Wprowadzenie do komunikacji z siecią komórkową

Aby urządzenie mogło połączyć się z siecią GSM, LTE lub 5G, potrzebuje specjalistycznego komponentu – modemu. W terminologii 3GPP urządzenie to nazywa się User Equipment (UE).

W tej prezentacji dowiesz się:

• Jak fizycznie zbudowany jest modem i jakie ma formy.
• Jak system operacyjny rozmawia z modemem.
• Czym jest zestaw komend AT i jak go używać do diagnostyki.
• Jak monitorować parametry sieci w systemie RouterOS (MikroTik).

Zaczynamy od podstaw sprzętowych.

Czego się nauczymy?

Po zakończeniu tej części kursu będziesz potrafił:

• Zrozumieć różnice między kategoriami modemów (Cat 4 vs Cat 20).
• Wykonać podstawową diagnostykę modemu za pomocą terminala.
• Odczytać i zinterpretować poziomy sygnału (RSRP, RSRQ, SINR).
• Skonfigurować modem w routerze brzegowym (MikroTik).
• Identyfikować problemy z połączeniem na podstawie kodów błędów.

Wiedza ta jest niezbędna dla administratorów sieci i programistów systemów IoT.

Serce komunikacji mobilnej

Modem (modulator-demodulator) to układ elektroniczny odpowiedzialny za zamianę danych cyfrowych na fale radiowe i odwrotnie.

• Baseband Processor: Główny procesor modemu realizujący stos protokołów (L1, L2, L3).
• Transceiver RF: Cześć analogowa zajmująca się nadawaniem i odbiorem fal.
• Oprogramowanie (Firmware): System operacyjny modemu, który zarządza logiką połączenia.

Modem jest autonomicznym komputerem – ma własny procesor, pamięć RAM i system operacyjny (często RTOS).

Gdzie znajdziemy modemy?

W zależności od zastosowania, modemy występują w różnych obudowach:

1. USB Dongle: Najpopularniejsze, "pendrive" do laptopa.
2. Moduły MiniPCIe / M.2: Montowane wewnątrz laptopów i routerów przemysłowych.
3. Układy SoC (System on Chip): Modem zintegrowany z głównym procesorem smartfona (np. Snapdragon).
4. Moduły LGA: Przeznaczone do wlutowania bezpośrednio na płytę główną urządzenia IoT.

Standardy M.2 są obecnie dominujące w rozwiązaniach 5G ze względu na dużą przepustowość interfejsu.

Tożsamość urządzenia

Aby modem mógł rozmawiać z siecią, potrzebuje bezpiecznego nośnika danych – karty SIM.

• Slot SIM: Fizyczne gniazdo (standardy mini, micro, nano).
• Czytnik: Układ elektryczny wewnątrz modemu komunikujący się z kartą przez interfejs ISO 7816.
• eSIM: Wirtualna karta SIM, zapisana w bezpiecznym chipie (eUICC) wewnątrz urządzenia.

Modem musi mieć dostęp do danych na karcie (klucze szyfrujące), aby przejść proces uwierzytelnienia w sieci.

Oznaczenia "Cat"

Kategoria (Category) definiuje maksymalne możliwości modemu w zakresie prędkości i technologii.

Wyższa kategoria to lepsza obsługa trudnych warunków sieciowych dzięki **agregacji pasm**.

Na jakich falach pracujemy?

Modemy muszą obsługiwać konkretne pasma radiowe używane przez operatorów. W Polsce najważniejsze to:

• B20 (800 MHz): Daleki zasięg, mała pojemność (tereny wiejskie).
• B3 (1800 MHz): Złoty środek (miasta i okolice).
• B1 (2100 MHz): Pasmo pojemnościowe.
• B7 (2600 MHz): Duża pojemność, mały zasięg (centra miast).
• n78 (3600 MHz): Główne pasmo dla "prawdziwego" 5G (C-Band).

Jeśli modem nie wspiera pasma używanego przez nadajnik, nie połączy się z siecią mimo silnego sygnału.

Multiple Input Multiple Output

Nowoczesne modemy używają więcej niż jednej anteny do odbioru i nadawania sygnału.

