Как работает телефонная связь

Как устроена и работает мобильная сотовая связь

Вряд ли возможно сегодня найти человека, который бы никогда не пользовался сотовым телефоном. Но каждый ли понимает, как работает сотовая связь? Как устроено и работает то, к чему мы все давно привыкли? Передаются ли сигналы от базовых станций про проводам или все это действует как-то иначе? А может быть вся сотовая связь функционирует лишь за счет радиоволн? На эти и другие вопросы попробуем дать ответ в нашей статье, оставив описание стандарта GSM за ее рамками.

В момент, когда человек пытается совершить вызов со своего мобильного телефона, или когда начинают звонить ему, телефон посредством радиоволн подключается к одной из базовых станций (наиболее доступной), к одной из ее антенн. Базовые станции можно наблюдать то там, то тут, взглянув на дома наших городов, на крыши и на фасады промышленных зданий, на высотки, наконец на специально возведенные для станций мачты красно-белого цвета (особенно вдоль автострад).

Станции эти выглядят как прямоугольные коробки серого цвета, из которых в разные стороны торчат разнообразные антенны (обычно до 12 антенн). Антенны здесь работают как на прием, так и на передачу, и принадлежат они оператору сотовой связи. Антенны базовой станции направлены во всевозможные стороны (сектора), чтобы обеспечить «покрытие сетью» абонентам со всех сторон на расстоянии до 35 километров.

Антенна одного сектора в состоянии обслуживать одновременно до 72 звонков, и если антенн 12, то представьте себе: 864 звонка способна в принципе обслужить одна крупная базовая станция одновременно! Хотя обычно ограничиваются 432 каналами (72*6). Каждая антенна соединена кабелем с управляющим блоком базовой станции. А уже блоки нескольких базовых станций (каждая станция обслуживает свою часть территории) присоединяются к контроллеру. К одному контроллеру присоединяется до 15 базовых станций.

Базовая станция в принципе способна функционировать на трех диапазонах: сигнал 900 МГц лучше проникает внутрь зданий и сооружений, распространяется дальше, поэтому именно данный диапазон часто используют в деревнях и на полях; сигнал на частоте 1800 МГц распространяется не так далеко, но на одном секторе устанавливают больше передатчиков, поэтому в городах ставят чаще именно такие станции; наконец 2100 МГц — это сеть 3G.

Контроллеров, конечно, в населенном пункте или районе, может быть несколько, поэтому контроллеры, в свою очередь, присоединяются кабелями к коммутатору. Задача коммутатора — связать сети операторов мобильной связи друг с другом и с городскими линиями обычной телефонной связи, междугородной связи и международной связи. Если сеть небольшая, то достаточно одного коммутатора, если крупная — используются два и более коммутаторов. Коммутаторы объединяются между собой проводами.

В процессе перемещения человека, разговаривающего по мобильнику, по улице, например: идет он пешком, едет в общественном транспорте, или передвигается на личном авто, – его телефон не должен ни на мгновение потерять сеть, нельзя оборвать разговор.

Непрерывность связи получается благодаря способности сети базовых станций очень оперативно переключать абонента с одной антенны на другую в процессе его перемещения от зоны действия одной антенны — в зону действия другой (от соты к соте). Абонент сам не замечает, как перестает быть связан с одной базовой станцией, и подключен уже к другой, как переключается от антенны — к антенне, от станции — к станции, от контроллера — к контроллеру…

При этом коммутатор обеспечивает оптимальное распределение нагрузки по многоуровневой схеме сети, чтобы снизить вероятность выхода оборудования из строя. Многоуровневая сеть строится так: сотовый телефон — базовая станция — контроллер — коммутатор.

Допустим, мы совершаем вызов, и вот сигнал уже добрался до коммутатора. Коммутатор передает наш звонок в сторону абонента назначения — в городскую сеть, в сеть международной или междугородней связи, либо на сеть другого мобильного оператора. Все это происходит очень быстро с использованием высокоскоростных оптоволоконных кабельных каналов.

