как работает мобильный телефон
IT News
Last update Вс, 29 Янв 2017 11pm
Как работает мобильный (сотовый) телефон
Связь мобильных, или, как их еще называют, сотовых, телефонов осуществляется не при помощи проводов, как в обычной телефонной системе, а посредством радиоволн. Чтобы позвонить по мобильному телефону, необходимо как обычно набрать номер. Тем самым радиопослание поступает на базовую станцию, управляемую сотовой телефонной компанией.
На станции, которая обслуживает все звонки в пределах данного радиуса или зоны, контроллерное устройство определяет звонок в свободный радиоканал. Кроме того, оно направляет сигнал в автоматическую телефонную станцию сотовой связи. Считывая специальные коды, передаваемые телефоном,
Работа базовой станции
Каждая базовая станция принимает сигналы, испускаемые в радиусе от трех до шести миль. Чтобы избежать шумов, базовые станции с совпадающими границами должны работать на различных частотных каналах. Но даже в пределах одного города достаточно удаленные друг от друга станции могут без труда работать на одном канале.
Местная телефонная система, которая обслуживает и дома и офисы, основана на проводах, тянущихся под и над землей и подсоединенных к автоматической станции.
Местонахождение и канал
Автоматическая телефонная станция определяет местоположение движущегося транспортного средства, в то время как контроллер цепи направляет звонок в коммуникационный канал.
Область звонка
Когда автомобиль выезжает за пределы зоны самой удаленной базовой станции, водитель больше не может пользоваться сотовой связью. Если звонок сделан на пути к границе зоны, сигнал становится все слабее и слабее и в конце концов совсем исчезает.
На пути от станции к станции
На всем протяжении мобильного звонка автоматическая телефонная станция для сотовой связи фиксирует местонахождение движущегося автомобиля по силе исходящих от него радиосигналов. Когда сигнал становится слишком слабым, автоматическая телефонная станция предупреждает базовую станцию, которая, в свою очередь, передает звонок для обслуживания соседней станции.
Как работает мобильный телефон
Мобильный телефон сегодня есть абсолютно у каждого – начиная с 3-летних детей и заканчивая 80-летними людьми. Если еще 10-15 лет назад мобильник был показателем статуса, достатка и крутизны его владельца, то сейчас это простой повседневный инструмент для связи. И хоть в случае с электричеством – необязательно знать, как оно работает, чтобы им пользоваться, с телефоном может оказаться иначе. Как минимум, понять принцип его работы – очень интересно и познавательно.
Ключевой принцип работы мобильника
Мобильный телефон (будь он кнопочным или смартфоном) играет роль приемника и передатчика, работая на разных частотах. Он взаимодействует с сетью BSS (Base Station Subsystem) – базовых станций. Сотовые операторы устанавливают вышки на крышах домов или на других высоких сооружениях, или же на специальных мачтах, расположенных на земле. Кроме того, вышки BSS могут монтироваться на высотных трубах промышленных конструкций и на уже существующих вышках ретрансляторов телевидения и радио, взятых в аренду.
При этом система GSM, по которой работает мобильник, состоит из таких элементов:
Мобильный телефон во включенном состоянии производит постоянное сканирование и мониторинг наличия сигнала GSM своей базовой станции (BSS). При этом он легко идентифицирует сигналы именно своей сети с помощью специального идентификатора. Находясь в зоне покрытия сети, смартфон определяет лучшую частоту по уровню ее сигнала, и именно на этой частоте отправляет запрос на регистрацию в сети своей BSS. Именно процесс регистрации выполняет задачу авторизации (аутентификации) телефона.
Передача голоса абонента по сети GSM
В отличие от передачи голоса по домашнему проводному или радиотелефону, стандарт GSM характеризуется впечатляющей сложностью. Прежде чем голос абонента будет передан его слушателю, он проходит множество преобразований:
Роль антенн в телефонах
Антенна представляет собой металлическую деталь, конструкция, форма и размер которой позволяет улавливать радиоволны определенной частоты. Изначально производители сотовых телефонов делали антенны съемными или же просто внешними. Со временем была найдена более эффективная альтернатива, имеющая компактные габариты и располагаемая внутри устройства.
