Cum funcționează rețelele GSM sau scurte noțiuni de bază ale comunicării. Cum funcționează și funcționează comunicația mobilă celulară
În partea teoretică, nu vom aprofunda în istoria creării comunicațiilor celulare, fondatorii acesteia, cronologia standardelor etc. Pentru cei interesați, există o mulțime de materiale atât în publicațiile tipărite, cât și pe internet.
Să ne uităm la ce este un telefon mobil (celular).
Figura arată principiul de funcționare într-un mod foarte simplificat:
Fig.1 Cum funcționează un telefon mobil
Un telefon mobil este un transceiver care funcționează la una dintre frecvențele din intervalul 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 1900 MHz. În plus, recepția și transmisia sunt separate prin frecvență.
Sistemul GSM este format din 3 componente principale, cum ar fi:
Subsistemul stației de bază (BSS – Base Station Subsystem);
Subsistem de comutare/comutare (NSS – NetworkSwitchingSubsystem);
Centru de operare și întreținere (OMC);
Pe scurt, funcționează astfel:
Un telefon celular (mobil) interacționează cu o rețea de stații de bază (BS). Turnurile BS sunt instalate de obicei fie pe catargele de sol, fie pe acoperișurile caselor sau ale altor structuri, fie pe turnurile existente închiriate de tot felul de repetitoare radio/TV etc., precum și pe coșurile înalte ale cazanelor și alte structuri industriale.
După ce pornește telefonul și în restul timpului, acesta monitorizează (ascultă, scanează) undele de emisie pentru prezența unui semnal GSM de la stația sa de bază. Telefonul își identifică semnalul de rețea folosind un identificator special. Dacă există unul (telefonul se află în zona de acoperire a rețelei), atunci telefonul selectează cea mai bună frecvență în ceea ce privește puterea semnalului și la această frecvență trimite o solicitare către BS pentru a se înregistra în rețea.
Procesul de înregistrare este în esență un proces de autentificare (autorizare). Esența sa constă în faptul că fiecare cartelă SIM introdusă în telefon are propriile identificatoare unice IMSI (International Mobile Subscriber Identity) și Ki (Key for Identification). Aceleași IMSI și Ki sunt introduse în baza de date a centrului de autentificare (AuC) atunci când cartelele SIM fabricate sunt primite de operatorul de telecomunicații. La înregistrarea unui telefon în rețea, identificatorii sunt transmisi către BS, și anume AuC. Apoi, AuC (centrul de identificare) transmite un număr aleator către telefon, care este cheia pentru a efectua calcule folosind un algoritm special. Acest calcul are loc simultan în telefonul mobil și AuC, după care se compară ambele rezultate. Dacă se potrivesc, atunci cartela SIM este recunoscută ca fiind originală și telefonul este înregistrat în rețea.
Pentru un telefon, identificatorul de pe rețea este numărul său unic IMEI (International Mobile Equipment Identity). Acest număr este format de obicei din 15 cifre în notație zecimală. De exemplu 35366300/758647/0. Primele opt cifre descriu modelul telefonului și originea acestuia. Restul sunt numărul de serie al telefonului și numărul de verificare.
Acest număr este stocat în memoria nevolatilă a telefonului. În modelele învechite, acest număr poate fi schimbat folosind un software special și un programator adecvat (uneori un cablu de date), iar în telefoanele moderne este duplicat. O copie a numărului este stocată într-o zonă de memorie care poate fi programată, iar un duplicat este stocat într-o zonă de memorie OTP (One Time Programming), care este programată o dată de producător și nu poate fi reprogramată.
Deci, chiar dacă schimbi numărul din prima zonă de memorie, atunci când telefonul este pornit, acesta compară datele din ambele zone de memorie, iar dacă sunt detectate numere IMEI diferite, telefonul este blocat. De ce să schimbi toate astea, te întrebi? De fapt, legislația majorității țărilor interzice acest lucru. Numărul IMEI al telefonului este urmărit online. În consecință, dacă un telefon este furat, acesta poate fi urmărit și confiscat. Iar dacă reușiți să schimbați acest număr cu orice alt număr (de serviciu), atunci șansele de a găsi telefonul sunt reduse la zero. Aceste probleme sunt tratate de serviciile de informații cu asistența corespunzătoare din partea operatorului de rețea etc. Prin urmare, nu voi aprofunda acest subiect. Suntem interesați de aspectul pur tehnic al schimbării numărului IMEI.
Faptul este că, în anumite circumstanțe, acest număr poate fi deteriorat ca urmare a unei defecțiuni software sau a unei actualizări incorecte, iar atunci telefonul este absolut nepotrivit pentru utilizare. Aici vin toate mijloacele pentru a restabili IMEI și funcționalitatea dispozitivului. Acest punct va fi discutat mai detaliat în secțiunea software de reparare a telefonului.