• SISO: 1 antena (stare systemy).
• MIMO 2x2: Standard w LTE. Dwie anteny (główna i pomocnicza/diversity).
• MIMO 4x4: Standard w 5G i wysokich kategoriach LTE. Pozwala na przesyłanie większej ilości danych na tej samej częstotliwości.

Problem prądowy

Modemy radiowe, zwłaszcza te dużej mocy (High-Power) i 5G, pobierają bardzo dużo prądu w momentach nadawania danych.

• Skoki napięcia: W momencie nawiązywania połączenia lub wysyłania dużego pliku, pobór prądu może przekroczyć 2A.
• Problem USB 2.0: Port USB 2.0 daje tylko 500mA. To za mało dla modemu LTE/5G.
• Skutek: Modem nagle gaśnie lub restartuje się w kółko (Boot loop).

W routerach MikroTik często stosuje się dedykowane zasilacze 12V/24V i wydajne regulatory napięcia na porcie USB/MiniPCIe.

Porty szeregowe i karty sieciowe

Gdy podłączysz modem do komputera lub routera, system widzi go na kilka sposobów:

1. Porty Serial (COM/tty): Służą do sterowania (komendy AT). Zazwyczaj modem wystawia 2 lub 3 takie porty (Control, Data, Diagnostic).
2. Virtual Interface (MBIM/QMI/NCM): Modem udaje kartę sieciową (Ethernet). To standard w nowoczesnych systemach (Windows, Linux, RouterOS v7).

Interfejs sieciowy zapewnia dużą prędkość, a port szeregowy służy do diagnostyki "w tle".

Język modemów

Komendy AT (podzbiór standardu Hayes) to tekstowy sposób komunikacji z modemem. Każda komenda zaczyna się od liter **AT** (Attention).

• Składnia: `AT[POLECENIE][PARAMETR][\r\n]`
• Koniec linii: Modem czeka na znak powrotu karetki (Enter).
• Wielkość liter: Standardowo komendy są niewrażliwe na wielkość liter, ale niektóre parametry są.

Mimo ogromnego rozwoju technologii radiowych, komendy AT z lat 80. wciąż są żywe i używane w najnowocześniejszych modemach 5G.

Czy modem mnie słucha?

Oto zestaw komend, które wysyła się jako pierwsze po otwarciu portu szeregowego:

# Czy żyjesz?
AT
OK

# Wyłącz echo (nie odsyłaj mi liter, które piszę)
ATE0
OK

# Włącz szczegółowe raportowanie błędów numerami
AT+CMEE=1
OK

Jeśli modem nie odpowiada "OK" na sam wpis "AT", oznacza to problem z kablem, portem lub zasilaniem.

Z kim rozmawiam?

Zanim zaczniesz konfigurować, sprawdź co to za sprzęt:

# Producent
AT+CGMI
HUAWEI

# Model
AT+CGMM
ME909s-120

# Wersja firmware (systemu operacyjnego)
AT+CGMR
12.617.51.00.00

Wiele modemów różnych marek (np. Quectel, ZTE) bazuje na tych samych chipsetach, ale ma różny firmware.

International Mobile Equipment Identity

To 15-cyfrowy numer, który jest unikalny dla każdego modemu na świecie.

# Pobranie numeru IMEI
AT+CGSN
863812034567891

• Struktura: Zawiera kod producenta, modelu i numer seryjny.
• Zastosowanie: Służy do blokowania skradzionych urządzeń przez operatorów (EIR).
• Ważne: IMEI jest przypisany do modemu, nie do karty SIM!

Czy karta jest gotowa?

Karta SIM może być zablokowana lub uszkodzona. Sprawdzamy to komendą:

AT+CPIN?

Możliwe odpowiedzi:

• READY: Karta działa, można dzwonić i przesyłać dane.
• SIM PIN: Karta czeka na kod PIN.
• SIM PUK: Karta została zablokowana po 3 błędnych PINach.
• ERROR: Karta nie została włożona lub jest uszkodzona.

Do kogo się łączymy?