Знаете ли вы, что в вашем телефоне установлено сразу несколько антенн?
Порой даже на каждую из перечисленных технологий приходится несколько антенн! Самый простой кнопочный мобильник имеет как минимум 1 антенну – для приема и передачи радиосигналов. Некоторые модели телефонов используют одну и ту же антенну как для передачи, так и для приема сигналов. В то время как более современные смартфоны оснащены несколькими приемными и передающими антеннами. Технология под названием MIMO открывает возможность передачи сигналов сразу в несколько потоков. А это неизменно повышает скорость передачи данных и качество связи.
Типы антенн и частоты
Размер и форма антенны определяет частоту, на которой она будет работать. Производители мобильных телефонов стремятся использовать такие антенны, которые смогут работать на максимально широкой полосе частот. Это объясняется тем, что сегодня существует огромное количество разнообразных частот и технологий, которые используются в телефонах и смартфонах. Широкополосные антенны позволяют улавливать сигналы LTE, GPS, UMTS, Wi-Fi и Bluetooth.
Наиболее важную роль играет именно первичная сотовая антенна. Она играет роль ключевой коммуникационной антенны, принимая на себя главную задачу по приему и передаче данных. Она может иметь как низкочастотную полосу, расположенную в диапазоне от 700 до 960 МГц, так и широкополосную – в диапазоне от 1700 до 2700 МГц. При этом количество полос в мире с каждым годом возрастает. В разных странах применяется разный диапазон частот. Многие из них накладываются друг на друга, поэтому телефон может хорошо работать и улавливать сигнал при разных диапазонах.
Для большинства производителей мобильников встает важная задача – создать такие телефоны, которые смогут поддерживать все диапазоны частот передачи данных. Неудивительно, что конструкция антенны в таких мобильных значительно более сложна, чем в стандартных.
Сегодня мобильные телефоны – это технологии современности, которые давно уже не находятся за гранью фантастики. При этом производители неустанно работают над обеспечением безопасности использования сотовых, чтобы передаваемые и принимаемые ими сигналы не оказывали негативного влияния на здоровье и самочувствие пользователей.
Как работает ваш смартфон. И почему это важно знать
Как смартфон реагирует на касания?
Экран работает и как дисплей для отображения информации, и как устройство для передачи команд. Разновидностей таких дисплеев много, но большая часть современных смартфонов использует поверхностно-емкостные и проекционно-емкостные экраны.
Как это работает? В поверхностно-емкостном экране четыре электрода по углам подают на поверхность небольшое переменное напряжение. Когда человек касается сенсорной поверхности, возникает электрический ток. Чем ближе палец к конкретному электроду, тем сильнее сопротивление и, следовательно, меньше сила тока. Данные с угловых электродов передаются на контроллер, который вычисляет место касания.
На внутренней стороне проекционно-емкостного экрана есть электродная сетка. Дотрагиваясь до сенсора, человек вместе с электродом словно превращаются в конденсатор. Контроллер измеряет емкость этого конденсатора и определяет координаты касания по электродам с возросшей емкостью.
Как работает дисплей?
LCD, TFT, AMOLED, QLED — все эти страшные аббревиатуры относятся к матрице дисплея. Некоторые из них могут быть разновидностью других: например TFT — разновидность LCD-дисплея. Две базовые схемы — LCD (жидкие кристаллы) и OLED, использующий органические светодиоды.
Основа LCD-экрана — источник света и два поляризационных фильтра с электродами, пространство между которыми заполнено теми самыми кристаллами. Плоскости поляризации фильтров перпендикулярны друг другу.
Если максимально упростить, свет, который проходит через первый фильтр, полностью блокируется вторым.
Благодаря жидким кристаллам, которые образуют спиральную структуру, свет способен менять поляризацию, и соответственно проходить через второй фильтр. Спиральная структура жидких кристаллов меняется в зависимости от напряжения, которое подается на электроды. Из-за этого меняется и поляризация света, а с ней и его способность проходить через второй фильтр.
Если поляризационный фильтр полностью блокирует свет, на экране появится черная точка.