Далее наш звонок поступает на коммутатор, что расположен на стороне принимающего звонок (вызываемого нами) абонента. В «приемном» коммутаторе уже есть данные о том, где находится вызываемый абонент, в какой зоне действия сети: какой контроллер, какая базовая станция. И вот, с базовой станции начинается опрос сети, находится адресат, и на его телефон «поступает вызов».

Вся цепочка описанных событий, с момента набора номера до момента раздавшегося на принимающей стороне звонка, длится обычно не более 3 секунд. Так мы можем сегодня звонить в любую точку мира.

Как работает стационарный телефон

Телефон прост – как все гениальное!

Опубликовано 11.12.2013 // 0 Комментарии

Хотя большинство из нас считают стационарный телефон само собой разумеющимся, телефон в вашем доме — одно из самых удивительных устройств, когда-либо созданных. Если вы хотите поговорить с кем-нибудь, все, что вам нужно сделать, это поднять трубку телефона и набрать несколько цифр. Вы в любой момент обратитесь к этому человеку и пообщаетесь с ним.

Телефонная сеть распространяется по всему миру, так что вы можете дозвониться почти к каждому на планете. Если вспомнить, что всего 100 лет назад и даже менее, посылка письменного сообщения кому-либо могла занимать несколько недель…

Удивительно, но телефон это одно из самых простых устройств в вашем доме. Принципы телефонной связи не изменялись почти столетие. Если у вас есть старинный телефон, сохранившийся с 1930-х годов, можно подключить его к вашей телефонной розетке, и он будет работать нормально!

Внутренности телефона

Простейший телефон состоит из трех частей:

1. Переключатель, подключающий и отключающий телефон от сети. Этот переключатель обычно называют рычажным переключателем. Он подключает телефон к сети, когда вы поднимаете трубку.

2. Динамик. Это, самый обычный динамик размером с 50 копеечную монету и сопротивлением 8 Ом.

3. Микрофон. В прошлом, телефонные микрофоны были крайне просты и состояли из гранул активированного угля, зажатого между двух тонких металлических пластин. Звуковые волны от вашего голоса сжимали и разжимали гранулы, меняя их сопротивление и регулировали ток, протекающий через микрофон.

И он будет работать! Вы можете набрать номер на этом телефоне, быстро нажимая на рычажный переключатель — все телефонные коммутаторы по-прежнему распознают «импульсный набор номера». Если вы поднимете трубку и быстро простучите по переключателю четыре раза, коммутатор телефонной компании поймет, что вы набрали «4».

Единственная проблема с таким телефоном, что во время разговора вы будете слышать свой голос через динамик.

Провода и кабели

Телефонная сеть начинается в вашем доме. Пара медных проводов бежит от вашего телефона до толстого кабеля, содержащего множество таких медных пар. В зависимости от того, где вы находитесь, этот толстый кабель будет входить непосредственно в коммутатор телефонной станции в вашем районе, или будет подключен в коробку размером, примерно, с холодильник, которая выступает в качестве цифрового концентратора.

Оцифровка и доставка голоса

Концентратор оцифровывает ваш голос с дискретизацией 8000 раз в секунду и 8-битным разрешением. Затем он собирает в себе ваш голос и десятки других, и отправляет их все в один провод (обычно коаксиальный кабель или волоконно-оптический кабель) ведущий к телефонной станции. Так или иначе, ваша линия соединяется с линейным разъединителем, и вы можете услышать длинный гудок, поднимая трубку.

Если вы вызываете кого-то, связанного с той же самой станцией, то переключатель просто создает замкнутую цепь между вашим телефоном и телефоном человека, которого вы набрали. Если это междугородний звонок, то ваш голос оцифровывается и объединяется с миллионами других голосов. Ваш голос, обычно, идет по волоконно-оптической линии в телефонную станцию принимающей стороны, но он может также быть передан спутником или вышками связи.

