KĄCYKO

opis działania systemu telefonii komórkowej GSM


Copyright by Jacek Rutkowski. All rights reserved.
wersja 0005


Wstęp

Pomiędzy magią a wystarczająco zaawansowaną technologią nie ma różnicy. Zwłaszcza ludziom o humanistycznym nastawieniu do życia lub po prostu ludziom o nietechnicznym wykształceniu może się wydawać, że te wszystkie urządzenia działają tylko dzięki magii. Dla wielu ludzi natomiast o zacięciu technicznym, technokratów, lub (nie bójmy się tego słowa) technoli - wszystkie urządzenia to systemy składające się z podsystemów prawie zawsze dających się łatwo zrozumieć.

GSM to nie jest jakaś tam magia lecz po prostu system telefoni komórkowej trzeciej generacji. W niniejszym tekście postaram się możliwie przystępnie przybliżyć jego zrozumienie. Strona ta jest skierowana do przeciętnego zjadacza bułeczek a nie do nadętych teoretycznie profesorów nie potrafiących w praktyce nic zrobić ani też do profesjonalistów którzy zarabiają na chlebek u operatorów GSMu czyli zgrywusów naszych kochanych - ci z koleji jeżdżą na szkolenia za gramanicę i tego tekstu nie powinni czytać bo jest za prymitywny dla nich. To naprawdę jest banalnie proste! To nie krasnoludki powodują, że wszystko działa ale fizyka (elektronika) w połączeniu z matematyką (software).

Należy sobie zdawać sprawę, że taka wiedza teoretyczna w codziennym używaniu telefonu komórkowego GSM mało (jeśli w ogóle) się przyda ale z drugiej strony warto czasami jest rozszerzać swoje horyzonty - choćby po to, żeby się nam zwoje mózgowe za bardzo nie wyprostowały lub po prostu dla jaj!

Poza tym niektóre popularne telefony (jak na przykład telefony firmy Siemens) mają wbudowany tryb monitorujący, dzięki któremu można obejrzeć trochę parametrów sieci. W tym kontekście śmieszy fakt, że niektóre inne firmy oferują specjalne telefony z trybem monitorującym za kilka tysięcy dolarów od sztuki. Mając natomiast taki popularny telefon z trybem monitorującym można się pozabawiać w specjalistę a w każdym wypadku nieco lepiej zrozumieć i porównać parametry sieci.

Wprowadzenie ogólne

Jak daleko ?

Czasami użytkownicy telefonów komórkowych GSM zadają sobie pytanie: "jak daleko mogę moim aparatem GSM telefonować?". Odpowiedź brzmi: "na cały świat". Wielu ludzi myli telefon komórkowy z krótkofalówką (lub walkie-talkie). Sygnały z jednej krótkofalówki (końcowego urządzenia nadawczo-obiorczego) są wypromieniowane z jej anteny i złapane przez antenę drugiej krótkofalówki. Całkowita trasa idzie zatem, o dziwo, po powietrzu. A jako, że wraz ze wzrostem odległości pomiędzy krótkofalówkami sygnały stają się coraz słabsze mają one tylko ograniczy zasięg.

Całkiem inaczej sytuacja wygląda w telefonii komórkowej. A to dlatego, że po powietrzu sygnały idą zwykle tylko najmniejszą część całej drogi. Większość trasy biegnie, panie dziejku, po miedzi czyli zwykłymi, za przeproszeniem drutami.

W zasadzie możnaby rzec, że telefon komórkowy działa nie inaczej niż telefon bezprzewodowy. Telefon bezprzewodowy przesyła sygnały radiowe do stacji bazowej podłączonej do zwykłego, ordynarnego wręcz, gniazdka telefonicznego. A od tego gniazdka sygnały popylają po miedzi (po kablu) do obiorcy. Jeśli ten odbiorca też posiada aparat bezdrutowy, pardon, bezprzewodowy to jego stacja bazowa znowu puszcza pogaduszki nadawcy (tzn. sygnały) po powietrzu do części ruchomej telefonu bezprzewodowego. Jeśli chlop i baba obydwoje korzystają z telefonów bezprzewodowych a jedno jest w Warsiawie a drugie w Posenstadt to wtedy na ten przykład dajmy na to z 15 metrów idzie po powietrzu a 300 kilometrów kabluje po miedzi. Tak samo należy sobie wyobrażać rozmowy przez telefon komórkowy.