В OLED-дисплее подсветка не используется. Он состоит из нескольких слоев тонких органических пленок между двумя проводниками. Эти пленки — светодиоды: они излучают свет, когда на электроды подается напряжение. OLED-экраны потребляют гораздо меньше энергии, нежели жидкокристаллические, а еще они гораздо тоньше и могут быть гибкими. Подсветка на OLED регулируется попиксельно, поэтому контрастность у них гораздо лучше. Зато LCD-экраны куда долговечнее.
Как работает мобильный телефон
Для большинства из нас мобильный телефон давно уже стал неотъемлемой частью жизни, однако наверняка многие из вас задавались вопросом, о том каким образом вы можете звонить с мобильника или о том почему существуют разные поколения мобильной связи.
Как устроена сотовая связь
Давайте рассмотрим, что из себя представляет технология мобильной связи. Когда вы говорите по телефону, звук вашего голоса улавливается мембраной встроенного микрофона. Микрофон преобразует ваш голос в цифровой сигнал, с помощью МЭМС датчика и интегральное микросхемы.
Цифровой сигнал представляет собой ваш голос зашифрованный в виде последовательности нулей и единиц, а встроенная антенна принимает эти нули и единицы преобразуя их в электромагнитные волны. В электромагнитных волнах последовательность нулей и единиц представлены меняющимися характеристиками волны, такими как амплитуда, частота, фаза или их комбинацией. Например, в случае с частотой, 0 и 1 передаются посредством использования низких и высоких частот соответственно.
Если найти способ передачи этих электромагнитных волн на мобильный телефон вашего друга, вы сможете с ним говорить. Однако электромагнитные волны не способны преодолевать большие расстояния. Они теряют свою силу из-за препятствий, физических объектов, электрооборудования и некоторых факторов окружающей среды и даже, если бы этих проблем не было, электромагнитные волны не могут достичь всех точек поверхности земли поскольку она изогнута.
Технология сотовой связи
Чтобы решить эти проблемы используется технология сотовой связи, которая задействует сеть вышек. Эта технология подразумевает деление географической зоны на шестиугольные ячейки или соты, в каждой из которых устанавливается вышка со своим частотным интервалом. Как правило, эти вышки соединены между собой оптоволоконным кабелем. Такие оптоволоконные кабели проложены под землей или по дну океанов и обеспечивают национальную и международную связь.
Вышка вашей ячейки принимает электромагнитные волны посылаемые вашим телефоном и преобразует их в высокочастотные световые импульсы. Эти световые импульсы доставляются к приёмо-передатчику расположенному у основания вышки для дальнейшей обработки сигнала. После обработки сигнал вашего голоса направляется к принимающей вышки, а та в свою очередь ретранслирует полученные световые импульсы в форме электромагнитных волн, которые принимает антенна телефона вашего друга. Далее проходит процесс обратной переработки сигнала и ваш друг слышит ваш голос. И так получается, что мобильная связь не является полностью беспроводной, в ее обеспечении также участвует проводная связь, так устроена сотовая связь.
Центр коммутации мобильной связи
Однако есть вопрос, который мы пока не затрагивали. Сотовая связь действует только тогда, когда сигнал с вышки в вашем районе транслируется на вышку ближайшую к местонахождению вашего друга, но как ваша вышка узнает в какой ячейке он сейчас находится, и на какую вышку направлять сигнал. Для того, чтобы это произошло вышка сотовой связи должна получить помощь от так называемого “Центра коммутации мобильной связи” (MSC). Центр коммутации является связующим компонентом группы вышек сотовой связи, прежде чем двинуться дальше давайте подробнее разберем функции центра коммутации.
Функции центра коммутации
При покупке sim-карты вся информация об абоненте регистрируется в некотором центре коммутации, назовем этот центр домашним. Домашний MSC хранит информацию об абоненте, такую как тарифный план, текущее местоположение и статус активности. Если вы выходите за пределы своего домашнего центра, вас начинает обслуживать новый, который мы назовем гостевым центром коммутации. Когда вы входите в зону гостевого центра, он связывается с вашим домашним MSC, таким образом ваш домашний центр всегда знает в какой зоне вы находитесь.
