IS-54 и IS-136 — это системы мобильной связи второго поколения ( 2G ), известные как Digital AMPS ( D-AMPS ), и чаще всего называемые TDMA , являются дальнейшим развитием североамериканской мобильной системы 1G Advanced Mobile Phone System (AMPS). Она была когда-то распространена по всей Америке , особенно в Соединенных Штатах и Канаде, с момента развертывания первой коммерческой сети в 1993 году. [1] D-AMPS считается устаревшей , и существующие сети в основном были заменены технологиями GSM / GPRS или CDMA2000 .
Название TDMA основано на аббревиатуре для множественного доступа с временным разделением каналов (Time-Divise Multiple Access ), распространенной технологии множественного доступа , которая используется в большинстве стандартов 2G, включая GSM, а также в IS-54 и IS-136. D-AMPS конкурировал с GSM и системами, основанными на множественном доступе с кодовым разделением каналов (CDMA).
D-AMPS использует существующие каналы AMPS и обеспечивает плавный переход между цифровыми и аналоговыми системами в одной области. Пропускная способность была увеличена по сравнению с предыдущей аналоговой конструкцией путем деления каждой пары каналов 30 кГц на три временных интервала (отсюда временное разделение ) и цифрового сжатия голосовых данных, что дало в три раза большую пропускную способность вызова в одной ячейке. Цифровая система также сделала вызовы более безопасными в начале, поскольку аналоговые сканеры не могли получить доступ к цифровым сигналам. Вызовы были зашифрованы с использованием CMEA , который позже был признан слабым. [2]
IS-136 добавил ряд функций к оригинальной спецификации IS-54, включая текстовые сообщения , данные с коммутацией каналов (CSD) и улучшенный протокол сжатия. SMS и CSD были доступны как часть протокола GSM, и IS-136 реализовал их почти идентичным образом.
Бывшие крупные сети IS-136, включая AT&T в США и Rogers Wireless в Канаде, модернизировали свои существующие сети IS-136 до GSM/GPRS. Rogers Wireless удалила все 1900 МГц IS-136 в 2003 году и сделала то же самое со своим спектром 800 МГц, поскольку оборудование вышло из строя. Rogers деактивировала свою сеть IS-136 (вместе с AMPS) 31 мая 2007 года. AT&T вскоре последовала примеру в феврале 2008 года, отключив и TDMA, и AMPS.
Компания Alltel , которая в основном использовала технологию CDMA2000 , но приобрела сеть TDMA у Western Wireless , закрыла свои сети TDMA и AMPS в сентябре 2008 года . Компания US Cellular , которая теперь также в основном использует технологию CDMA2000 , закрыла свою сеть TDMA в феврале 2009 года.
IS-54 — первая система мобильной связи, в которой были предусмотрены меры безопасности, и первая система, в которой использовалась технология TDMA. [3]
Развитие мобильной связи началось в трех различных географических регионах: Северная Америка , Европа и Япония . Стандарты, используемые в этих регионах, были совершенно независимы друг от друга. [ необходима цитата ]
Самые ранние реализованные мобильные или беспроводные технологии были полностью аналоговыми и известны как технологии 1-го поколения ( 1G ). В Японии стандартами 1G были: Nippon Telegraph and Telephone (NTT) и его версия с высокой пропускной способностью ( Hicap ). Ранние системы, используемые по всей Европе, не были совместимы друг с другом, что означало, что более поздняя идея общей точки зрения/технологического стандарта «Европейского союза» в то время отсутствовала. [ необходима цитата ]
Различные стандарты 1G, используемые в Европе, включают C-Netz (в Германии и Австрии), Comviq (в Швеции), Nordic Mobile Telephones /450 (NMT450) и NMT900 (оба в странах Северной Европы), NMT-F (французская версия NMT900), TMA-450 (испанская версия NMT450), Radiocom 2000 (RC2000) (во Франции), TACS (Total Access Communication System) (в Великобритании , Италии и Ирландии ) и TMA-900 (испанская версия TACS). Североамериканские стандарты — Advanced Mobile Phone System (AMPS) и Narrow-band AMPS (N-AMPS).
