Informatika | Távközlés » Moró Balázs - Mobiltelefon hálózatok

Mobiltelefon hálózatok Moró Balázs MOBJAAT.SZE h155355 Mobiltelefonok, működésük Napjainkban bármerre nézünk, mindenhol csak mobiltelefon hirdetéseket, vagy éppen az azokat használó embereket látunk. De tudjuk-e, hogy miként működnek ezek az eszközök? Hogy jut el a beszéd a beszélgetőpartnerünkhöz, hogy találja meg a hálózat a telefonunkat az erdő közepén, hogyan azonosítanak minket egy kis kártya alapján? A legelső dolog, amit tisztázni kell, hogy tulajdonképpen a mobiltelefon egy rádió. Igaz, hogy sokkal bonyolultabb, mint amit minden nap hallgatunk, de ennek az alapjaira épül. A 90-es években még csak a tervez őasztalon léteztek a mai technológiák, de már akkoriban is lehetett az utcáról mozgás közben telefonálni. Akkoriban még nagyon kevés csatorna állt rendelkezésre a táska méretű analóg telefonok tulajdonosai számára, hogy beszélgethessenek. De a kevés csatorna nem jelentett problémát a használóknak, ugyanis

nagyon kevés embernek volt ilyen telefonja. Az egyik legfontosabb része a GSM rendszernek, hogy egy kisebb területen belül is újra lehet használni az adott csatornákat, és így sokkal több előfizetőt lehet kiszolgálni. Ezt úgynevezett cellákkal valósították meg Minden ilyen cella egy kis részt fed le a városból (a cella méretei, és alakja az alkalmazott antennáktól függ), és bizonyos távolságok után újra lehet használni az adott frekvenciákat. Általában a legtávolabbi pontjai a cellának a bázisállomástól (a hatszög középső pontja) 1-1.5 kilométerre vannak, és az adóteljesítmény a távolság négyzetével arányosan csökken Minden cellában helyet kap egy bázisállomás, és egy adóantenna (ezen keresztül kommunikálnak a mobilok a bázisállomással). Minden mobiltelefonban van egy adó egység, amellyel a kapcsolatot tartja az adott bázisállomással. Ez az adó egység általában két fajta teljesítményre képes: 2W (1800

MHz), és 1W (900 MHz). Ezek alacsony teljesítményű adók, csakúgy mint a bázisállomás antennái, és két nagy előnyük van: a bázisállomástól csak 1-1.5 kilométerre jut el a jel, így újra lehet használni az adott frekvenciákat egy bizonyos távolságon kívül, a mobil tápellátását nyújtó akkumulátor sokkal nagyobb készenléti és beszélgetési idővel rendelkezik. Mivel egy városban nagy távolságok vannak, így néhány esetben akár több száz cellát (és egyben bázisállomást) találhatunk. Ez így elsőre igen nagy számnak tűnik, de a felhasználók nagy száma miatt nagyon kicsi a felhasználónkénti költség. Celláról cellára Minden mobiltelefonnak saját speciális kódjai vannak. Ezzel azonosítja magát a hálózat számára Nézzük mi történik, ha bekapcsoljuk a mobilunkat: 1. Amikor bekapcsoljuk a telefont, először egy PIN kódot kér (ha a PIN kód kérés be van kapcsolva), amivel a kártya azonosít minket. 2. Miután a

kártya ellenőrzése megtörtént, a telefon megpróbál feljelentkezni a honos hálózatra Ehhez a "System identification number - Rendszerazonosító szám"-ot használja, ami az adott hálózat nemzetközi kódja (Pannon: 21601, Westel: 21630, Vodafone (V.RAM): 21670) Ebből a "216" Magyarország nemzetközi kódja, az utána következő két szám pedig a hálózat saját kódja az országon belül. Ha a telefon megtalálta a honos hálózatot, elküldi az azonosítókat (SIM kártya azonosítók - IMSI - , telefon azonosítók - IMEI - ), és ha minden rendben van, feljelentkezik. 3. Miközben feljelentkezik, a bázisállomáson keresztül a központba is eljutnak az adatok, ahol regisztrálják, hogy az adott telefon fellépett a hálózatra, és a pontos cellát, amelyikben éppen tartózkodik. Ez azért szükséges, mert ha hívják a telefonunkat, akkor ebből az adatbázisból keresi ki a legutóbbi tartózkodási cellánkat, és ide küldi ki a kereső