Obszar jest podzielony na komórki

Sieć telefoni ruchomej to tak zwana sieć komórkowa. Oznacza to, że cały obszar który pokryty jest tą siecią podzielony jest w tak zwane komórki. W sieci GSMowej (zwanej inaczej GSM900) mają te komórki średnicę od 1 do 35 kilometrów. W sieci DCS1800 (pochodna GSMu; zwana inaczej GSM1800) są one nieco mniejsze. W każdej z tych komórek operatorzy sieci postawili stację bazową. Jeśli użytkownik (abonent GSMu) porusza się po Polsce to wtedy przechodzi on wtedy przez wiele takich komórek.

Telefon komórkowy wypromieniowuje fale radiowe we wszystkich kierunkach. Stacja bazowa wyłapuje te sygnały i przekierunkowuje je dalej do odbiorcy. Jeśli ten odbiorca również dysponuje telefonem komórkowym to rozmowa ta zostanie skierowana do stacji bazowej w zakresie której się on znajduje. Tamtejsza stacja bazowa znowu puszcza rozmowę w powietrze a telefon komórkowy odbiorcy wyłapuje ją anteną (odbiera sygnał).

Odcinek radiowy jest krótki

Dobra, dobra, ale co się wyprawia panie dziejku pomiędzy obydwoma pośredniczącymi stacjami bazowymi ? Ano pewna centralna stacja kontrolna steruje wieloma stacjami bazowymi. Ta stacja kontrolna jest z koleji połączona z centralą, która ustanawia przejście albo do normalnej sieci telefonicznej albo do innej centrali w sieci ruchomej (patrz rysunek poniżej).

W opisanym powyżej ustawieniu większość drogi idzie po kablu miedzianym, w którym rozmowy są przesyłane tak samo jak w normalnej sieci stałej. Tylko wtedy gdy dana stacja bazowa stoi w obszarze, który jest dość na uboczu położony i nie jest ten obszar wyposażony wystarczająco w przewody telefoniczne to wtedy sygnały ze stacji bazowej do centrali również idą po powietrzu. Używa się w tym przypadku innej techniki (łącza radiowe), która z opisaną do tej pory techniką telefoni komórkowej nie ma nic wspólnego - używano jej nawet w przeszłości do transmisji rozmów w normalnej stałej sieci telefonicznej wtedy kiedy jeszcze wróbelki o telefoni komórkowej nic nie ćwierkały.

Widać więc gołym okiem z łatwizną, że w telefoni komórkowej tylko mały odcinek leci po powietrzu (czyli drogą radiową). Większa część drogi popyla w rzeczywistości pomiędzy centralami przez normalną sieć telefoniczną. I w tym punkcie znowu jesteśmy przy pytaniu: "jak daleko można aparatem komórkowym telefonować ?". Ano przecie dlatego, że sygnały tylko małą część drogi pomykają po powietrzu a wiekszość drogi odbywa się przez zwykłą sieć telefoniczną można osiągnąć odbiorców na całym świecie. Dlatego też telefony komórkowe nie muszą mieć zbyt dużej mocy nadawania. Telefony podręczne w GSMie mają standardowo zatem maksymalną moc nadawania 2 waty a w DCSie1800 tylko 1 W ! No a poza tym telefony te są tak zbudowane, panie dziejku, że promieniują one sygnały tylko z taką mocą która właśnie jest potrzebna aby nawiązać połączenie wolne od błędów i zniekształceń.

Sieć musi znaleźć dzwoniący telefon

Skąd do jasnej ciasnej wie sieć telefoni komórkowej gdzie w danej chwili znajduje się jej użytkownik ze swoim nomen omen przenośnym aparatem ? Kiedy ktoś do niego dzwoni to jego bieżące miejsce przebywania musi być już znane. Do tego celu krasnoludki dysponują w centralach różnymi bazami danych. Oznacza to, że centrale te nie tylko służą jako międzymordzie (pfuj: interfejs) do innych sieci telefonicznych lecz także przejmują część zarządzania danymi użytkowników.

W tak zwanym pliku ojczyźnianym (HLR = Home Loation Register) operator sieci przechowuje dane każdego klienta. Gdy klient włącza swój telefon komórkowy to nawiązuje ten aparat wpierw połączenie z siecią radiową. Gdy połączenie już zostało nawiązane to następuje przesyłanie przez telefon komórkowy danych zapamiętanych na karcie do stacji bazowej.