Создание собственной телефонной сети

Не только телефон простое устройство. Связь между вами и телефонной станцией еще проще. В самом деле, вы можете легко создать свою собственною телефонную сеть с использованием двух телефонов, 9-вольтового аккумулятора и резистора на 300 Ом, который можно купить на радиорынке. Вы можете собрать все это оборудование следующим образом: один провод соединяет оба телефона напрямую, а ко второму проводу, соединяющему телефоны, последовательно подключены источник питания и резистор. Если оба человека одновременно возьмут телефонные трубки, то они смогут нормально разговаривать друг с другом на расстоянии нескольких километров.

Единственное, что ваш маленький домофон не сможет сделать — это позвонить на другой телефон, чтобы попросить человека на другом конце провода взять трубку. Для сигнала звонка подается 90 вольт переменного тока частотой 20 герц.

Подключение к телефонной станции состоит из двух медных проводов. По одному из них передается от 6 до 12 вольт постоянного тока, примерно 30 мА. Микрофон модулирует звуковые волны, динамик на другом конце воспроизводит этот модулированный сигнал. Вот и все.

Если вернуться к временам ручного коммутатора, то легко понять, как работала когда-то большая телефонная сеть. В те дни было множество пар медных проводов, идущих от каждого дома к телефонной станции в центре города. Оператор коммутатора сидела перед большим щитом с одним гнездом для каждого абонента. Над каждым разъемом была небольшая лампочка. Большой аккумулятор был подключен через резистор для каждой проводной пары. Когда кто-то поднимал трубку на своем телефоне, рычажный переключатель замыкал цепь и пускал ток по проводам между домом и телефонной станцией. Это зажигало свет лампочки над этим разъемом на распределительном щите. Оператор соединял свою гарнитуру с этим разъемом и спрашивал, с кем этот человек хотел бы поговорить. Затем оператор отправлял сигнал звонка получающей стороне и ждал, чтобы там кто-то взял трубку. После того, как трубка поднималась, оператор соединял двух людей вместе, точно так же, как простая интерком-связь. Это очень просто!

Тональный набор

В телефонах современной системы, операторы были заменены на электронный переключатель. Когда вы поднимаете трубку, переключатель чувствует замыкание цепи и играет звук длинного гудка. Таким образом, вы знаете, что переключатель и ваш телефон работают. Звук длинного гудка — это сочетание 350 Герц тона и 440 Герц тона. Набор цифр номера также сопровождается звуками различной тональности. Если номер занят, вы слышите прерывистый сигнал «занято», который составлен из 480 Герц и 620 Герц тона.

Ширина полосы пропускания

В целях обеспечения более дальних звонков, передаваемые частоты ограничены полосой пропускания около 3000 Герц. Все частоты в вашем голосе ниже 400 Герц и выше 3400 Герц исключаются. От этого голос по междугородному телефону имеет характерное звучание.

Поэтому лучше не устраивать музыкальные перформансы по телефону, чтобы не стать героем анекдота:

Встречаются Петька и Василий Иванович. Василий Иванович говорит: «Что только люди находят в этих Битлз?! Они же поют монотонно!» Петька спрашивает: «Василий Иванович, да где же ты Битлов то слушал?!» Василий Иванович: «Как где? Мне вчера Фурманов пару их вещей напел по телефону…»

Как работает мобильная связь: ликбез

Мобильным телефоном пользуется порядка 90% всех живущих в России граждан. Но мало кто из них задумывался – как же все это работает? Правда ли, что сотовая связь работает на самом деле по проводам? Наш корреспондент нашел ответы на эти и некоторые другие вопросы.

Немного грустно, что подавляющее большинство людей на вопрос: «Как работает сотовая связь?», отвечают «по воздуху» или вообще – «не знаю».

В продолжение этой темы, у меня вышел один забавный разговор с другом на тему работы мобильной связи. Случилось это аккурат за пару дней до отмечаемого всеми связистами и телекомщиками праздника «Дня радио». Так уж сложилось, что в силу своей ярой жизненной позиции, мой друг считал, что мобильная связь работает вообще без проводов через спутник. Исключительно за счет радиоволн. Сначала у меня не получалось переубедить его. Но после непродолжительной беседы все встало на свои места.

