europe était couverte de réseaux analogiques de diverses normes - Scandinavie a développé ses propres systèmes, la Grande-Bretagne est-elle propre ... Il est maintenant difficile de dire qui a été l'initiateur de la révolution qui a suivi très bientôt - les «Top» sous la forme de fabricants d'équipements, ont perçu à l'élaboration de leurs propres dévans pour chaque réseau, ou les «bourses», comme des utilisateurs, avec des éventuels éveils pour chaque réseau, ou les «bourses», comme des utilisateurs, avec les zones disposées de leurs propres dévans pour chaque réseau, ou les «bourses», comme des utilisateurs, avec les zones disposées de leurs propres dévans \ U200B \ U200Bits Téléphone. D'une manière ou d'une autre, en 1982, la Commission européenne des télécommunications (CEPT) a créé un groupe spécial pour développer un système de communication mobile paneuropéen fondamentalement nouveau. Les principales exigences de la nouvelle norme étaient les suivantes : utilisation efficace spectre de fréquences, la possibilité d'itinérance automatique, une qualité vocale améliorée et une protection contre les accès non autorisés par rapport aux technologies précédentes, ainsi que, bien sûr, la compatibilité avec d'autres systèmes de communication existants (y compris filaires) et similaires.

Le résultat du travail acharné de nombreuses personnes de différents pays (pour être honnête, je ne peux même pas imaginer la quantité de travail qu'ils ont fait !) a été la spécification d'un réseau mobile paneuropéen, introduit en 1990, appelé Système Global pour les Communications Mobiles ou simplement GSM. Et puis tout a clignoté comme dans un kaléidoscope - le premier opérateur GSM a accepté des abonnés en 1991, au début de 1994, les réseaux basés sur la norme en question comptaient déjà 1,3 million d'abonnés, et à la fin de 1995, leur nombre était passé à 10 millions ! Vraiment, "GSM marche sur la planète" - à l'heure actuelle, environ 200 millions de personnes ont des téléphones de cette norme, et les réseaux GSM peuvent être trouvés partout dans le monde.

Essayons de comprendre comment les réseaux GSM sont organisés et sur quels principes ils fonctionnent. Je dois dire tout de suite que la tâche n'est pas facile, mais croyez-moi - en conséquence, nous tirerons un réel plaisir de la beauté. solutions techniques utilisé dans ce système de communication.

Deux questions très importantes resteront en dehors du champ d'examen : premièrement, la séparation des canaux temps-fréquence (vous pouvez vous familiariser avec cela) et, deuxièmement, les systèmes de cryptage et de protection pour la parole transmise (il s'agit d'un sujet si spécifique et étendu que, peut-être, un matériel séparé lui sera consacré à l'avenir).

Les principales parties du système GSM, leur objectif et leur interaction les unes avec les autres.

Commençons par le plus difficile et, peut-être, ennuyeux - l'examen du squelette (ou, comme on dit dans le département militaire de mon Alma Mater, schéma fonctionnel) du réseau. Lors de la description, j'adhérerai aux abréviations en anglais acceptées dans le monde entier, bien sûr, tout en donnant leur interprétation en russe.

Jetez un oeil à la fig. 1:

Fig.1 Architecture de réseau GSM simplifiée.

La partie la plus facile diagramme- un téléphone portable, composé de deux parties : le combiné lui-même - UI(Équipement mobile - appareil mobile) et cartes à puce SIM (Subscriber Identity Module - module d'identification de l'abonné), obtenu en concluant un contrat avec l'opérateur. Tout comme n'importe quelle voiture est équipée d'un numéro de carrosserie unique, le téléphone portable a son propre numéro - IMEI(International Mobile Equipment Identity - identifiant international appareil mobile), qui peut être transmis au réseau à sa demande (plus de détails sur IMEI peut être trouvé). SIM , à son tour, contient le soi-disant IMSI(Identité internationale de l'abonné mobile - international un numéro d'identification abonné). Je pense que la différence entre IMEI Et IMSI clair - IMEI correspond à un téléphone spécifique, et IMSI- à un certain abonné.

Le "système nerveux central" du réseau est NSS(Sous-système de réseau et de commutation - un sous-système de réseau et de commutation), et le composant qui remplit les fonctions du "cerveau" est appelé MSc(Centre de commutation des services mobiles - centre de commutation). C'est ce dernier qui est appelé en vain (parfois aspiré) "standard", et aussi, en cas de problèmes de communication, est blâmé pour tous les péchés mortels. MSc il peut y en avoir plusieurs dans le réseau (dans ce cas, l'analogie avec le multiprocesseur systèmes informatiques) - par exemple, au moment de la rédaction de cet article, l'opérateur moscovite Beeline mettait en œuvre un deuxième commutateur (fabriqué par Alcatel). MSc gère le routage des appels, génère des données pour le système de facturation, gère de nombreuses procédures - il est plus facile de dire ce qui n'est PAS de la responsabilité du commutateur que d'énumérer toutes ses fonctions.