jelet. 4. Ha minden rendben volt a telefonunkkal, akkor fent van a hálózaton, és fogadhat hívásokat, vagy szöveges üzeneteket. Most nézzük meg, mi történik, ha valaki fel akar hívni minket: 1. Beérkezik a kérés a hívótól a központba 2. A központ kikeresi az adatbázisból, hogy épp melyik cellában tartózkodunk 3. Kiküld egy kereső jelet az adott cellába 4. Ha megvan a telefon (tehát épp van térerő az adott helyen), akkor létrejön a kapcsolat Ha miközben beszélgetünk, nagyon eltávolodunk egy bázisállomástól, akkor egy idő után a telefon automatikusan átjelentkezik egy másik, erősebb jellel rendelkező cellába. Ez úgy történik, hogy a két legközelebb lévő antenna (az aktív cella, és a legközelebbi másik) adóteljesítményét folyamatosan figyeli a telefonunk. Amint az aktív cella teljesítménye kisebb lesz, mint a legközelebbi szomszédos celláé, a telefon átjelentkezik az erősebb jel miatt. Ennek a folyamata: 1. Közli

a régi cellával (ez pedig a központtal), hogy átjelentkezés céljából távozik 2. Közli az új cellával, hogy bejelentkezett egy régi cellából (és ez pedig a központba is eljut, ahol regisztrálják az új cellát). A nagyszerűsége a mobiltelefonnak abban rejlik, hogy ez a cellaváltás észrevétlenül megy végbe, akár beszélgetés közben is. Roaming Ha a telefon a feljelentkezésnél nem talál honos hálózatot, akkor a többi hálózati kódot ellenőrzi. Ha valamelyik a SIM kártyán engedélyezve van (mint roaming hálózat), akkor megpróbál rá feljelentkezni: 1. Elküld egy kérést az adott roaming hálózathoz Ennek a hálózatnak a központja küld egy kérést a honos központnak, hogy ellenőrizze az előfizetést, és a telefont. 2. Válaszol a honos hálózat, és a roaming hálózat felengedi a telefont Érdemes megjegyezni, hogy roamingolás közben ha hívnak minket, akkor a hívó csak az országhatárig (Mo-n belül) fizet, mi pedig az

onnantól a telefonunkig tartó utat. Nem biztos, hogy kifizetődő tehát mindenféle hosszú beszélgetésbe bocsájtkozni, miközben roamingolunk. Érdemes még megjegyezni, hogy ha egy adott hálózatot nem támogat a SIM kártyánk, mint roaming hálózat, attól függetlenül segélyhívásra (112) mindig használhatjuk! Mobilok és a CB Egy jó módja, hogy érthető legyen a mobiltelefon működése, hogy összehasonlítjuk a CB rádióval, vagy egy walkie-talkieval. A Simplex mód A Duplex mód Simplex vagy Duplex: A CB rádió, és a walkie-talkie is Simplex módban működik, ami azt jelenti, hogy csak az egyik fél beszélhet, a másik fél nem szólhat közbe. Ez azért van, mert ugyanazt az egy frekvenciát használja mindkét fél A mobiltelefon Duplex módban működik, ami értelemszerűen azt jelenti, hogy mindkét fél folyamatosan beszélhet. Ebből következik, hogy egy ilyen kapcsolathoz két frekvencia szükséges. Csatornák: Egy walkie-talkie csak egy

csatornát tud használni, a CB negyvenet, míg egy mobil több mint 1500-at. Távolság: A walkie-talkie-kat körülbel fél kilométeres távolságokon belül lehet használni. A CB rádiókat 12-15 kilométeres távokon (a sokkal nagyobb adóteljesítmény miatt). Viszont a mobiltelefont (a cellák miatt) szinte végtelen nagy távolságokon. Vegyünk extrémnek tűnő példát: elindulhatok úgy Franciaországból, hogy felhívom a barátom, és folyamatosan beszélünk, míg át nem érek Japánba. Ha az utam mellett végig vannak cellák, akkor ez az extrém eset megvalósítható. A digitális technológia A digitális technológia nagy előnye, hogy sokkal jobban kihasználja az adott frekvenciasávokat, mint az analóg rendszer (ez az oka pl. hogy mostanában a kábeltévék is átváltanak digitális kódolásra) A mobiltelefonok (GSM technológia) kódolják a beszédet, és átalakítják bináris formába (1-esek és 0-k). Ezt az adatsorozatot ezután összetömörítik,

amennyire csak lehet, és elküldik a másik telefonnak. A másik telefon ugyanezen módszerekkel visszaalakítja beszéddé az adatfolyamot. Ehhez még hozzájön, hogy a telefonok különböző frekvenciákat használnak az 1-esek küldésére, és a 0kra Ebből az egészből pedig az következik, hogy egy mobiltelefonnak igen nagy számítási képességre van szüksége Adótornyok, bázisállomások Adótornyok nélkül nem működhetne a GSM hálózat. Minden mobiltelefon ezeken keresztül tart kapcsolatot a központtal, és ebből következően a többi mobillal. A szolgáltatók folyamatosan mérik, és tesztelik a hálózatukat, és ennek megfelelően tervezik meg a következő cellákat. Ezt a folyamatot hívják cellatervezésnek Sok körülmény járul hozzá, hogy végül létrejöjjön egy új cella: Kültéri lefedettség javítása Beltéri lefedettség javítása (például metró alagút, vagy nagyobb áruházak) Forgalmi torlódások elkerülése végett