Несмотря на сотрудничество стран Северной Европы , европейские инженерные усилия были разделены между различными стандартами, а японские стандарты не получили особого внимания [ кем? ] . Разработанный Bell Labs в 1970-х годах и впервые использованный в коммерческих целях в Соединенных Штатах в 1983 году, AMPS работает в диапазоне 800 МГц в Соединенных Штатах и является наиболее распространенным аналоговым сотовым стандартом. (Диапазон 1900 МГц PCS , созданный в 1994 году, предназначен только для цифровой работы.) Успех AMPS положил начало мобильной эре в Северной Америке.
Рынок демонстрировал растущий спрос, поскольку обладал более высокой емкостью и мобильностью, чем могли обеспечить тогдашние стандарты мобильной связи. Например, система Bell Labs в 1970-х годах могла одновременно передавать только 12 вызовов по всему Нью-Йорку . AMPS использовала технологию множественного доступа с разделением частот (FDMA), которая позволяла каждой сотовой станции передавать данные на разных частотах, что позволяло строить много сотовых станций рядом друг с другом.
У AMPS также было много недостатков. Прежде всего, она не могла поддерживать постоянно растущий спрос на использование мобильной связи. Каждая сотовая станция не имела достаточной мощности для передачи большего количества звонков. У AMPS также была плохая система безопасности, которая позволяла людям красть серийный код телефона, чтобы использовать его для совершения нелегальных звонков. Все это вызвало поиск более эффективной системы.
Поиски привели к появлению IS-54 , первого американского стандарта 2G. В марте 1990 года североамериканская сотовая сеть включила стандарт IS-54B, первый североамериканский двухрежимный цифровой сотовый стандарт. Этот стандарт победил узкополосный AMPS или N-AMPS от Motorola , аналоговую схему, которая увеличивала емкость, сокращая голосовые каналы с 30 кГц до 10 кГц. IS-54, с другой стороны, увеличивал емкость цифровыми средствами, используя протоколы TDMA . Этот метод разделяет вызовы по времени, размещая части отдельных разговоров на одной частоте, одну за другой. TDMA утроил емкость вызовов.
Используя IS-54, оператор сотовой связи мог преобразовать любой из аналоговых голосовых каналов своей системы в цифровой . Двухрежимный телефон использует цифровые каналы, где они доступны, и по умолчанию использует обычные AMPS, где их нет. IS-54 был обратно совместим с аналоговой сотовой связью и действительно сосуществовал на тех же радиоканалах, что и AMPS. Ни один аналоговый клиент не был оставлен позади; они просто не могли получить доступ к новым функциям IS-54. IS-54 также поддерживал аутентификацию , что помогало предотвращать мошенничество.
IS-54 использует тот же 30 кГц канальный интервал и частотные диапазоны (824-849 и 869-894 МГц), что и AMPS. Пропускная способность была увеличена по сравнению с предыдущей аналоговой конструкцией путем деления каждой 30 кГц пары каналов на три временных интервала и цифрового сжатия голосовых данных, что дало в три раза больше пропускной способности вызова в одной ячейке. Цифровая система также сделала вызовы более безопасными, поскольку аналоговые сканеры не могли получить доступ к цифровым сигналам.
Стандарт IS-54 определяет 84 канала управления, 42 из которых используются совместно с AMPS. Для поддержания совместимости с существующей системой сотовой телефонии AMPS основные прямые и обратные каналы управления в сотовых системах IS-54 используют те же методы сигнализации и схему модуляции (двоичная FSK), что и AMPS. Инфраструктура AMPS/IS-54 может поддерживать использование как аналоговых телефонов AMPS, так и телефонов D-AMPS.
Метод доступа, используемый для IS-54, — это множественный доступ с временным разделением (TDMA), который был первым разработанным цифровым стандартом США. Он был принят TIA в 1992 году. TDMA подразделяет каждый из каналов AMPS шириной 30 кГц на три полноскоростных канала TDMA, каждый из которых способен поддерживать один голосовой вызов. Позже каждый из этих полноскоростных каналов был дополнительно разделен на два канала с половинной скоростью, каждый из которых при необходимом кодировании и сжатии также мог поддерживать голосовой вызов. Таким образом, TDMA мог обеспечить в три-шесть раз большую емкость каналов трафика AMPS. TDMA был первоначально определен стандартом IS-54 и теперь указан в серии спецификаций IS-13x EIA/TIA.