Les autres composants réseau les plus importants, également inclus dans NSS, J'appellerais HLR(Home Location Register - registre de ses propres abonnés) et VLR(Registre de localisation des visiteurs - registre des mouvements). Faites attention à ces pièces, à l'avenir nous y ferons souvent référence. HLR, en gros, est une base de données de tous les abonnés qui ont conclu un contrat avec le réseau en question. Il stocke des informations sur les numéros d'utilisateur (les numéros signifient, premièrement, les IMSI, et deuxièmement, le soi-disant MSISDN-Abonné mobile RNIS, c'est-à-dire numéro de téléphone au sens habituel), une liste des services disponibles et bien plus encore - plus loin dans le texte, les paramètres qui sont en HLR.

Contrairement à HLR, qui est le seul dans le système, VLR Il peut y avoir plusieurs `s - chacun d'eux contrôle sa partie du réseau. DANS VLR contient des données sur les abonnés qui se trouvent sur son (et uniquement son !) territoire (et non seulement ses abonnés sont desservis, mais aussi les itinérants enregistrés dans le réseau). Dès que l'utilisateur quitte la zone d'effet de certains VLR, les informations le concernant sont copiées dans un nouveau VLR, et retiré de l'ancien. En fait, entre ce qui concerne l'abonné dans VLR et en HLR, il y a beaucoup en commun - regardez les tableaux où la liste des données à long terme (tableau 1) et temporaires (tableaux 2 et 3) sur les abonnés stockées dans ces registres est donnée. Encore une fois, j'attire l'attention du lecteur sur différence fondamentale HLR depuis VLR: le premier contient des informations sur tous les abonnés du réseau, quel que soit leur emplacement, et le second ne contient des données que sur ceux qui se trouvent sur le réseau subordonné VLR territoire. DANS HLR pour chaque abonné, il y a toujours un lien vers celui-ci VLR, qui travaille actuellement avec lui (l'abonné) (en même temps, il VLR peut appartenir à un réseau étranger situé, par exemple, de l'autre côté de la Terre).

1.	Numéro international d'identification de l'abonné ( IMSI)
2.	Numéro de téléphone abonné au sens usuel ( MSISDN)
3.	Catégorie de station mobile
4.	Clé d'identification de l'abonné ( Ki)
5.	Types de fourniture de services supplémentaires
6.	Index fermé des groupes d'utilisateurs
7.	Code de verrouillage du groupe d'utilisateurs fermé
8.	La composition des principaux appels transférables
9.	Alerte de l'appelant
10.	Identification de la ligne appelée
11.	Calendrier
12.	Annonce de l'appelé
13.	Contrôle de la signalisation lors de la connexion des abonnés
14.	Caractéristiques d'un groupe fermé d'utilisateurs
15.	Avantages du groupe d'utilisateurs fermé
16.	Appels sortants interdits groupe fermé utilisateurs
17.	Nombre maximum d'abonnés
18.	Mots de passe utilisés
19.	Classe d'accès prioritaire

Tableau 1. Composition complète des données à long terme stockées dans HLR Et VLR.

1.	Options d'authentification et de cryptage
2.	Numéro de portable temporaire ( TMSI)
3.	L'adresse du registre des mouvements où se trouve l'abonné ( VLR)
4.	Zones de mouvement des stations mobiles
5.	Remise du numéro de portable
6.	Statut d'enregistrement
7.	Pas de minuterie de réponse
8.	Composition des mots de passe actuellement utilisés
9.	Activité de communication

Tableau 2. Composition complète des données temporaires stockées dans HLR.

Tableau 3. Composition complète des données temporaires stockées dans VLR.

NSS contient deux autres composants - ASC(Centre d'authentification - centre d'autorisation) et RIE(Registre d'identité des équipements - Registre d'identification des équipements). Le premier bloc est utilisé pour les procédures d'authentification des abonnés, et le second, comme son nom l'indique, est chargé de n'autoriser que les appareils autorisés à fonctionner sur le réseau. téléphones portables. Le fonctionnement de ces systèmes sera décrit en détail dans la section suivante sur l'enregistrement des abonnés dans le réseau.