Ta z koleji przekazuje te dane dalej do pliku ojczyźnianego gdzie następuje po piersie porównanie danych - sprawdzane są prawa dostępu - a po drugie w HLRze zapamiętane zostaje bieżące miejsce przebywania klienta sieci telefoni komórkowej. No a poza tym krasnoludki zakładają drugą bazę danych: plikiem odwiedzających (VLR = Visitor Location Register) zwaną. W tej bazie (nie mylić z podstawą) zostają zapamiętywane dane wszystkich osób (tzn. ich kart) którzy przejściowo w tym zakresie (łobszarze) centrali się zabawiają czy też go po prostu z sobie znanych powodów odwiedzają. Głównie rozchodzi się przy tych danych o adres pliku ojczyźnianego klienta i jego numer telefoniczny. Jeśli dany klient opuszcza obszar tej centrali to jego dane z pliku odwiedzających są wymazywane przez krasnoludki wirtualną gumką do ścierania a ponownie zapisywane w kolejnej centrali.

Dzięki tym dwom plikom: plikowi ojczyźnianemu i plikowi odwiedzających jest operator sieci, nasz zgrywus kochany, w dowolnej chwili poinformowany o miejscu przebywania danego klienta jeśli tylko ten geniusz karpat nie zapomniał włączyć swojego telefonu komórkowego i zalogował się do tej sieci (symbol antenki pokazuje kilka kresek a na wyświetlaczu jakieś dziwne literki nazwę sieci przypominające się pojawiają).

Żeby to nie wyglądało zbyt prosto to krasnoludki zapisują w pliku ojczyźnianym wiele więcej informacji niż tylko miejsce pobytu i tożsamość klienta. Wszystkie skompiłowane informacje są tam zapamiętywane: takie jak na przykład jak klient się zalogował, jakie przekierunkowania on zaktywował (czyli po naszemu: włączył). Na przykład dane o tym, że wszystkie przychodzące rozmowy są przełączane na jego skrzynkę poczty głosowej (u nas czasami sekretarką automatyczną zwaną) są tam też umieszczone. No i w pliku ojczyźnianym operator trzyma też przecie dane o przeprowadzonych rozmowach co mu wydajnie pomaga w wystawianiu rachunków (mniej lub bardziej szczegółowych) i skutecznym dojeniu klientów z forsy co jest zresztą jego głównym celem życiowym.

Karta telefoniczna zawiera ważne dane

Każdy telefonista ruchomy dumnie nazywający siebie posiadaczem telefonu komórkowego (GSMowego oczywiście!!!) posiada kartę chip-ową (nie mylić z chipsami) zwaną popularnie kartą SIM (Subscriber Identity Module). Sam telefon komórkowy to jest mniej niż zero, je, je. Żeby on w ogóle mógł działać trzeba do niego, za przeproszeniem, wsadzić kartę SIM. Karta ta to jest dopiero małe ale wielkie co nieco. Również na tej karcie zapisane są dane osobiste klienta. Każda karta SIM ma swoje własne unikalne w skali światowej oznaczenie. No a poza tym na tej karcie pracowite krasnoludki zapisały dane, które przy zameldowywaniu się telefonu do sieci są wymieniane ze stacją bazową.

Z drugiej bańki natomiast czterocyfrowy kod, popularnie PINem zwany (Personal Identity Number), który to trza za każdy razem, po włożeniu karty SIM do aparatu wstukać, żeby iskierki poszły i oboje zaczęli ze sobą współpracować, nie ma z siecią nic wspólnego. PIN ów ma jedynie za zadanie ochronić kartę SIM przed jej nadużyciem przez brutali czyli osoby trzecie - na przykład gdy telefon komórkowy zostanie zwędzony (nie mylić z uwędzeniem) a złodzieja najdzie nagle ochota dzwonienia po świecie co kosztuje przecież cieżką mamonę szmalcem popularnie zwaną. PIN ten, dobry nasz koleżka, jest przy zakupie na karcie już zapamiętany, może być jednak przez posiadacza ponownie zmieniony lub nawet całkiem wyłączony. To ostatnie nie zaleca się gdyż wtedy każdy komu w łapy wpadnie nasza kochana komórka (telefon komórkowy) może telefonować do woli i nabić nam niezmiernie licznik rozmów, za które trzeba będzie tak czy siak zabulić operatorowi.

Zmiana komórek

Klient telefonii komórkowej jest ruchliwy. Nie siedzi on tylko całe życie w jednej i tej samej komórce i patrzy w sufit. O nie ! On przemieszcza się z jednej komórki, którą opuszcza bez litości i żalu, do następnej, a potem następnej i tak dalej. Jeśli klient ów raczy się znajdować na skraju danej komórki radiowej to wtedy sieć musi na czas rozpoznać kiedy to lepiej byłoby dla wszystkich zainteresowanych stron nawiązać nowe połączenie do stacji bazowej z sąsiedniej komórki.