Acum, pe scurt despre transmisia vocală de la abonat la abonat în standardul GSM. De fapt, acesta este un proces foarte complex din punct de vedere tehnic, care este complet diferit de transmisia obișnuită de voce prin rețele analogice, cum ar fi, de exemplu, un telefon cu fir/radio de acasă. Radiotelefoanele digitale DECT sunt oarecum similare, dar implementarea este încă diferită.
Cert este că vocea abonatului suferă multe transformări înainte de a fi difuzată. Semnalul analogic este împărțit în segmente cu o durată de 20 ms, după care este convertit în digital, după care este codificat folosind algoritmi de criptare cu așa-numitul. cheie publică - sistem EFR (Enhanced Full Rate - un sistem avansat de codare a vorbirii dezvoltat de compania finlandeză Nokia).
Toate semnalele de codec sunt procesate de un algoritm foarte util bazat pe principiul DTX (Discontinuous Transmission) - transmisie intermitentă a vorbirii. Utilitatea sa constă în faptul că controlează emițătorul telefonului, pornindu-l doar când începe vorbirea și oprindu-l în timpul pauzelor dintre conversații. Toate acestea se realizează folosind VAD (Voice Activated Detector) inclus în codec – un detector de activitate a vorbirii.
Pentru abonatul receptor, toate transformările au loc în ordine inversă.
Oamenii au învățat de mult să comunice la distanță. În antichitate, un mesager era trimis cu știri, iar mai târziu s-au scris scrisori. Acum, pentru a spune câteva cuvinte unui prieten îndepărtat, poți pur și simplu să-l suni. Principalul lucru este să ai un telefon mobil cu tine. Dar cum se conectează între ele dacă nici măcar nu au fire? În această poveste vă voi spune cum funcționează telefonul.
Ce este?
Un telefon mobil seamănă mai mult cu un walkie-talkie decât cu un telefon obișnuit cu fir. Undele radio sunt folosite pentru a transmite semnalul.
Diferența este că walkie-talki-urile sunt conectate la aceeași antenă și se pot conecta doar prin preluarea unui semnal de la aceasta. Telefoanele mobile nu sunt blocate la o anumită stație. În timpul mișcării, acestea sunt conectate la antena de la care este primit cel mai puternic semnal, astfel încât putem folosi comunicațiile aproape în toată lumea fără a schimba cartela SIM. Antenele sau stațiile de bază sunt construite în toată lumea, ascunse în panouri publicitare, ceasuri, stâlpi și chiar copaci. Fiecare dintre ele este responsabil pentru propria sa zonă, care are forma unui hexagon. În diagrame, aceste teritorii care se învecinează unele cu altele seamănă cu un fagure de miere. De aici și numele - comunicare celulară.
Cine a fost primul?
Cine crezi că a fost primul care a vorbit la telefonul mobil? Desigur, acesta a fost un angajat al Motorola, care i-a eliberat. În 1973, pe când se afla pe una dintre străzile din New York, a sunat și s-a lăudat că și-a sunat principalul concurent de pe un telefon neobișnuit la acea vreme. Acest telefon a devenit prototipul primului telefon mobil care a ajuns pe rafturile magazinelor 10 ani mai târziu.
Pentru ca telefonul să funcționeze, trebuie să introduceți o cartelă SIM în el. Conține informații despre abonat, adică despre persoana care îl folosește. Telefonul mobil începe să verifice toate frecvențele disponibile pentru el, sunt aproximativ 160. Cele șase cele mai bune semnale sunt înregistrate pe cartela SIM, acestea sunt semnalele rețelei tale.
După ce formați numărul prietenului dvs., telefonul transmite informații despre dvs. către antena cu cel mai puternic semnal. Operatorul tău (de exemplu, MTS sau Beeline) te recunoaște, găsește un canal gratuit pe care să poată avea loc conversația și te conectează. Toate acestea durează doar câteva secunde.
Conversația în sine este un proces tehnic destul de complex. Vocea noastră este împărțită în segmente de 20 de milisecunde și convertită în format digital, apoi codificată de un sistem special. Semnalele criptate sunt procesate din nou pentru a elimina zgomotul străin.
Acum Telefon celular Nu e doar pentru a vorbi. Un dispozitiv mic poate găzdui mecanisme simple precum un ceas simplu, ceas cu alarmă, calculator, calendar, lanternă, precum și camere complexe, acces la internet, un player și multe altele.