Чтобы понять в какой из ячеек связанные с данным MSC находится абонент, центр коммутации использует несколько методов:
Предположим Анель хочет позвонить Роме. Когда Анель набирает номер, запрос на вызов поступает на ее домашний центр коммутации, после получения информации о номере Ромы, запрос будет отправлен на его домашний центр, затем следует проверка текущего MSC Ромы.
Если Рома находится в зоне своего домашнего центра, запрос вызова будет немедленно отправлен на ближайшую к его местоположению вышку с целью первичной проверки, активен ли его телефон или не занят ли он разговором с другим абонентом.
Если все в порядке, телефон Ромы зазвонит и начнется разговор. Однако если Рома находится вне зоны своего домашнего MSC, то его домашний центр коммутации просто перенаправляет запрос вызова на гостевой центр. Гостевой центр коммутации следуя ранее описанной процедуре определит местоположение телефона Ромы, после чего установятся соединение.
Частотный спектр и мобильная связь
Теперь давайте обсудим, почему частотный спектр очень важен для мобильной связи. Для передачи последовательности нулей и единиц посредством цифровой связи, каждому абоненту выделяется частотный диапазон, однако частотный спектр сотовой связи весьма ограничен, при том что пользуются ей миллиарды абонентов.
Эта проблема решается с помощью двух методов. Первый, распределение частотного интервала и второй — технология множественного доступа. В первом случае подразумевается четкое распределение разных частотных интервалов по разным вышкам сотовой связи, а технология множественного доступа заключается в эффективном распределение частотного интервала среди всех активных пользователей в ячейке.
Чем отличаются поколения мобильной связи
Технология 1G позволила абонентам связываться по телефону без подключенного к нему провода, но у этого поколения было две проблемы: первая заключалась в том, что беспроводная передача велась в аналоговом формате. Аналоговый сигнал может быть легко искажен помехами, поэтому его качество и безопасность были очень низкими. Вторая проблема заключалась в использовании технологии FDMA множественный доступ с разделением каналов по частоте. Доступный частотный спектр при нём используются неэффективно. Эти негативные факторы стали причиной появления мобильной связи второго поколения.
В мобильной связи 2G использовались цифровые технологии множественного доступа с разделением по времени TDMA или с кодовым разделением CDMA. Второе поколение также представила революционную услугу передачи данных SMS и доступа в интернет.
Технология 3G была нацелена на повышение скорости передачи данных. Для этого наряду с увеличением пропускной способности использовалась технология W-CDMA широкополосный множественный доступ с кодовым разделением. В результате была получена скорость 2 Мбита в секунду, что позволило передавать данные для таких целей как GPS, видео, голосовые вызовы и тому подобное. С появлением этой технологии мобильные телефоны стали быстро вытесняться смартфонами.
Затем появилась технология 4G, которая позволила достичь скорости передачи данных от 20 до 100 Мбит в секунду, этого было достаточно для просмотра фильмов с высоким разрешением и телевидения. Более высокая скорость стала возможной благодаря технологиям OFDM и MIMO. MIMO задействует одновременно несколько передающих и принимающих антенн, как в мобильном телефоне так и на вышки сотовой связи.
Следующее поколение мобильной связи 5G, которая будет внедрена в скором будущем, будет использовать усовершенствованную технологию MIMO и миллиметровые волны. Это сделает возможной бесперебойную связь для так называемого интернета вещей, обеспечивающего функционирование беспилотных автомобилей и умных домов.
Как работает сотовая связь
Знаете ли вы, что происходит после того, как вы набрали номер друга на мобильном телефоне? Как сотовая сеть находит его в горах Андалусии или на побережье далекого острова Пасхи? Почему иногда неожиданно разговор прерывается? На прошлой неделе я побывал в компании Beeline и попытался разобраться, как устроена сотовая связь…
Большая площадь населенной части нашей страны покрыта Базовыми Станциями (БС). В поле они выглядят как красно-белые вышки, а в городе спрятаны на крышах нежилых домов. Каждая станция ловит сигнал от мобильных телефонов на удалении до 35 километров и общается с мобильным телефоном по служебным или голосовым каналам.