Modem musi wiedzieć, do której sieci ma prawo się zalogować. Służą do tego komendy serii COPS i CREG.

# Skanowanie dostępnych sieci (trwa ok. 30-60s!)
AT+COPS=?
+COPS: (2,"PL Orange","Orange","26003",7),(1,"Plus","Plus","26001",7),...

# Sprawdzenie aktualnego statusu rejestracji
AT+CREG?
+CREG: 0,1

Status 1 oznacza zarejestrowany w sieci macierzystej, 5 to roaming, a 0 to brak zasięgu lub odrzucenie przez sieć.

Słynne "kreski" zasięgu

Najprostszą metodą sprawdzenia sygnału jest komenda CSQ (Signal Quality).

AT+CSQ
+CSQ: 18,99

• Pierwsza liczba: RSSI w skali 0-31.
• 0-9: Bardzo słaby sygnał (zrywa połączenie).
• 10-14: Dobry sygnał (stabilna praca).
• 20-31: Bardzo mocny sygnał (blisko masztu).
• Druga liczba: Bit Error Rate (zazwyczaj 99 - nieznany).

W LTE parametr CSQ jest niewystarczający – potrzebujemy dokładniejszych danych.

Reference Signal Received Power

RSRP to kluczowy parametr w sieciach 4G i 5G. Określa on moc sygnału referencyjnego (nośnej).

• Jednostka: dBm (wartości ujemne).
• -80 dBm i wyżej: Idealny sygnał (stoisz pod masztem).
• Od -80 do -90 dBm: Bardzo dobry sygnał.
• Od -90 do -100 dBm: Dobry (standardowy).
• Poniżej -110 dBm: Sygnał szczątkowy, Internet będzie drastycznie zwalniać.

RSRP jest znacznie dokładniejszy niż stary wskaźnik RSSI z sieci 2G/3G.

Reference Signal Received Quality

Zasięg to nie wszystko. RSRQ mówi o tym, jak czysty jest sygnał w stosunku do obciążenia pasma.

• Wartości: Im bliżej 0, tym lepiej.
• -3 do -10 dB: Bardzo wysoka jakość.
• -10 do -15 dB: Normalna jakość (możliwe niewielkie zakłócenia).
• Poniżej -20 dB: Bardzo silne zakłócenia od sąsiednich masztów lub przeciążenie nadajnika.

Nawet przy silnym sygnale (-80 dBm), jeśli jakość spadnie (np. -20 dB), transfery będą niskie.

Signal to Interference plus Noise Ratio

To parametr, który najbardziej interesuje informatyka. Mówi on o tym, jak mocno sygnał użyteczny wybija się ponad szum tła.

• Wartości: Dodatnie (dB).
• > 20 dB: Kryształowo czysty sygnał. Maksymalne prędkości modulacji (np. 256QAM).
• 13-20 dB: Dobra jakość.
• 0-10 dB: Słabo. Stabilnie, ale wolno.
• Ujemne: Modem ledwo "słyszy" bazę. Ryzyko rozłączenia.

Dowód osobisty nadajnika

Aby wiedzieć, z którym konkretnie pasmem i masztami się łączymy, analizujemy:

• EARFCN: Numer kanału częstotliwości. Na przykład 1300 to pasmo B3 (1800 MHz), a 6400 to B20 (800 MHz).
• PCI (Physical Cell ID): Wewnętrzny numer sektora masztu (0-503). Pozwala odróżnić dwa maszty nadające na tym samym kanale.
• Global Cell ID: Unikalny numer w skali kraju (dostępny w bazach typu BTSearch.pl).

Monitorując te dane, możemy sprawdzić, czy nasz modem nie jest "zawieszony" na odległym, słabym nadajniku.

Brama do Internetu

Karta SIM pozwala na logowanie do sieci, ale aby przesyłać dane, musimy zdefiniować **APN (Access Point Name)**.

# Ustawienie profilu numer 1 (APN: "internet")
AT+CGDCONT=1,"IP","internet"
OK

# Sprawdzenie zdefiniowanych profili
AT+CGDCONT?

Dla Orange to zazwyczaj "internet", dla Plusa "plus", a dla T-Mobile "internet". Bez poprawnego APN modem zarejestruje się do sieci, ale nie dostanie adresu IP.