После этой дружеской «лекции» появилась идея написать простым языком о том, как работает сотовая связь. Все как есть.

Когда вы набираете номер и начинаете звонить, ну, или вам кто-нибудь звонит, то ваш мобильный телефон по радиоканалу связывается с одной из антенн ближайшей базовой станции. Где же находятся эти базовые станции, спросите вы?

Обратите внимание на промышленные здания, городские высотки и специальные вышки. На них и располагаются большие серые прямоугольные блоки с торчащими антеннами разных форм. Но антенны эти не телевизионные и не спутниковые, а приемо-передающие операторов сотовой связи. Они направлены в разные стороны, чтобы обеспечить связью абонентов со всех сторон. Ведь мы же не знаем, откуда будет поступать сигнал и куда занесет «горе-абонента» с телефонной трубкой? На профессиональном жаргоне антенны также называют «секторами». Как правило, они устанавливаются от одной до двенадцати.

От антенны сигнал по кабелю передается непосредственно в управляющий блок станции. Вместе они и образуют базовую станцию [антенны и управляющий блок]. Несколько базовых станций, чьи антенны обслуживают отдельную территорию, например, район города или небольшой населенный пункт, подсоединены к специальному блоку – контроллеру. К одному контроллеру обычно подключается до 15 базовых станций.

В свою очередь, контроллеры, которых также может быть несколько, кабелями подключены к «мозговому центру» – коммутатору. Коммутатор обеспечивает выход и вход сигналов на городские телефонные линии, на других операторов сотовой связи, а также операторов междугородней и международной связи.

В небольших сетях используется только один коммутатор, в более крупных, обслуживающих сразу более миллиона абонентов, могут использоваться два, три и более коммутаторов, объединенных между собой опять-таки проводами.

Зачем же такая сложность? Спросят читатели. Казалось бы, можно антенны просто подключить к коммутатору и все будет работать. А тут базовые станции, коммутаторы, куча кабелей… Но, не все так просто.

Когда человек передвигается по улице пешком или идет на автомобиле, поезде и т.д. и при этом еще и разговаривает по телефону, важно обеспечить непрерывность связи. Связисты процесс эстафетной передачи обслуживания в мобильных сетях называют термином «handover». Необходимо вовремя переключать телефон абонента из одной базовой станции на другую, от одного контроллера к другому и так далее.

Если бы базовые станции были напрямую подключены к коммутатору, то всеми этими переключениями пришлось бы управлять коммутатору. А ему «бедному» и так есть, чем заняться. Многоуровневая схема сети дает возможность равномерно распределить нагрузку на технические средства. Это снижает вероятность отказа оборудования и, как следствие, потери связи. Ведь все мы заинтересованы в бесперебойной связи, не так ли?

Итак, достигнув коммутатора, наш звонок переводится далее – на сеть другого оператора мобильной, городской междугородной и международной связи. Конечно же, это происходит по высокоскоростным кабельным каналам связи. Звонок поступает на коммутатор другого оператора. При этом последний «знает», на какой территории [в области действия, какого контроллера] сейчас находится нужный абонент. Коммутатор передает телефонный вызов конкретному контроллеру, в котором содержится информация, в зоне действия какой базовой станции находится адресат звонка. Контроллер посылает сигнал этой единственной базовой станции, а она в свою очередь «опрашивает», то есть вызывает мобильный телефон. Трубка начинает причудливо звонить.

Весь этот длинный и сложный процесс в реальности занимает 2-3 секунды!

Точно также происходят телефонные звонки в разные города России, Европы и мира. Для связи коммутаторов различных операторов связи используются высокоскоростные оптоволоконные каналы связи. Благодаря им сотни тысяч километров телефонный сигнал преодолевает за считанные секунды.

Спасибо великому Александру Попову за то, что он дал миру радио! Если бы не он, возможно, мы бы сейчас были лишены многих благ цивилизации.

Как работает сотовая связь.