L'exécutif, pour ainsi dire, une partie du réseau cellulaire est BSS(Base Station Subsystem - un sous-système de stations de base). Si nous continuons l'analogie avec corps humain, alors ce sous-système peut être appelé les membres du corps. BSS se compose de plusieurs "bras" et "jambes" - BSC(Base Station Controller - contrôleur de station de base), ainsi que de nombreux "doigts" - bts(Station de base de l'émetteur-récepteur - station de base). Les stations de base peuvent être observées partout - dans les villes, les champs (j'ai presque dit "et les rivières") - en fait, ce ne sont que des émetteurs-récepteurs contenant de un à seize émetteurs. Chaque BSC contrôle tout le groupe bts et est responsable de la gestion et de l'attribution des canaux, du niveau de puissance des stations de base, etc. Généralement BSC il n'y en a pas une dans le réseau, mais tout un ensemble (il y a des centaines de stations de base en général).

Le fonctionnement du réseau est géré et coordonné à l'aide de l'OSS (Operating and Support Subsystem - un sous-système de gestion et de support). L'OSS se compose de toutes sortes de services et de systèmes qui contrôlent le travail et le trafic - afin de ne pas surcharger le lecteur d'informations, le travail de l'OSS ne sera pas examiné ci-dessous.

Enregistrement en ligne.

Chaque fois que vous allumez votre téléphone après avoir sélectionné un réseau, la procédure d'enregistrement démarre. Considérons le cas le plus général - l'enregistrement non pas à la maison, mais dans le réseau dit invité de quelqu'un d'autre (nous supposerons que le service d'itinérance est autorisé pour l'abonné).

Laissez le réseau être trouvé. A la demande du réseau, le téléphone transmet IMSI abonné. IMSI commence par le code du pays d '"enregistrement" de son propriétaire, suivi de chiffres définissant le réseau domestique, et ensuite seulement - nombre unique abonné spécifique. Par exemple, commencez IMSI 25099… correspondant Opérateur russe Ligne droite. (250-Russie, 99 - Beeline). Par numéro IMSI VLR Réseau d'invités détecte un réseau domestique et s'y associe HLR. Ce dernier transmet toutes les informations nécessaires sur l'abonné à VLR, qui a fait la demande, et place un lien vers ce VLR de sorte que, si nécessaire, de savoir "où chercher" pour l'abonné.

Le processus de détermination de l'authenticité de l'abonné est très intéressant. Lors de l'inscription ASC réseau domestique génère un nombre aléatoire de 128 bits - RAND, envoyé au téléphone. À l'intérieur SIM avec une clé Ki(clé d'identification - identique à IMSI, il est contenu dans SIM) et l'algorithme d'identification A3, une réponse 32 bits est calculée - RSSE(Résultat signé) selon la formule SRES = Ki * RAND. Exactement les mêmes calculs sont effectués simultanément dans ASC(tel que sélectionné parmi HLR Ki utilisateur). Si RSSE, calculé dans le téléphone, coïncidera avec RSSE calculé ASC, le processus d'autorisation est considéré comme réussi et l'abonné est affecté TMSI(Temporary Mobile Subscriber Identity-numéro d'abonné mobile temporaire). TMSI sert uniquement à améliorer la sécurité de l'interaction de l'abonné avec le réseau et peut changer de temps à autre (y compris lors du changement VLR).

Théoriquement, lors de l'inscription, le numéro devrait également être transmis IMEI, mais j'ai de gros doutes sur ce que les opérateurs de Moscou suivent IMEI téléphones utilisés par les abonnés. Considérons un réseau "idéal", fonctionnant comme prévu par les créateurs du GSM. Ainsi, dès réception IMEI réseau, il est dirigé vers RIE, où il est comparé aux soi-disant "listes" de nombres. La liste blanche contient les numéros de téléphones autorisés, la liste noire se compose de IMEI, volés ou pour une autre raison non approuvés pour l'utilisation des téléphones, et enfin la liste grise - "combinés" avec des problèmes, dont le fonctionnement est résolu par le système, mais qui sont constamment surveillés.