Zgłoszenie gotowości do danych

Po ustawieniu APN, modem musi spróbować podpiąć się pod transmisję pakietową (LTE Attach).

# Spróbuj podłączyć się do danych
AT+CGATT=1
OK

# Sprawdź status
AT+CGATT?
+CGATT: 1

Jeśli otrzymasz błąd (ERROR), oznacza to najczęściej problem z konfiguracją APN u operatora lub zablokowaną transmisję danych na karcie SIM.

Ostateczny krok połączenia

Ostatnim etapem jest aktywacja kontekstu i pobranie adresu IP.

# Aktywuj profil numer 1
AT+CGACT=1,1
OK

# Pokaż przypisany adres IP
AT+CGPADDR=1
+CGPADDR: 1,"10.122.45.22"

W tym momencie modem jest "on-line". W nowoczesnych systemach ten krok jest realizowany automatycznie przez protokoły MBIM lub QMI.

Specyficzne komendy producenta

Modemy Huawei oferują znacznie bogatszy zestaw komend (zaczynających się od daszka `^`). Jedną z najważniejszych jest `^HCSQ`.

AT^HCSQ?
^HCSQ: "LTE",54,42,126,22

• LTE: Typ sieci.
• 54: RSSI.
• 42: RSRP.
• 126: SINR (wartość 126 odpowiada 26 dB).
• 22: RSRQ.

Jest to komenda najczęściej używana przez programy do monitorowania pasm (np. LTEWatch lub Huawei Manager).

Szczegóły pracy modemu

Chcesz wiedzieć, czy modem pracuje w trybie LTE, czy spadł do GSM? Użyj `^SYSINFOEX`.

AT^SYSINFOEX
^SYSINFOEX: 2,3,0,1,,6,"LTE",101,"LTE"

• 101: Oznacza tryb LTE.
• Ostatni parametr: Nazwa technologii ("LTE", "HDR", "HSPA").
• Zaleta: Działa bardzo szybko i pozwala na błyskawiczne wykrycie utraty połączenia 4G.

Moc na dwóch antenach naraz

Huawei pozwala podejrzeć moc sygnału na obu antenach MIMO oddzielnie!

AT^LTERSRP?
^LTERSRP: -82,-85

• Pierwsza liczba: Moc na antenie 0.
• Druga liczba: Moc na antenie 1.

Jeśli różnica między antenami jest większa niż 5-10 dB, oznacza to problem z jedną z anten (zgięty kabel, złe ustawienie, uszkodzony wtyk).

Krótkie wiadomości tekstowe

Modemy są idealne do wysyłania powiadomień SMS (np. o awarii serwera).

# Ustaw tryb tekstowy (zamiast skomplikowanego PDU)
AT+CMGF=1

# Wyślij do numeru...
AT+CMGS="+48600123456"
> Czesc, tu Twoj router! [Wcisnij CTRL+Z]
+CMGS: 15 (Wysłano poprawnie)

W trybie tekstowym musisz pamiętać o zakończeniu wiadomości specjalnym bajtem **0x1A** (Ctrl+Z).

Czytanie skrzynki odbiorczej

Możesz też czytać wiadomości przychodzące do Twojego urządzenia IoT.

# Listuj wszystkie wiadomości (wszystkie = "ALL")
AT+CMGL="ALL"
+CMGL: 1,"REC UNREAD","+48666000666",,"24/02/24,12:00:00+04"
Halo, czy dzialasz?

Możesz tak budować systemy zdalnego sterowania – np. wysyłasz komendę "REBOOT" w SMSie, a Twój skrypt w Pythonie ją odczytuje i restartuje maszynę.

Idealny zegarek bez Internetu

Nawet jeśli nie masz połączenia danych, sieć GSM nadaje aktualny czas. Modem może go pobrać automatycznie (NITZ).

# Włącz automatyczną aktualizację czasu
AT+CTZU=1

# Odczytaj czas
AT+CCLK?
+CCLK: "24/02/24,20:45:12+04"

To świetna metoda na synchronizację czasu w urządzeniach, które nie mają dostępu do serwerów NTP (np. przez firewall).