После того, как вы набрали номер друга, ваш телефон связывается с ближайшей к вам Базовой Станцией (БС) по служебному каналу и просит выделить голосовой канал. Базовая Станция отправляет запрос на контроллер (BSC), а тот переадресует его на коммутатор (MSC). Если ваш друг является абонентом той же сотовой сети, то коммутатор сверится с Home Location Register (HLR), выяснит, где в данный момент находится вызываемый абонент (дома, в Турции или на Аляске), и переведет звонок на соответствующий коммутатор, откуда тот его переправит на контроллер и затем на Базовую Станцию. Базовая Станция свяжется с мобильным телефоном и соединит вас с другом. Если ваш друг абонент другой сети или вы звоните на городской телефон, то ваш коммутатор обратится к соответствующему коммутатору другой сети. Сложно? Давайте разберемся подробнее. Базовая Станция представляет из себя пару железных шкафов, запертых в хорошо кондиционируемом помещении. Учитывая, что в Москве было на улице +40, мне захотелось немного пожить в этом помещении. Обычно, Базовая Станция находится либо на чердаке здания, либо в контейнере на крыше:
2. 
Антенна Базовой Станции разделена на несколько секторов, каждый из которых «светит» в свою сторону. Вертикальная антенна осуществляет связь с телефонами, круглая соединяет Базовую Станцию с контроллером:
3. 
Каждый сектор может обслуживать до 72 звонков одновременно, в зависимости от настройки и конфигурации. Базовая Станция может состоять из 6 секторов, таким образом, одна Базовая Станция может обслуживать до 432 звонков, однако, обычно на станции установлено меньшее количество передатчиков и секторов. Сотовые операторы предпочитают ставить больше БС для улучшения качества связи. Базовая Станция может работать в трех диапазонах: 900 МГц — сигнал на этой частоте распространяется дальше и лучше проникает внутрь зданий 1800 МГц — сигнал распространяется на более короткие расстояния, но позволяет установить большее количество передатчиков на 1 секторе 2100 МГц — Сеть 3G Вот так выглядит шкаф с 3G оборудованием:
4. 
На Базовые Станции в полях и деревнях устанавливают передатчики 900 МГц, а в городе, где Базовые Станции натыканы как иглы у ежика, в основном, связь осуществляется на частоте 1800 МГц, хотя на любой Базовой Станции могут присутствовать передатчики всех трех диапазонов одновременно.
5. 
6. 
Сигнал частотой 900 МГц может бить до 35 километров, хотя «дальность» некоторых Базовых Станций, стоящих вдоль трасс, может доходить до 70 километров, за счет снижения числа одновременно обслуживаемых абонентов на станции в два раза. Соответственно, наш телефон с его маленькой встроенной антенной также может передавать сигнал на расстояние до 70 километров… Все Базовые Станции проектируются таким образом, чтобы обеспечить оптимальное покрытие радиосигналом на уровне земли. Поэтому, несмотря на дальность в 35 километров, на высоту полета самолетов радиосигнал просто не посылается. Тем не менее, некоторые авиакомпании уже начали устанавливать на своих самолетах маломощные базовые станции, которые обеспечивают покрытие внутри самолета. Такая БС соединяется с наземной сотовой сетью с помощью спутникового канала. Система дополняется панелью управления, которая позволяет экипажу включать и выключать систему, а также отдельные типы услуг, например, выключать голос на ночных рейсах. Телефон может измерять уровень сигнала от 32 Базовых Станций одновременно. Информацию о 6-ти лучших (по уровню сигнала) он отправляет по служебному каналу, и уже контроллер (BSC) решает, какой БС передать текущий звонок (Handover), если вы находитесь в движении. Иногда телефон может ошибиться и перебросить вас на БС с худшим сигналом, в этом случае разговор может прерваться. Также может оказаться, что на Базовой Станции, которую выбрал ваш телефон, все голосовые линии заняты. В этом случае разговор также прервется. Еще мне рассказали о так называемой «проблеме верхних этажей». Если вы живете в пентхаусе, то иногда, при переходе из одной комнаты в другую, разговор может прерываться. Это происходит потому, что в одной комнате телефон может «видеть» одну БС, а во второй — другую, если она выходит на другую сторону дома, и, при этом эти 2 Базовые Станции находятся на большом удалении друг от друга и не прописаны как «соседние» у сотового оператора. В этом случае передача звонка с одной БС на другую происходить не будет:
