Wyjmujemy z kieszeni telefon. Dwa razy klikamy w ekran. Po kilku sekundach w słuchawce odzywa się znajomy nam głos. Proste, prawda? Rzeczywiście, na takie wygląda od strony użytkownika, lecz od zaplecza wykonanie prostej rozmowy wymaga koordynacji setek procesów i współdziałania wielu urządzeń.
Anteny i stacje bazowe
Sieć telefonii komórkowej została tak zaprojektowana, aby zapewnić jej użytkownikom jak największą mobilność. Jej zamysł polega na tym, aby w całym kraju umieścić anteny zlokalizowane na masztach stacji bazowych (tzw. BTS-y), które będą mogły drogą radiową komunikować się z telefonami znajdującymi się w dowolnym miejscu. Obecnie takich BTS-ów działa w Polsce około 30 tysięcy i są one zlokalizowane na dachach, wieżach, kominach lub na wolno stojących masztach.
Przykłady stacji bazowych
Obszar obsługiwany przez jedną antenę to komórka. I właśnie od tego wzięła się nazwa całej sieci. Rozmiar komórki może być bardzo różny i wynosić od kilkuset metrów na obszarach gęsto zaludnionych, czyli w miastach, do kilku, a nawet kilkunastu kilometrów poza terenami zabudowanymi. Jedna antena w danej komórce może obsłużyć jedynie skończoną liczbę rozmów, stąd sieci telekomunikacyjne tak ustalają wielkość komórki, aby odzwierciedlała ona gęstość zaludnienia. Czasem zdarza się, że podczas imprez masowych albo o północy w Sylwestra słyszymy w słuchawce sygnał zajętości. To właśnie sytuacja, kiedy w jednej komórce znalazło się zbyt wiele osób chcących w tym samym czasie wykonać połączenie.
Zaczynamy rozmowę
W momencie gdy chcemy do kogoś zadzwonić, nasz telefon mierzy jakość sygnału z okolicznych stacji bazowych i wybiera tą, z którą może się połączyć i która oferuje najlepszą jakość. Najczęściej jest to najbliżej położona antena. Następnie nasz telefon komunikuje się za pośrednictwem wybranego BTS-a z pozostałą częścią sieci i wymienia z nią serię informacji. Sieć dowiaduje się do kogo chcemy się dodzwonić oraz ustala na jakich częstotliwościach radiowych odbędzie się połączenie.
Sygnał rejestrowany przez antenę trafia następnie do specjalistycznego komputera zlokalizowanego przy maszcie, który obrabia dane i przesyła je przy użyciu światłowodów lub radiowych połączeń mikrofalowych dalej, do sieci szkieletowej. Tam komputery wyszukują naszego rozmówcę i zestawiają rozmowę.
Jeżeli dzwonimy w obrębie Polski całość procesu zajmuję około sekundę, przy rozmowach zagranicznych wydłuża się do kilku sekund. Zestawienie rozmowy jest szybkie, bo nawet gdy nie prowadzimy rozmowy, ani nie przesyłamy żadnych danych, nasze telefony komunikują się co pewien czas ze stacjami bazowymi w najbliższym otoczeniu. Na tej podstawie sieć szkieletowa tworzy rejestr zalogowanych abonentów z informacją o ich położeniu. Dzięki niemu komputery potrafią szybko znaleźć naszego rozmówcę, a najbliższy BTS wysyła do niego informację, na którą telefon reaguje dzwonieniem.
Jeżeli nasz rozmówca odbierze, pomiędzy naszym telefonem, a anteną na BTS następuje ciągła wymiana informacji zakodowanych w postaci „paczek” przy użyciu fal elektromagnetycznych. Nadawanie i odbieranie sygnału odbywa się na dwóch różnych częstotliwościach, dzięki czemu rozmowa sama siebie nie zakłóca. Oprócz przesyłu zakodowanego głosu, w międzyczasie następuje również ciągła wymiana informacji dotyczących mocy sygnału i zakłóceń, których zadaniem jest zapewnienie stabilnej rozmowy o jak najlepszej jakości.
Mobilność i przełączenia
Zasięg komórek obsługiwanych przez BTS-y lekko zachodzą na siebie, co oznacza, że zdarzają się sytuacje, kiedy nasz telefon może nawiązać komunikację z więcej niż jedną anteną. Dzięki temu wychodząc (bądź wyjeżdżając) z zasięgu jednej stacji, nasze połączenie może płynnie przejąć druga antena, do której się zbliżamy. Taki proces nazywamy przełączeniem.
Jak działa sieć komórkowa?
Gdy w trakcie rozmowy zmieniamy swoje położenie, najbliższe nam BTS-y wykrywają zmianę mocy sygnału emitowanego przez nasz telefon i w miarę potrzeby sieć podejmuje decyzję o przełączeniu nas na transmisję z inną stacją bazową. Proces ten jest na tyle szybki, że jeżeli przebiega bez zakłóceń, w ogóle go nie zauważamy. Możliwość szybkiego przełączenia jest zapewniona między innymi poprzez różne częstotliwości, na których działają bliskie sobie BTS-y. Dzięki temu stacje nie zakłócają się i mogą działać w tym samym czasie. W podobny sposób jak popularne stacje radiowe, prowadzące jednocześnie transmisję programu na tym samym terenie. Przełączenie się między nimi też jest proste – wystarczy zmienić częstotliwość.
Nie tylko rozmowy
W bardzo podobny sposób prowadzony jest przesył danych w sieci Internet oraz wysyłanie wiadomości SMS. Również w tych przypadkach nasze telefony najpierw muszą „dogadać” się z wybranym BTS-em, następnie ustalić połączenie oraz wysłać lub odebrać dane. Informacje są inne, choć kodowane są w bardzo podobny sposób – w paczkach fal elektromagnetycznych.