Integracja ze sprzętem MikroTik

Urządzenia MikroTik (RouterBoard) z wbudowanymi modemami (seria LtAP, wAP LTE, Chateau) używają dedykowanego sterownika LTE.

• Interfejs: Modem widoczny jest jako `lte1`.
• Zarządzanie: Zamiast bezpośrednich komend AT, używa się poleceń Menu `/interface lte`.
• Automatyzacja: RouterOS pozwala na pisanie skryptów, które reagują na zmianę parametrów sygnału.

System ten jest idealny do profesjonalnych instalacji, gdzie wymagana jest stabilność 24/7.

Czy modem jest widoczny?

Pierwszy krok w Winbox lub CLI to sprawdzenie statusu fizycznego.

/interface lte print
Flags: X - disabled, R - running
 0  R name="lte1" mtu=1500 modem-id="0" ...

• Flag R: Modem jest gotowy i połączony.
• Modem ID: Jeśli w routerze jest więcej modemów (np. 2), każdy ma swój numer.

Jeśli interfejs lte1 nie pojawia się mimo włożonego modemu, spróbuj `/system routerboard usb setting set type=usb-type-a` (wymuszenie typu portu).

Monitorowanie w czasie rzeczywistym

To najważniejsza komenda dla technika ustawiającego antenę.

/interface lte monitor lte1
      status: connected
        band: 3 (1800 MHz)
        rsrp: -85dBm
        rsrq: -9dB
        sinr: 18dB
         pci: 420
      earfcn: 1300

Wartości odświeżają się co sekundę. Pozwala to na precyzyjne nakierowanie anteny zewnętrznej na najmniej obciążony maszt.

Bezpośrednia rozmowa przez MikroTika

Jeśli potrzebujesz funkcji niedostępnej w menu (np. wysłanie USSD), używasz `at-chat`.

# Sprawdzenie stanu konta przez kod USSD
/interface lte at-chat lte1 input="AT+CUSD=1,\"*101#\",15"
output: OK
        +CUSD: 0,"Twoje saldo to 25.00 PLN",15

Możesz tak wysyłać każdą komendę, którą poznałeś wcześniej (np. te specyficzne dla Huawei).

Widzialność nadajników

Komenda lte scan pokazuje wszystkie maszty w Twojej okolicy, nie tylko ten, do którego jesteś podłączony.

/interface lte scan lte1
INDEX BAND EARFCN PCI RSRP  OPERATOR
    0 3    1300   420 -85db Orange
    1 7    3048   112 -92db Plus
    2 20   6400   54  -70db T-Mobile

Dzięki temu dowiesz się, czy w Twojej lokalizacji są inne pasma, które mogłyby oferować większą prędkość.

Wymuszanie konkretnej technologii

Czasem modem "skacze" między szybkim ale stabilnym 1800 MHz, a wolnym 800 MHz. Możemy go zablokować.

# Pozwól tylko na pasma 3 i 7 (1800 i 2600 MHz)
/interface lte set lte1 allow-roaming=no band=3,7

Jest to bardzo skuteczne rozwiązanie, gdy nadajnik 800 MHz jest przeciążony, a modem uparcie próbuje się do niego przełączyć ze względu na silniejszy sygnał.

Maksymalna stabilność

W trudnych warunkach modem może przełączać się między dwoma sektorami tego samego masztu. Rozwiązaniem jest PCI Lock.

# Zablokuj modem na konkretnym EARFCN i PCI
/interface lte set lte1 cell-lock=1300,420

Zmusza to modem do trzymania się jednej wybranej komórki. Uwaga: Jeśli ten konkretny nadajnik ulegnie awarii, router nie przełączy się na inny!