Что такое сотовая связь?
Сотовая связь — разновидность радиосвязи, а значит есть устройство, отправляющее сигнал (например, ваш мобильный) и устройство, принимающее его (например, мобильный вашего друга). Между ними находятся базовые станции, которые ретранслируют сигнал. Чтобы вы могли сохранять непрерывную связь на больших расстояниях, без помех и двигаясь в пространстве, этих станций много. Они размещены так, чтобы их «круги охвата» краями накладывались друг на друга.
Что такое базовая станция?
Этот загадочный объект каждый видел, и неоднократно. Да, те самые сотовые вышки, которые стоят в поле. В крупных городах базовые станции обычно «прячут» на крышах домов. Одна такая станция может обслужить до 432 звонков одновременно.

Почему связь «сотовая»?
Если посмотреть сверху на схему сети базовых станций, то их пересекающиеся краями круги покрытия словно составляют пчелиные соты.
Что показывает значок сети?
Даже когда мы не совершаем звонков, телефон постоянно поддерживает сигнал с базовыми станциями. Принцип связи бывает нескольких разных видов, но суть в том, что поймав сигнал, испускаемый станцией, телефон в ответ отправляет свой идентификационный код, уникальный для каждого. Если обмен проходит штатно, у нас «есть сеть», если нет, связь прерывается.
Что происходит после того, как вы набрали чей-то номер телефона?

Первым делом ваш телефон связывается с базовой станцией. Он посылает ей сигнал, которым просит выделить канал для разговора.
Если сигнал принят, то дальше он обрабатывается контроллером базовой станции (BSC). Он управляет освобождением и сменой разговорных каналов. А от BSC сигнал идет на коммутатор.
Если вы представили себе девушек, вручную перетыкающих штекеры соединений, то развидьте. Коммутатор автоматически ищет другой коммутатор, максимально близко расположенный к адресату вашего звонка. Для начала он проверяет, вашего адресата: он из вашей сотовой сети, или абонент другого оператора? Если операторы разные, ваш коммутатор радостно «сваливает работу» на такой же коммутатор этого самого оператора.
Свой или чужой, главное что в итоге ближайший ко второму абоненту коммутатор передает на контроллер сигнала. А этот BSC через самую ближнюю к адресату звонка базовую станцию выделяет голосовой канал для ответа, и ваш друг слышит, что вы ему звоните.

Почему иногда внезапно пропадает связь?
Если телефон исправен, то это как правило либо разрыв в покрытии базовых станций, либо их перегрузка.
Разрыв случается там, где не достает мощности сигнала. Например, в подземном переходе. А еще из-за классического «гладко было на бумаге, да забыли про овраги». Покрытие базовой станции образует круг при условии ровного плоского рельефа. Гора, впадина, балка — и края «сот» разомкнулись, получилась «дырка».
Перегрузка возникает из-за того, что каждая базовая станция обеспечивает ограниченное число каналов связи. Если вы на многотысячном концерте, а местная станция может «поднять» несколько сотен звонков, то будьте уверены: связаться ни с кем нормально не получится.

Как работает сотовая связь

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СОТОВОЙ СВЯЗИ

На большей части территории нашей страны размещается оборудование для сотовой связи, называется оно базовые станции. Их хорошо заметно на открытых площадях – в полях, между населенными пунктами. В городской черте их часто размещают на крышах зданий. Базовая станция способна уловить сигнал от смартфона на расстоянии до тридцати пяти километров, контакт между вышками осуществляется посредством специального служебного или голосового сигнала.

Активное развитие мобильной связи породило проблему, заключающуюся в ограничении частоты, а именно, рабочие каналы, расположенные близко, начали перекликаться, создавая помехи. Много лет наза была предложена идея, по которой определенный участок обслуживания оператором сотовой связи необходимо разбить на ячейки. Каждая ячейка обслуживается специальным передатчиком, предполагающим фиксированный частотный диапазон и радиус действия. Такая система исключает помехи при использовании той же частоты, но уже в другой соте. Чтобы разделить определенную площадь на равные участки наиболее оптимальной является фигура с шестью углами, напоминающая пчелиную соту, так как установленная в центе соты антенна с круговой диаграммой будет обеспечивать свободный устойчивый доступ ко всем точкам ячейки. У всех сот есть собственная полоса частот и обслуживающая базовая станция. Ячейки смежного расположения не используют одинаковые частоты, тем самым исключая перекрестные помехи и интерференции, и наоборот, соты, располагающиеся далеко друг от друга могут использовать идентичные частоты.