Telefon komórkowy wypromieniowuje sygnały we wszystkich kierunkach co oznacza, że nie tylko jedna stacja bazowa te fale łapczywie wyłapuje, lecz ewentualnie dwie lub nawet więcej. Sieć sprawdza skrzętnie jakość każdego z tych połączeń i decyduje arbitralnie która stacja bazowa nawiązuje połączenie rozmowne z owym telefonem komórkowym. Jakość połączenia jest potem ciągle sprawdzana. Jeśli się niechcący okazuje, że jakość połączenia podpada i opada co nieco a połączenie do innej stacji bazowej wykazuje lepszą jakość no to siu - wtedy ta właśnie stacja nawiązuje połączenie rozmowne z telefonem komórkowym. Dopiero gdy te nowe w danej chwili połączenie z tą lepszą niby jakościowo stacją bazową jest nawiązane to stare połączenie zostaje zerwane i rozmowa idzie dalej już przez nową stację bazową. Partnerzy rozmowy komórkowej nic o dziwo nie zauważają - rozmowa jest bez przerwy kontynuowana (w sieciach analogowych słyszalny jest jednak wtedy wyraźny chrzęk-brzęk-niby-to-dźwięk).

W sieci cyfrowej rozmowy są dość odporne na podsłuch

Starsze, analogowe, telefony komórkowe można było (i jest) łatwo podsłuchiwać. Wystarczyły do tego podstawowe zdolności radioamatorskie lub urządzonko na zgniłym zachodzie pod nazwą skaner radiowy znane, którego posiadaczem można się już stać za kwotę mniejszą niż śmieszne 400 złotych. Te zabawy licznej rzeszy radioamatorów i ludzi po prostu z nudy i braku ciekawszego zajęcia zajmujących się podsłuchiwaniem rozmów rodzaju wszelakiego się skończyły wraz z wprowadzeniem cyfrowej telefonii komórkowej. Na jednym i tym samym kanale radiowym jest tutaj prowadzone jednocześnie wiele rozmów - dane zawierające poszczególne rozmowy są wzajmnie przełączane w czasie - a żeby było weselej rozmowy te zmieniają często częstotliwość. Przy pomocy normalnych (tzn. takich co może sobie w sklepie każdy przechodzeń z ulicy kupić jeśli tylko kasa mu gra) skanerów nie da się cyfrowej sieci telefoni komórkowej podsłuchiwać. Rozmowy nie są wprawdzie nadal stuprocentowo odporne na podsłuchiwanie ale jednak podsłuchiwanie przez nieupoważnione osoby trzecie wymaga bardzo dużego nakładu - w ogóle nie porównywalnego do śmiesznej łatwości tej zabawy przy analogowej telefoni komórkowej.

Wprowadzenie techniczne

w przygotowaniu

Architektura

w przygotowaniu

Transmisja radiowa

w przygotowaniu

Zarządzanie siecią

w przygotowaniu

Planowanie sieci

w przygotowaniu

Optymalizacja parametrów sieci

w przygotowaniu

Sposób uzyskiwania i opis trybu monitorującego popularnych telefonów


Zdjęcie powyższe przedstawia wygląd wyświetlacza telefonu, w którym włączono tak zwany tryb monitorujący czyli podprogram, który wyświetla pewne parametry. Zamiast takich zdjęć jak powyżej w poniższych przykładach użyto jednak zwykłego tekstu czcionką nieproporcjonalną, żeby zwiększyć ich czytelność. Zawartość wyświetlacza, ze zdjęcia powyżej można więc przedstawić następująco:
|----------------|
|CH038 RX-062  N3|
|CI 4A4C C1+42 B6|
|LAI 62F210 2426 |
|TXPWR37 RXAM-105|
|----------------|
Jest to bardziej czytelne - nieprawdaż ?

Tryby monitorujące - co to je ?

Pracownicy inżynieryjni operatorów sieci telefoni komórkowej są wyposażani w specjalne telefony, które umożliwiają wyświetlanie parametrów sieci niewidocznych ze zwykłych telefonów, po to żeby mogli je lepiej kontrolować i odpowiednio konfigurować. Na przykład zamiast mocy sygnału mierzonego w kreskach (zwykły aparat) można uzyskać moc sygnału mierzoną w decybelach (aparat specjalny).