Gdy Internet nie działa

Najczęstsze przyczyny techniczne:

1. Błędny APN: Modem jest zarejestrowany (CREG:1), ale nie ma IP. Sprawdź profil `/interface lte apn`.
2. Brak środków na karcie: Można wysłać SMS, ale dane są blokowane. Status rejestracji może być poprawny.
3. Blokada PIN: Sprawdź status `AT+CPIN?`. Pamiętaj, że w routerach IoT najlepiej **wyłączyć kod PIN** na stałe (używając telefonu).
4. Blokada IMEI: Urządzenie na "czarnej liście" - nie zaloguje się do żadnej sieci.

Kreski to nie wszystko

Jeśli masz "full zasięg" (np. -70 dBm), ale Internet działa tragicznie wolno, sprawdź SINR.

• Niskie SINR: Jesteś w zasięgu wielu nadajników naraz (Interferencje).
• Rozwiązanie: Użyj anteny kierunkowej (typu Panel lub Grid) i celuj w konkretny maszt, odwracając tył anteny od innych nadajników.
• Przeszkody: Drzewa (zwłaszcza mokre liście) bardzo silnie tłumią pasma powyżej 1800 MHz.

Gdy modem "znika" pod obciążeniem

To klasyczny problem w systemach wbudowanych. Testujesz router – wszystko działa. Zaczynasz Speedtest – modem się restartuje.

• Dlaczego? Wzrost mocy nadawania powoduje skok poboru prądu. Napięcie na USB spada poniżej 4.7V.
• Rozwiązanie: Aktywny hub USB z własnym zasilaczem lub kabel typu "Y" pobierający prąd z dwóch portów USB.
• W MikroTik: Używaj zasilaczy o wyższym amperażu (np. 2A zamiast 0.5A).

Podgląd wielu pasm

Modemy wyższych kategorii łączą pasma. Jak sprawdzić, czy to działa?

AT^CAINFO?
^CAINFO:1,1300,420,0 ... (Primary Cell)
^CAINFO:2,3048,112,0 ... (Secondary Cell)

Jeśli widzisz tylko jedną linię, agregacja nie działa (może być wyłączona przez operatora w danej godzinie lub zablokowana w ustawieniach modemu).

Zmiany w komendach AT dla 5G

W 5G pojawiają się nowe stany sieci:

• NSA (Non-Standalone): Modem musi być najpierw połączony z kotwicą LTE. Komendy AT pokazują oba systemy naraz.
• SA (Standalone): Czyste 5G. Nowe polecenia `AT+C5G...` (choć wielu producentów wciąż używa rozszerzonych komend LTE dla spójności).

5G wprowadza też znacznie wyższe wymagania dla interfejsu danych (PCIe zamiast USB 2.0).

Ryzyko nieautoryzowanego dostępu

Porty szeregowe modemu zazwyczaj nie mają żadnego hasła!

• Zagrożenie: Jeśli ktoś przejmie kontrolę nad routerem przez lukę w WWW, może wysyłać komendy AT (np. czytać Twoje prywatne SMSy lub zmienić IMEI).
• Ochrona: W MikroTik dostęp do komend AT można ograniczyć uprawnieniami (policy) dla użytkownika.
• Ważne: Nigdy nie udostępniaj portów diagnostycznych modemu do Internetu.

Kluczowe wnioski

• Modem to autonomiczny system z własnym firmware.
• Komendy AT to uniwersalny sposób sterowania i diagnostyki od lat 80.
• Dla wysokich prędkości kluczowe są parametry **SINR** i **RSRQ**, a nie tylko moc sygnału.
• Zasilanie jest najczęstszym powodem niestabilności modemów komórkowych.
• MikroTik RouterOS to potężne narzędzie do profesjonalnego zarządzania łączami LTE/5G.

Dowiedz się więcej

• Standard ETSI TS 127 007 - AT command set for User Equipment.
• Dokumentacja MikroTik: `help.mikrotik.com/docs/display/ROS/LTE`.
• Baza wiedzy o nadajnikach: `BTSearch.pl`.
• Fora techniczne: `bez-kabli.pl`.
• Coś o modemach: http://sas.noip.pl/komendy_at/Ksiazka_KomendyAT.pdf
• Lista komend AT: https://www.scribd.com/document/61295256/Komendy-at-GSM

Dziękuję za uwagę! Czas na ćwiczenia praktyczne z modemami w laboratorium.