Zo werkt gsm-verkeer: op reis doorheen het netwerk

Je geeft een telefoonnummer in op je gsm en enkele seconden later klinkt er een vertrouwde stem aan de andere kant van de lijn, of je typt een url in de browser van je smartphone en de gewenste kattenfoto’s verschijnen op je scherm. Dat je in het midden van een wei of een plein staat terwijl je dat allemaal doet, is van geen belang: gsm-verkeer werkt en verder stellen we ons geen vragen.

Op zoek naar een gesprekspartner

We hebben het op deze website vaak genoeg over 4G, 4G+, 5G, VoLTE en andere nieuwe technologieën die het bovenstaande nog sneller, betrouwbaarder en beter moeten maken, maar in dit stuk nemen we een stap achteruit. We proberen op een eenvoudige en verstaanbare manier te achterhalen wat er allemaal op de achtergrond gebeurt wanneer je iemand probeert te bellen, wanneer je een sms stuurt en wanneer je surft.

Bij een succesvolle verbinding komt immers heel wat kijken wanneer je er verder over na denkt. Je telefoon moet praten met de juiste gsm-mast, die op zijn beurt je smartphone moet weten te vinden. Het netwerk lijkt miraculeus te weten waar je gesprekspartner zich bevindt, zodat diens telefoon kan overgaan en de verbinding komt vrijwel in realtime tot stand.

We roepen de hulp in van Christian Vyncke, netwerkexpert bij Base. Hij weet als geen ander wat er zich allemaal achter de schermen van het telefoonverkeer afspeelt. Hoewel je het dezer dagen misschien niet zou zeggen, diende een telefoon oorspronkelijk vooral om te telefoneren. Dat lijkt dus een goed startpunt.

Bereik

Om je smartphone te gebruiken heb je bereik nodig, en dat wil zeggen dat je binnen een bepaalde afstand van een gsm-antenne moet staan. Of je binnen het bereik van een antenne valt, heeft niet alleen te maken met de dichtheid van het antennenetwerk zelf. “Gsm-verkeer vindt plaats op verschillende radiofrequenties”, verduidelijkt Vyncke. “Sommige frequenties hebben een hoge capaciteit, anderen reiken verder. Bij de uitrol van het 4G-netwerk koos Base bijvoorbeeld eerst voor een hoge capaciteit, terwijl Orange zijn 4G-netwerk uitrolde op een lagere frequentie met een  groter bereik”. Zelfs de seizoenen spelen een rol. “Iedere lente daalt de dekkingsgraad van het netwerk, met dank aan de blaadjes aan de bomen die de signalen absorberen.”

Radio-vuurtorens

Is er een antenne in de buurt, dan moet dat aan je telefoon kenbaar worden gemaakt. “De antennes gedragen zich op de achtergrond als een soort radio-vuurtorens. Ze zenden een constant signaal uit, zodat je smartphone op de hoogte is van hun aanwezigheid.”

Op de achtergrond communiceren de antenne (met daarachter het netwerk) en je telefoon stiekem de hele tijd. Het gsm-toestel laat aan het netwerk weten wanneer het van zone verandert. Zo weet het netwerk van bijvoorbeeld Base te allen tijde in welke zone je toestel zich bevindt. Een zone is in dit geval een verzameling van 400 à 600 antennes.

Na het intypen van een telefoonnummer schieten smartphone en netwerk pas echt in actie. Eerst komt er een verbinding tot stand met het meest geschikte radiostation. Die radiostations zie je overal: het zijn de masten met daaraan de lange grijze antennes. Ieder radiostation bedient mobiele telefoons 360° rondom zich heen dankzij drie antennes. Iedere antenne neemt zo’n 120 graden voor zijn rekening.

Privé-transceivers

De radiostations zijn uitgerust met een beperkt aantal zender/ontvangers, zogenaamde transceivers. Bij het telefoneren krijg je zo één transceiver toegewezen. Die zendt uit in een hoek van 120° rond de antennemast. Het gsm-verkeer is weinig verrassend extreem goed versleuteld, zodat een grapjas met een radio-ontvanger die achter de hoek schuilt je telefoongesprek niet kan onderscheppen.

Niet ieder station heeft evenveel transceivers ter beschikking. Wanneer je wil telefoneren maar er geen transceiver vrij is, is het netwerk overbelast en mislukt jouw telefoongesprek. Oproepen naar alarmcentrale 112 zullen echter wel kunnen doorgaan omdat daarvoor een ander gesprek door het netwerk zal worden afgebroken. Na de aanslagen in Brussel hebben alle operatoren in samenspraak met het BIPT beslist om dat systeem rond prioritaire oproepen nog uit te breiden. In het geval van een nieuwe noodsituatie zal niet alleen 112 voorrang krijgen, maar zullen andere levensbelangrijke telefoonnummers eveneens blijven werken. Kom je zelf ooit in een rampscenario terecht en wil je vrienden of familie contacteren, kies dan voor een sms’je in de plaats van een kort telefoongesprek.