Скорость передачи битов канала для цифровой модуляции несущей составляет 48,6 кбит/с. Каждый кадр имеет шесть временных интервалов длительностью 6,67 мс. Каждый временной интервал несет 324 бита информации, из которых 260 бит предназначены для данных трафика с полной скоростью 13 кбит/с. Остальные 64 бита являются служебными; 28 из них предназначены для синхронизации и содержат определенную последовательность битов, известную всем приемникам для установки выравнивания кадров. Кроме того, как и в случае с GSM, известная последовательность действует как обучающий шаблон для инициализации адаптивного эквалайзера.
Система IS-54 имеет различные последовательности синхронизации для каждого из шести временных интервалов, составляющих кадр, тем самым позволяя каждому приемнику синхронизироваться со своими собственными предварительно назначенными временными интервалами. Дополнительные 12 бит в каждом временном интервале предназначены для SACCH (т. е. информации управления системой). Цифровой проверочный цветовой код (DVCC) является эквивалентом контрольного аудиотона, используемого в системе AMPS. Существует 256 различных 8-битных цветовых кодов, которые защищены кодом Хэмминга (12, 8, 3). Каждая базовая станция имеет свой собственный предварительно назначенный цветовой код, поэтому любые входящие мешающие сигналы от удаленных ячеек можно игнорировать.
Схема модуляции для IS-54 — это дифференциальная четверичная фазовая манипуляция 7C/4 (DQPSK), также известная как дифференциальная 7t/4 4-PSK или π/4 DQPSK. Эта технология позволяет достичь скорости передачи данных 48,6 кбит/с с разносом каналов 30 кГц, что обеспечивает эффективность полосы пропускания 1,62 бит/с/Гц. Это значение на 20% лучше, чем у GSM. Основным недостатком этого типа линейного метода модуляции является неэффективность энергопотребления, что приводит к более тяжелому портативному устройству и, что еще более неудобно, к более короткому времени между подзарядками батареи.
Биты данных разговора составляют поле DATA. Шесть слотов составляют полный кадр IS-54. DATA в слотах 1 и 4, 2 и 5, а также 3 и 6 составляют голосовую цепь. DVCC означает цифровой цветовой код проверки, загадочный термин для уникального 8-битного кодового значения, назначаемого каждой ячейке. G означает защитное время, период между каждым временным слотом. RSVD означает зарезервировано. SYNC представляет синхронизацию, критическое поле данных TDMA. Каждый слот в каждом кадре должен быть синхронизирован со всеми остальными и главным тактовым генератором, чтобы все работало.
Временные интервалы для направления мобильный-база построены иначе, чем для направления база-мобильный. По сути, они несут ту же информацию, но организованы по-другому. Обратите внимание, что направление мобильный-база имеет 6-битное время рампы, чтобы дать время передатчика выйти на полную мощность, и 6-битную защитную полосу, в течение которой ничего не передается. Эти 12 дополнительных бит в направлении база-мобильный зарезервированы для будущего использования.
Как только поступает вызов, мобильный телефон переключается на другую пару частот; голосовой радиоканал, который системный оператор сделал аналоговым или цифровым. Эта пара переносит вызов. Если обнаружен сигнал IS-54, ему назначается цифровой канал трафика, если он доступен. Быстрый связанный канал или FACCH выполняет передачу во время вызова, при этом мобильному телефону не нужно возвращаться к каналу управления. В случае высокого уровня шума FACCH, встроенный в цифровой канал трафика, переопределяет голосовую нагрузку, ухудшая качество речи для передачи управляющей информации. Цель состоит в том, чтобы поддерживать соединение. Медленный связанный канал управления или SACCH не выполняет передачу, но передает такие данные, как информация об уровне сигнала, на базовую станцию.