Après la procédure d'identification et d'interaction de l'invité VLR avec la maison HLR un compteur de temps est lancé, qui fixe le moment du réenregistrement en l'absence de toute session de communication. Habituellement période inscription obligatoire est de plusieurs heures. Le réenregistrement est nécessaire pour que le réseau confirme que le téléphone est toujours dans sa zone de couverture. Le fait est qu'en mode veille, le «combiné» ne surveille que les signaux transmis par le réseau, mais n'émet rien lui-même - le processus de transmission ne commence que si une connexion est établie, ainsi que lors de mouvements importants par rapport au réseau (ceci sera discuté en détail ci-dessous) - dans de tels cas, la minuterie décomptant le temps jusqu'au prochain réenregistrement recommence. Par conséquent, si le téléphone "tombe" du réseau (par exemple, la batterie a été déconnectée ou le propriétaire de l'appareil est entré dans le métro sans éteindre le téléphone), le système ne le saura pas.

Tous les utilisateurs sont divisés au hasard en 10 classes d'accès égal (avec des nombres de 0 à 9). De plus, il existe plusieurs classes spéciales avec des numéros de 11 à 15 (toutes sortes d'urgences et services d'urgence, personnel du réseau). Les informations de classe d'accès sont stockées dans SIM. Un accès spécial de classe 10 vous permet de passer des appels d'urgence (au numéro 112) si l'utilisateur n'appartient à aucune classe autorisée ou n'a pas de IMSI (SIM). En cas d'urgence ou de congestion du réseau, certaines classes peuvent se voir temporairement refuser l'accès au réseau.

Découpage territorial du réseau et remettre.

Comme déjà mentionné, le réseau se compose de plusieurs bts- stations de base (une bts- une "cellule", cellule). Pour simplifier le fonctionnement du système et réduire le trafic de service, bts combinés en groupes - domaines appelés LA(Zone de localisation - zones de localisation). Chaque LA correspond à votre code LAI(Identité de la zone de localisation). Un VLR peut contrôler plusieurs LA. Et exactement LAI placé dans VLR pour définir l'emplacement de l'abonné mobile. Si nécessaire, dans le cas échéant LA(et non dans une cellule séparée, attention) l'abonné sera recherché. Lorsqu'un abonné passe d'une cellule à une autre dans le même LA réenregistrement et modification des enregistrements dans VLR/HLR n'est pas effectuée, mais il lui en coûte (l'abonné) d'entrer sur le territoire d'un autre LA comment le téléphone commencera à interagir avec le réseau. Chaque utilisateur a probablement dû entendre plus d'une fois des interférences périodiques (telles que grognement-grunt --- grognement-grunt --- grognement-grunt :-)) dans le système musical de sa voiture à partir d'un téléphone en mode veille - cela est souvent une conséquence de la réinscription en cours lors du franchissement des frontières LA. Lors du changement LA l'ancien indicatif régional est effacé de VLR et remplacé par un neuf LAI, si la prochaine LA contrôlé par un autre VLR, alors il y aura un changement VLR et mettre à jour l'entrée dans HLR.

D'une manière générale, le partitionnement du réseau en LA une tâche d'ingénierie plutôt difficile, qui est résolue lors de la construction de chaque réseau individuellement. Trop petit LA conduira à un réenregistrement fréquent des téléphones et, par conséquent, à une augmentation du trafic de divers types de signaux de service et à une décharge plus rapide des batteries des téléphones portables. Si faire LA grand, alors, s'il est nécessaire de se connecter avec l'abonné, un signal d'appel devra être donné à toutes les cellules incluses dans le LA, ce qui entraîne également une augmentation injustifiée de la transmission des informations de service et une surcharge des canaux internes du réseau.

Considérons maintenant un très bel algorithme du soi-disant remettre`ra (ce nom a été donné pour changer le canal utilisé lors du processus de connexion). Lors d'une conversation sur un téléphone mobile, pour diverses raisons (retrait du "combiné" de la station de base, interférence multi-trajets, déplacement de l'abonné dans la zone dite d'ombre, etc.), la puissance (et la qualité) du signal peut se détériorer. Dans ce cas, il passera au canal (peut-être un autre bts) Avec meilleure qualité signal sans interrompre la connexion en cours (j'ajouterai - ni l'abonné lui-même ni son interlocuteur, en règle générale, ne remarquent ce qui s'est passé remettre`a). Les transferts sont généralement divisés en quatre types :

• changer de canal au sein de la même station de base
• changer le canal d'une station de base pour le canal d'une autre station, mais sous le patronage de la même BSC.
• commutation de canal entre les stations de base contrôlées par différents BSC, mais un MSc
• commutation de canaux entre les stations de base, pour lesquelles non seulement différents BSC, mais aussi MSc.

En général, la réalisation remettre`a - tâche MSc. Mais dans les deux premiers cas, dits internes remettre`s, pour réduire la charge sur le commutateur et les lignes de service, le processus de changement de canal est contrôlé BSC, UN MSc seulement pour être informé de ce qui s'est passé.