Comunicarea între telefoanele mobile, sau telefoanele celulare, așa cum sunt numite și ele, se realizează nu folosind fire, ca într-un sistem telefonic convențional, ci prin unde radio. Pentru a apela un telefon mobil, trebuie să formați numărul ca de obicei. Astfel, mesajul radio ajunge la o stație de bază controlată de compania de telefonie celulară.
La o stație care deservește toate apelurile într-o anumită rază sau zonă, dispozitivul de control detectează un apel pe un canal radio deschis. În plus, trimite un semnal către centrala telefonică automată a rețelei celulare. Citind coduri speciale transmise de telefon,
Centrala telefonică automată monitorizează mișcarea vehiculului în zona primei stații. Dacă în timpul unui apel mașina trece de o zonă și ajunge în următoarea, apelul este transferat automat către stația de bază care operează în acea zonă. La apelarea unui telefon mobil, apelantul se conectează la o centrală telefonică mobilă automată, care localizează telefonul mobil, solicită un canal radio deschis de la controlerul de circuit și comunică - prin stația de bază - cu numărul dorit. Apoi sună telefonul mobil. Când șoferul ridică telefonul, circuitul este finalizat.
Funcționarea stației de bază
Fiecare stație de bază primește semnale emise pe o rază de trei până la șase mile. Pentru a evita zgomotul, stațiile de bază cu granițe coincidente trebuie să funcționeze pe canale de frecvență diferite. Dar chiar și în cadrul aceluiași oraș, stațiile destul de îndepărtate una de cealaltă pot funcționa cu ușurință pe același canal.
Sistemul de telefonie locală, care deservește atât locuințe, cât și afaceri, se bazează pe fire care circulă sub pământ și deasupra pământului și sunt conectate la o centrală automată.
Locație și canal
Centrala telefonică automată detectează locația vehiculului în mișcare în timp ce controlerul de circuit direcționează apelul către canalul de comunicație.
Zona de apeluri
Când vehiculul se deplasează în afara razei de acțiune a celei mai îndepărtate stații de bază, șoferul nu mai poate utiliza comunicațiile celulare. Dacă se face un apel în drum spre marginea zonei, semnalul devine din ce în ce mai slab și în cele din urmă dispare complet.
Pe drum de la stație la gară
Pe toată durata unui apel mobil, o centrală telefonică automată pentru comunicații celulare înregistrează locația unei mașini în mișcare pe baza puterii semnalelor radio emanate de la aceasta. Când semnalul devine prea slab, centrala telefonică automată alertează stația de bază, care la rândul său transferă apelul către o stație din apropiere pentru service.
Îți sună telefonul imediat ce te așezi la cină? Să-i fie rușine lui Alex Bell! La urma urmei, el, Alexander Graham Bell, a fost cel care a brevetat telefonul în 1876, depășind mulți inventatori. Principiul de bază al telefonului nu s-a schimbat niciodată: toți inventatorii au fost de acord că sunetul poate fi convertit în semnale electrice, trimis prin fire și transformat înapoi în sunet într-un alt telefon din alt oraș (sau chiar pe alt continent). Telefon este un nume foarte potrivit pentru acest dispozitiv, provenind din două cuvinte grecești care înseamnă „sunet la distanță”.
Cum funcționează telefonul? Telefonul este conectat la o priză electrică dedicată. Un curent electric cu caracteristici speciale circulă de la compania de telefonie prin fire pe stâlpi sau subteran până la casa ta.
Când ridici telefonul ca să-ți suni bunica, se creează un curent electric în fire. Un dispozitiv special de la centrala telefonică, după ce a înregistrat acest curent, trimite înapoi un ton de apel, anunțându-vă că centrala este gata să proceseze apelul dumneavoastră.
De exemplu, numărul bunicii tale este 555-24-68. Formezi 5. Dacă ai un cadran de puls vechi, când răsuci cu degetul cadranul telefonului și îl eliberezi, vei auzi cinci clicuri, întrerupând curentul electric, iar la centrala telefonică un aparat special va număra clicurile. Dacă aveți apelare prin ton, atunci dialer-ul va trimite un semnal către stație, pentru fiecare cifră și, prin urmare, echipamentul de comutare va distinge 5 de 2.
Când formați întregul număr, dispozitivul de comutare va verifica dacă bunica dvs. este în prezent la telefon. Dacă ea vorbește deja, dispozitivul vă va da un semnal de ocupat; dacă nu, comutatorul îi va face telefonul să sune. Când bunica ta ridică telefonul, un curent va curge în telefonul ei și centrala va primi un semnal pentru a opri apelul. Și acum voi doi sunteți în legătură.
În partea de jos a oricărui receptor de telefon se află un bol umplut cu pudră de cărbune.