Речевой кодер IS-54 использует технику, называемую кодированием с линейным предсказанием с векторным суммированием возбуждения (VSELP). Это особый тип речевого кодера в большом классе, известном как кодеры с линейным предсказанием с кодовым возбуждением (CELP). Скорость кодирования речи 7,95 кбит/с обеспечивает качество восстановленной речи, аналогичное качеству аналоговой системы AMPS с использованием частотной модуляции. Затем сигнал 7,95 кбит/с проходит через канальный кодер, который загружает битрейт до 13 кбит/с. Новый стандарт кодирования с половинной скоростью снижает общую битрейт для каждого вызова до 6,5 кбит/с и должен обеспечивать качество, сопоставимое со скоростью 13 кбит/с. Эта половинная скорость обеспечивает пропускную способность канала в шесть раз больше, чем у аналоговой AMPS.
Обсуждение системы связи будет неполным без объяснения примера системы. Объясняется двухрежимный сотовый телефон, как указано в стандарте IS-54. Двухрежимный телефон может работать в аналоговой ячейке или двухрежимной ячейке. И передатчик, и приемник поддерживают как аналоговые схемы FM, так и цифровые схемы временного разделения множественного доступа (TDMA). Цифровая передача предпочтительна, поэтому, когда сотовая система имеет цифровые возможности, мобильному устройству сначала назначается цифровой канал. Если цифровых каналов нет, сотовая система назначит аналоговый канал. Передатчик преобразует аудиосигнал в радиочастоту (РЧ), а приемник преобразует РЧ-сигнал в аудиосигнал. Антенна фокусирует и преобразует РЧ-энергию для приема и передачи в свободное пространство. Панель управления служит механизмом ввода/вывода для конечного пользователя; она поддерживает клавиатуру, дисплей, микрофон и динамик. Координатор синхронизирует функции передачи и приема мобильного устройства. Двухрежимный сотовый телефон состоит из следующих компонентов:
К 1993 году американская сотовая связь снова исчерпала емкость, несмотря на широкое движение к IS-54. Американский сотовый бизнес продолжал процветать. Количество абонентов выросло с полутора миллионов клиентов в 1988 году до более чем тринадцати миллионов абонентов в 1993 году. Было место для других технологий, чтобы удовлетворить растущий рынок. Технологии, которые последовали за IS-54, придерживались цифровой магистрали, заложенной им.
Были предприняты прагматичные усилия по улучшению IS-54, которые в конечном итоге добавили дополнительный канал в гибридную конструкцию IS-54. В отличие от IS-54, IS-136 использует временное мультиплексирование для передачи как голосовых, так и контрольных каналов. Цифровой контрольный канал обеспечивает покрытие жилых помещений и зданий, значительно увеличивает время ожидания батареи, несколько приложений для обмена сообщениями, активацию по воздуху и расширенные приложения для передачи данных. Системы IS-136 должны были поддерживать миллионы телефонов AMPS, большинство из которых были разработаны и изготовлены до того, как были рассмотрены IS-54 и IS-136. IS-136 добавил ряд функций к исходной спецификации IS-54, включая текстовые сообщения, данные с коммутацией каналов (CSD) и улучшенный протокол сжатия. Каналы трафика IS-136 TDMA используют модуляцию π/4-DQPSK со скоростью канала 24,3 килобод и обеспечивают эффективную скорость передачи данных 48,6 кбит/с в шести временных интервалах, составляющих один кадр в канале 30 кГц.
AT&T Mobility , крупнейший оператор США, поддерживающий D-AMPS (который он называет «TDMA»), отказался от своей существующей сети, чтобы освободить спектр для своих платформ GSM и UMTS на 19 беспроводных рынках, что началось 30 мая 2007 года, а в других областях последовало в июне и июле. Сеть TDMA на этих рынках работала на частоте 1900 МГц и не сосуществовала с сетью AMPS. Обслуживание на оставшихся рынках TDMA 850 МГц было прекращено вместе с обслуживанием AMPS 18 февраля 2008 года, за исключением областей, где обслуживание предоставлялось Dobson Communications . Сеть Dobson TDMA и AMPS была закрыта 1 марта 2008 года.
31 мая 2007 года компания Rogers Wireless вывела из эксплуатации свои сети D-AMPS и AMPS и перевела оставшихся клиентов этих старых сетей на свою сеть GSM.
Компания Alltel завершила отключение своих сетей D-AMPS и AMPS в сентябре 2008 года. Последним оператором в США, эксплуатировавшим сеть D-AMPS, был US Cellular , который отключил свою сеть D-AMPS 10 февраля 2009 года.