(például forgalmasabb csomópontokban) Miután a tervezőasztalon elkészült az új cella terve, ki kell választani a megfelelő pontot a bázisállomásnak. Ennél a pontnál rengeteg szempontot figyelembe kell venni, és sokszor kompromisszumokkal jár ez a döntés. Ha minden rendben van, akkor megépülhet a bázisállomás, és az ezt kiszolgáló adótorony. Ez a bázisállomás legtöbbször egy konténerre hasonlít, és nagyon sok távközlési berendezés foglal benne helyet. Magát a rádiókapcsolatot az adótorony valósítja meg, amelyen antennarendszerek vannak, megfelelő sugárzási szögben felszerelve. Az antennák általában az adótorony tetején foglalnak helyet, a minél jobb hatásfok érdekében. Alapvető elemei az antennarendszernek a tápvonalak, és a villámvédelmi eszközök is. Vannak további kiegészítő elemek is, például a duplex szűrők, LNA-k, és DLNA-k, valamint az úgynevezett diversity antennák. Maga az antenna a legfontosabb része

az antennarendszernek, hiszen ez az egység sugározza az adatokat. A mobiltelefonok hálózatánál alapvetően kétfajta antennát használnak: körsugárzó, és szektorsugárzó antennákat. A körsugárzó antennák leginkább egy bothoz hasonlítanak, s többnyire kisebb forgalmú helyekre telepítik őket (mivel 360 fokban sugároznak, egységnyi területre kisebb adóteljesítmény jut). A szektorsugárzó antennák általában 120 fokos szögben sugároznak, de néhány forgalmas helyen 60 fokos szektorsugárzó antennákat is felszerelhetnek. Az adótoronyból az adatok a bázisállomáshoz (és fordítva) tápvonalakon jutnak el. Ezeknek a tápvonalaknak jellemz ője, hogy nagyon kicsi csillapítás mellett tudják továbbítani a jelet. Általában koaxiális kábelekből épülnek, és kétfajta kábeltípust használnak. A kis csillapítású kábelek 100 méterenként körülbelül 1 dB-es szintcsökkenést okoznak. Ez a fajta kábel nagyon merev, bizonyos ív alatt nem

is hajlítható, és legtöbbször hosszabb távolságokra alkalmazzák (10-100 méter). A nagy csillapítású kábelek 100 méterenként, körülbelül 10 dB-es szintcsökkenést okoznak, de az előbbivel szemben sokkal rugalmasabbak, könnyebb őket hajlítani. Ezeket a kábeleket inkább a bázisállomás környékén alkalmazzák, ahol a tápvonal-szakasz sokszor nagy ívekben kanyarodik. A magasra szerelt berendezéseknél elengedhetetlen a villámvédelem. Ezek az eszközök a túlfeszültségt ől védik meg a nagyon drága berendezéseket. Ezt a lent látható gyakori földelésekkel oldják meg, de általában a földelés mellett túlfeszültségvédőket is bevetnek. Látható a kis/nagycsillapítású kábel csatlakozása és az erõs földelés A kiegészítő elemek (az előbb említettek), növelhetik az adóteljesítményt, vagy kisebb problémákat küszöbölhetnek ki. Például a következőket: Duplex szűrőket olyan esetben alkalmaznak, amikor egy antennán

szeretnék megoldani az adást (Tx), és a vételt (Rx). Ezt a megoldást tipikusan nagyvárosi területeken alkalmazzák, ahol helyhiány, vagy városépítészeti szempontok miatt nem lehet feltenni sok antennát. Az LNA (Low Noise Amplifier) használatával a vevőági teljesítményszint növelhető. Az LNA általában 10 dB körüli erősítést végez, amivel gyakorlatilag a cella méretét növeli, így azok a mobilok is fel tudnak csatlakozni az adott cellára, amelyek az LNA használata nélkül nem érzékelnék az adott cella jeleit. A DLNA (Duplex Low Noise Amplifier) pedig az LNA duplex megfelelője, azaz nemcsak vevő, hanem adóági erősítést is végez, mégpedig 10 dB körüli értékben. A diversity antennát pedig a különböző terjedési útvonalon haladó, de azonos információtartalmú jelek feldolgozására használják. Ennek az a lényege, hogy a mobiltelefon felől érkező információ több úton jut el az antennához (visszaverődések

következtében), és a több irányból beérkező jelek gyengíthetik, vagy szerencsétlen esetben ki is olthatják egymást. Ha viszont egymástól kellő távolságban elhelyeznek két antennát, akkor nagy valószínűséggel lehet detektálni az eredeti jelet