Când bunica ta ridică telefonul, un curent electric curge în pulbere. Un disc subțire de metal intră în contact cu acest cărbune. Când bunica vorbește, undele sonore fac discul să vibreze. Discul vibrant comprimă particule minuscule de cărbune, modificând astfel fluxul de curent electric prin el. Vocea bunicii tale este alcătuită din sunete individuale care produc schimbări unice în curent electric. Ca rezultat, undele sonore sunt transformate în unde electrice. Undele electrice care transportă aceste sunete se deplasează de-a lungul firelor către centrala telefonică. Aici, acest curent este redirecționat către firele care duc la casa ta - totul în câteva secunde - și intră în electromagnetul bobinei din telefon. Modificările curentului electric determină electromagnetul să emită un câmp magnetic oscilant care atrage și respinge continuu un disc de metal atașat la un electromagnet permanent minuscul din interiorul carcasei receptorului. Discul metalic în mișcare creează unde sonore care duc vocea bunicii direct în urechea ta. Și apoi auzi propria ta voce: „Bună, iubito!”
Telefonul mobil este o parte integrantă a unei societăți moderne, avansate din punct de vedere tehnologic. În ciuda caracterului comun și simplității aparente a acestui dispozitiv, foarte puțini oameni știu cum funcționează un telefon mobil.
Dispozitiv de telefon mobil
Tehnologiile moderne și progresul în continuă mișcare fac posibilă crearea de telefoane cu un număr mare de funcții și capacități. Cu fiecare model nou, telefoanele devin mai subțiri, mai frumoase și mai accesibile. În ciuda varietății uriașe de modele și producători, toate aceste dispozitive sunt proiectate după același principiu.
În esență, un telefon mobil este un dispozitiv de recepție și transmisie care are în corpul său un receptor, un transmițător și o antenă radio. Receptorul primește un semnal radio, îl transformă în impulsuri electrice și îl trimite la difuzorul telefonului tău sub formă de unde electrice. Difuzorul transformă aceste impulsuri electrice în sunetul pe care îl auzim când vorbim cu cealaltă persoană.
Microfonul vă preia vorbirea, o convertește în semnale electrice și o trimite la transmițătorul încorporat. Sarcina emițătorului este să transforme impulsurile electrice în unde radio și să le transmită la cea mai apropiată stație printr-o antenă. Antena servește la îmbunătățirea recepției și transmiterii undelor radio de la telefon la cea mai apropiată stație celulară.
Cum funcționează un telefon fix?
Designul unui telefon fix nu este foarte diferit de cel al unui telefon mobil. Într-un telefon fix, nu este nevoie să convertiți impulsurile electrice în unde radio, deoarece contactul cu abonatul are loc printr-un cablu telefonic printr-o centrală telefonică automată (ATS). Stația nu trebuie să caute un dispozitiv în aria sa de acoperire, iar atunci când formați un număr, vă conectează automat la telefonul la care este înregistrat acest număr.
Cum funcționează comunicația mobilă?
Fiecare dintre noi are ocazia de a observa vizual un număr mare de turnuri de radio situate în diferite părți ale orașului. Aceste turnuri, de regulă, sunt instalate pe cele mai înalte locuri posibile, pe acoperișurile clădirilor înalte, pe structuri de alte comunicații sau pe propriile turnuri staționare. Aceste turnuri radio sunt numite stații de bază (BS). Este posibil să observați că în orașe astfel de stații sunt instalate mult mai des decât în zonele interurbane. Acest lucru se datorează faptului că în mediile urbane există o mulțime de interferențe naturale sub formă de clădiri din beton și diferite structuri metalice, care degradează semnificativ calitatea semnalului. În același timp, un număr mai mare de abonați este concentrat în orașe, ceea ce creează o sarcină mare a rețelei celulare și pentru a menține o bună calitate a comunicațiilor este necesară o acoperire sporită.
Telefonul dumneavoastră are propria sa identificare sub forma numărului de telefon mobil al cartelei SIM. Când este pornit, telefonul mobil scanează în mod constant zona în căutarea unei rețele și selectează automat stația de bază care oferă cea mai bună calitate a semnalului. În același timp, informează stația despre locația și starea acesteia, astfel, computerul central al operatorului de telefonie mobilă știe întotdeauna în ce stație de bază se află telefonul în acoperire și dacă este gata să primească un semnal de apel. De îndată ce o altă persoană vă sună numărul, computerul vă detectează locația și trimite un semnal de apel către telefon. Dacă telefonul este oprit sau nu se află în raza de acțiune a celei mai apropiate stații de bază, atunci computerul vă spune că abonatul nu este acoperit și nu poate primi un apel.