Pendant un appel, le téléphone mobile surveille en permanence la force du signal des voisins bts(la liste des canaux (jusqu'à 16) qui doivent être surveillés est définie par la station de base. Sur la base de ces mesures, les six meilleurs candidats sont sélectionnés, des données sur lesquelles sont transmises en permanence (au moins une fois par seconde) BSC Et MSc pour organiser un éventuel basculement. Il existe deux schémas principaux remettre`a :

• "Mode de commutation le moins élevé" (Performances minimales acceptables). Dans ce cas, lorsque la qualité de la communication se dégrade, le téléphone mobile augmente la puissance de son émetteur tant que cela est possible. Si, malgré l'augmentation du niveau du signal, la connexion ne s'améliore pas (ou la puissance a atteint son maximum), alors remettre.
• "Mode économie d'énergie" (Budget de puissance). Dans ce cas, la puissance de l'émetteur téléphone mobile reste inchangé, et en cas de détérioration de la qualité, le canal de communication change ( remettre).

Fait intéressant, non seulement un téléphone mobile peut initier un changement de canal, mais aussi MSc, par exemple, pour une meilleure répartition du trafic.

Routage des appels.

Parlons maintenant de la façon dont les appels entrants sont acheminés sur un téléphone mobile. Comme précédemment, nous considérerons le cas le plus général lorsque l'abonné se trouve dans la zone de couverture du réseau invité, l'enregistrement a réussi et le téléphone est en mode veille.

Lorsqu'une demande de connexion (Figure 2) est reçue d'un système téléphonique filaire (ou autre système cellulaire) sur MSc réseau domestique (l'appel "trouve" le central souhaité par le numéro composé de l'abonné mobile MSISDN, qui contient le code du pays et du réseau).

Fig.2 Interaction des principaux blocs du réseau lors de l'arrivée d'un appel entrant.

MSc envoie à HLR nombre ( MSISDN) abonné. HLR, à son tour, fait une demande à VLR réseau invité dans lequel se trouve l'abonné. VLR sélectionne l'une des options disponibles MSRN(Mobile Station Roaming Number - le numéro de la station mobile « itinérante »). Idéologie de la destination MSRN très similaire à l'attribution dynamique d'adresses IP dans l'accès Internet commuté via un modem. HLR le réseau domestique reçoit de VLR attribuée à l'abonné MSRN et l'accompagnant IMSI utilisateur, transmet au commutateur de réseau domestique. La dernière étape de l'établissement d'une connexion est l'appel, suivi de IMSI Et MSRN, le commutateur réseau invité, qui génère un signal spécial transmis sur PAGCH(PAGer CHannel - canal d'appel) tout au long LA où se trouve l'abonné.

Le routage des appels sortants ne représente rien de nouveau et d'intéressant d'un point de vue idéologique. Voici quelques-uns des signaux de diagnostic (tableau 4) qui indiquent l'impossibilité d'établir une connexion et que l'utilisateur peut recevoir en réponse à une tentative de connexion.

Tableau 4. Principaux signaux de diagnostic pour une erreur de connexion.

Conclusion

Bien sûr, rien au monde n'est parfait. Les systèmes cellulaires GSM décrits ci-dessus ne font pas exception. Le nombre limité de canaux crée des problèmes dans les centres d'affaires des mégapoles (et récemment, marquées par la croissance rapide de la base d'abonnés, et à leur périphérie) - pour passer un appel, il faut souvent attendre que la charge du système diminue. Petit, selon les normes modernes, le taux de transfert de données (9600 bps) ne permet pas d'envoyer de gros fichiers, sans parler du matériel vidéo. Oui, et les possibilités d'itinérance ne sont pas si illimitées - l'Amérique et le Japon développent leurs propres systèmes de communication numérique sans fil, incompatibles avec le GSM.

Bien sûr, il est trop tôt pour dire que les jours du GSM sont comptés, mais il est impossible de ne pas remarquer l'apparition à l'horizon de la soi-disant 3G- des systèmes incarnant le début d'une nouvelle ère dans le développement de la téléphonie cellulaire et dépourvus des inconvénients ci-dessus. Comment je veux regarder quelques années à l'avance et voir quelles opportunités nous recevons tous des nouvelles technologies ! Cependant, l'attente n'est pas si longue - le début de l'exploitation commerciale du premier réseau de troisième génération est prévu pour début 2001 ... Mais quel sort attend les nouveaux systèmes - croissance explosive, comme le GSM, ou ruine et destruction, comme Iridium, le temps nous le dira ...