Связь в метро обеспечивается так же, как и на улице: Базовая Станция – контроллер – коммутатор, с той лишь разницей, что применяются там маленькие Базовые Станции, а в тоннеле покрытие обеспечивается не обычной антенной, а специальным излучающим кабелем. Как я уже писал выше, одна БС может производить до 432 звонков одновременно. Обычно этой мощности хватает за глаза, но, например, во время некоторых праздников БС может не справиться с количеством желающих позвонить. Обычно это случается на Новый Год, когда все начинают поздравлять друг друга. SMS передаются по служебным каналам. На 8 марта и 23 февраля люди предпочитают поздравлять друг друга с помощью SMS, пересылая смешные стишки, и телефоны зачастую не могут договориться с БС о выделении голосового канала. Мне рассказали интересный случай. Из одного района Москвы стали поступать жалобы от абонентов о том, что они не могут никуда дозвониться. Технические специалисты стали разбираться. Большинство голосовых каналов было свободно, а все служебные были заняты. Оказалось, что рядом с этой БС находился институт, в котором шли экзамены и студенты беспрерывно обменивались эсэмэсками. Длинные SMS телефон делит на несколько коротких и отправляет каждое отдельно. Сотрудники технической службы советуют отправлять такие поздравления с помощью MMS. Это будет быстрее и дешевле. С Базовой Станции звонок попадает на контроллер. Выглядит он так же скучно, как и сама БС — это просто набор шкафов:
7. 
В зависимости от оборудования, контроллер может обслуживать до 60 Базовых Станций. Связь между БС и контроллером (BSC) может осуществляться по радиорелейному каналу либо по оптике. Контроллер осуществляет управление работой радиоканалов, в т.ч. контролирует передвижение абонента, передачу сигнала с одной БС на другую. Гораздо интереснее выглядит коммутатор:
8. 
9. 
Каждый коммутатор обслуживает от 2 до 30 контроллеров. Он занимает уже большой зал, заставленный различными шкафами с оборудованием:
10. 
11. 
12. 
Коммутатор осуществляет управление трафиком. Помните старые фильмы, где люди сначала дозванивались до «девушки», а затем она уже соединяла их с другим абонентом, перетыкивая проводки? Этим же занимаются и современные коммутаторы:
13. 
Для контроля за сетью у Билайна есть несколько автомобилей, которые они ласково называют «ежики». Они передвигаются по городу и измеряют уровень сигнала собственной сети, а также уровень сети коллег из «Большой Тройки»:
14. 
Вся крыша такого автомобиля утыкана антеннами:
15. 
Внутри стоит оборудование, осуществляющее сотни звонков и снимающее информацию:
16. 
Круглосуточный контроль за коммутаторами и контроллерами осуществляется из Центра Управления Полетами Центра Контроля Сети (ЦКС):
17. 
Существует 3 основных направления по контролю за сотовой сетью: аварийность, статистика и обратная связь от абонентов. Так же, как и в самолетах, на всем оборудовании сотовой сети стоят датчики, которые посылают сигнал в ЦКС и выводят информацию на компьютеры диспетчеров. Если какое-то оборудование вышло из строя, то на мониторе начнет «мигать лампочка». ЦКС также отслеживает статистику по всем коммутаторам и контроллерам. Он анализирует ее, сравнивая с предыдущими периодами (часом, сутками, неделей и т.д.). Если статистика какого-то из узлов стала резко отличаться от предыдущих показателей, то на мониторе опять начнет «мигать лампочка». Обратную связь принимают операторы абонентской службы. Если они не могут решить проблему, то звонок переводится на технического специалиста. Если же и он оказывается бессильным, то в компании создается «инцидент», который решают инженеры, занимающиеся эксплуатацией соответствующего оборудования. За коммутаторами круглосуточно следят по 2 инженера:
18. 
На графике показана активность московских коммутаторов. Хорошо видно, что ночью практически никто не звонит:
19. 
Контроль за контроллерами (простите за тавтологию) осуществляется со второго этажа Центра Контроля Сети:
22. 
21. 