КАК РАБОТАЮТ БАЗОВЫЕ СТАНЦИИ

Когда смартфон пребывает в режиме ожидания, его приёмный механизм сканирует каналы системы. Если пользователь собираясь совершить звонок набирает номер аппарат автоматически находит станцию, которая располагается к нему ближе и посылает запрос о выделении голосового канала. Те базовые станции, которые принимают ответный сигнал, перенаправляют его данные в центр коммутации, где происходит переключение разговора на ближайшую станцию к вызываемому абоненту с более высоким уровнем сигнала. В центре коммутации, также, определяют, какой оператор мобильной связи используется вызываемым абонентом.

В том случае, если звонок осуществляется между абонентами внутри одной сети, то в центре коммутации сразу происходит идентификация месторасположения вызываемого абонента, причем, неважно где находится человек: дома, в транспорте или в командировке в другой стране. Физическое месторасположение абонента ни коим образом не помешает соединению и осуществлению звонка. Если в центр коммутации поступает информация о том, что вызываемый абонент использует оператора другой связи, тогда запрос будет отправлен в центр коммутации другой сети. В общем-то, выходит, что система довольно проста, и как работает сотовая связь понятно. Интересным остается вопрос, как же выглядит устройство базовой станции: и здесь все просто – это всего лишь несколько металлических тумб, располагающихся на крышах зданий и для бесперебойной их работы достаточно качественной вентиляции.

ПРОБЛЕМЫ УСТОЙЧИВОСТИ СВЯЗИ

Понятно, что в момент набора номера аппарат занимает незанятый канал с максимально возможным уровнем сигнала. Но, если в процессе разговора абонент начинает удаляться от базовой станции или условия расширения радиоволн ухудшатся – все это неблагоприятным образом скажется на связи и ее качестве. Логично, что ее улучшение происходит после переключения абонентов на другие, более устойчивые, каналы связи.

Каждая базовая станция имеет антенну, состоящую из нескольких элементов, так называемых секторов, отвечающих за «свою» площадь. Вертикальная составляющая антенны ответственна за связь с мобильными аппаратами, круглая – с контроллером. С учетом того, что одна станция чаще всего состоит из 6-ти секторов, и каждый из них способен принять минимум 70 звонков, после нехитрых вычислений выходит, что обслужить более 400 абонентов одновременно для нее не проблема. Такой производительности, зачастую, вполне достаточно. Но, случаются и внештатные ситуации, когда все абоненты всех операторов мобильной связи начинают звонить, например, на большие праздники (Новый Год), и базовые станции просто не справляются – начинаются перебои и помехи. Тем не менее для средней загрузки шести секторов более чем достаточно.

Следует отметить, что в зависимости от площади населенного пункта и плотности населения операторы мобильной связи устанавливают базовые станции с разным диапазоном частот:
• 900 МГц. Установка такой станции более целесообразна в небольших городках, поселках городского типа и т.д. В данном режиме базовая станция охватывает площадь радиусом порядка 35 км, или даже 70 км если на данный момент она обслуживает малое количество мобильных устройств.
• 1 800 МГц. Оптимальный вариант для больших городов, когда необходимо проникнуть сквозь толщину бетонной стены, однако, даже при таком диапазоне частот в городской черте базовых станций понадобится намного больше, чем в малонаселенных пунктах.
• 2 100 МГц. Это связь нового, более современного поколения 3G.

Одна базовая станция способна поддерживать сразу все возможные частотные диапазоны. Основная задача базовых станций заключается в том, чтобы покрыть максимальную площадь земли и обеспечить большое количество абонентов качественной связью. То есть улавливать сигналы на таких же расстояниях, но не на земле, а в воздушном пространстве базовые станции не могут.