Controller en switch

Ervan uitgaande dat het netwerk niet overbelast is, geeft het radiostation je signaal vervolgens door naar een controller. Dat kan via een glasvezelverbinding tussen de mast en de controller, maar gebeurt soms ook via een straalverbinding waarbij de mast contact legt met een andere mast via een satellietschotel en golven. Uiteindelijk komt het signaal altijd bij een controller terecht, die het vervolgens doorstuurt naar de voice switch van je provider. “Zie die switch als een extreem geavanceerde versie van het grote bord met kabeltjes waar telefonistes uit de jaren ’50 achter zaten”, illustreert de netwerkexpert.

De switch doet dienst als een soort DNS-server voor telefoonnummers. Net zoals een DNS-server weet waar www.zdnet.be woont, leidt de switch uit het gedraaide telefoonnummer af waar het de zoektocht moet starten naar de persoon die je aan de andere kant van de lijn wil.

Moderne bieper

Bel je als Base-klant naar een vriend bij Proximus, dan verwijst de switch van Base je door naar die van Proximus. Het netwerk van Proximus weet ongeveer waar je contactpersoon zich bevindt. Zijn of haar toestel laat immers constant weten in welke zone het zit. Vervolgens stuurt het netwerk een page-signaal uit in die zone. Erg cru gesteld vraagt het gsm-netwerk aan alle telefoons in de zone of ze telefoonnummer X zijn en of ze, indien ja, contact willen leggen. “Het concept is hetzelfde als dat van de bieper in de jaren ‘90”, aldus Vyncke. Het toestel van de ontvanger reageert op dat signaal, en de uiteindelijke verbinding komt tot stand.

Mobiel internet

Surfen gebeurt op een gelijkaardige manier, al zijn er enkele belangrijke verschillen. Zo is er geen beperkte capaciteit voor internetverkeer. Je toestel staat niet in  permanent contact met het mobiele datanetwerk, zodat het minder snel overbelast zal raken. Je internetsnelheid zal bij enthousiast gebruik in je omgeving wel drastisch dalen, maar dat wil niet zeggen dat je verbinding helemaal onmogelijk is zoals bij een telefoongesprek.

Mobiele data werkt, net als gewoon internetverkeer, met pakketjes. Die IP-pakketjes vinden hun weg niet naar een voice switch maar naar een data switch. Daar worden ze doorgestuurd naar de rest van het internet, waarna ze hetzelfde traject afleggen als de pakketjes verzonden via je thuiscomputer.

Sms: een goudmijn

Sms is een verrassend buitenbeentje. Zowel spraak als data verloopt via specifieke eigen signalen, sms niet. Een sms lift mee op de passagiersstoel van controlesignalen die sowieso heen en weer gezonden worden tussen de netwerkmasten en je smartphone. “De sms was vroeger een goudmijn voor de providers”, lacht Vyncke. In tegenstelling tot bij een telefoongesprek passeert er immers nauwelijks extra data door het netwerk wanneer je een berichtje verstuurt. Zo is één minuut bellen wat belasting betreft het equivalent van het versturen van 96 sms’jes.

Ruggengraat van de technologie

2G, 3G, 4G, 4,5G en zelfs 5G veranderen weinig tot niets aan de essentie van bovenstaand verhaal. Betere en nieuwere technologieën maken op een efficiëntere manier gebruik van het radiospectrum, maar de grote lijnen blijven dezelfde. Communicatie met het netwerk verloopt via verschillende frequentiebanden. Sommige frequenties zijn voorlopig nog gereserveerd voor 2G-verkeer voor de grotbewoners zonder smartphone, anderen dienen voor 3G en nog andere voor 4G. Met nieuwe technologieën zoals 4G+ worden verschillende frequentiebanden samen gebruikt: carrier aggregation noemt men zoiets.

Nieuwe technologieën en protocollen verbeteren de radiocommunicatie tussen de masten en de smartphones. Ook die laatste moet immers mee evolueren: moderne smartphones hebben betere radiotransceivers aan boord dan iets oudere exemplaren. Zo is je eerste generatie 4G-smartphone niet noodzakelijk compatibel met  4G+.

Geniet de volgende keer dat je een telefoongesprek ontvangt met volle teugen van heel het gebeuren. Je weet immers dat er op de achtergrond heel wat gebeurd is om de verbinding voor jouw tot stand te brengen.