Takie specjalistyczne aparaty są bardzo drogie i zwykle faktycznie umożliwiają uzyskanie wskazań niespotykanych w zwykłych telefonach komórkowych. Tak się jednak szczęśliwie składa, że istnieją firmy, które produkują aparaty na rynek powszechny wyposażane w możliwość wyświetlania niektórych parametrów w tak zwanym trybie monitorującym. Według mojej obecnej wiedzy są to następujące aparaty: Siemens S1, Siemens S3, Siemens S3+, Siemens S3Com, Siemens S4, Siemens S4Power, Sony CM DX 1000, Motorola 8400, Motorola 8700, Dancall HP-2711, Ericsson GH337. Jeśli twój aparat nie znajduje się na tej liście to możesz spokojnie zapomnieć o trybie monitorującym u siebie !

Sposób uzyskiwania trybu monitorującego w Siemens S1, S3, S3+, S3Com, S4, S4Power, Sony CM DX 1000

Zakładam, że jako język menu wybrany został angielski.



W czasie gdy przeprowadzana jest telefonem rozmowa można wejść do trybu monitorującego tak samo jak przedtem: należy jednak wcześniej wejść do pozycji "NORMAL OPTIONS" lub bezpośrednio przez sekwencję: lewy softklawisz, 5, 5, 6. Wygląd:
|----------------|
|023TS7 TA00 PL05|
|RX-069 CI4A4C N3|
|LAI62F2102426 B6|
|LF42LS42 QF0QS0 |
|----------------|
i
|----------------|
|  CH RXL NCC BCC|
|1 082 93   3   7|
|2 102 13   3   2|
|3 044 08   3   5|
|----------------|
(też można przewijać lewym soft-klawiszem lub wrócić prawym soft-klawiszem)

Sposób uzyskiwania trybu monitorującego w Motorola 8400, 8700

Informacje dotyczące aparatów firmy Motorola podane poniżej są zacytowane i nie sprawdzone osobiście (w przeciwieństwie do Siemensów) przez autora.

Żeby uzyskiwać na wyświetlaczu symbol "[]", podawany w sekwencjach poniżej trzeba nacisnąć klawisz z gwiazdką ("*") i go przytrzymać tak długo póki on się pojawi. Aby uzyskać tryb monitorujący należy wprowadzić sekwencję: [][][]113[]1[] i nacisnąć następnie klaiwsz "OK". Teraz jest tryb monitorujący aktywny. Można do niego dojść w pozycji menu, która oferuje trzy podpozycje z informacjami GSMowymi. Niektóre dane na wyświetlaczu w tym trybie zmieniają się stale. Ażeby zamrozić aktualnie wyświetlane wartości należy nacisnąć klawisz "OK". Tryb monitorujący wyłącza się sekwencją: [][][]113[]0[] potwierdzoną klawiszem "OK".

Sposób uzyskiwania trybu monitorującego w Ericsson GH337

Informacje dotyczące aparatów firmy Ericsson podane poniżej są zacytowane i nie sprawdzone osobiście (w przeciwieństwie do Siemensów) przez autora.

W menu glownym (wyswietlona jest nazwa sieci) nacisnij klawisz [lewa strzalka]. Potem [*][prawa strzalka][prawa strzalka][*][prawa strzalka][*].

Sposób uzyskiwania trybu monitorującego w Dancall HP-2711

Informacje dotyczące aparatów firmy Dancall podane poniżej są zacytowane i nie sprawdzone osobiście (w przeciwieństwie do Siemensów) przez autora.

Po wprowadzeniu *#9993#, należy przejść do menu i wybrać Engineering functions oraz Cell Info. Pojawi się pierwsza strona informacji o bieżącej komórce. Można przechodzić pomiędzy stronami przy pomocy strzałek lub klawiszy 0..6.

Opis parametrów do tego telefonu i dalsze informacje o kodach do niego można znalezć w PESTKA tutaj.

Opis paremtrów z trybu monitorującego w Siemens S1, S3, S3+, S3Com, S4, S4Power, Sony CM DX 1000

Przykład:
|----------------|
|CH038 RX-062  N3|
|CI 4A4C C1+42 B6|
|LAI 62F210 2426 |
|TXPWR37 RXAM-105|
|----------------|


opis kolejnych parametrów i kolejne wyjaśnienia są w przygotowaniu

Porównanie parametrów sieci polskich i zagranicznych

w przygotowaniu

Copyright 1996-97 by Jacek Rutkowski, jpzr - j.rutkowski@ieee.org. All rights reserved.
No telephone call will be rejected by me at any time. My current mobile telephone number can be found here.