Кіріспе
IS 54 және IS 136 – екінші буын (2G) ұялы телефон жүйелері, Digital AMPS (D AMPS) деп аталады және көбінесе TDMA деп танылады. Олар Солтүстік Американың 1G ұялы жүйесі Advanced Mobile Phone System (AMPS) негізінде дамыған. Бұл жүйелер Америкада, әсіресе АҚШ және Канадада кең таралған, себебі алғашқы коммерциялық желі 1993 жылы іске қосылды. D AMPS қазір қолданыстан шығарылды, ал бар желілер көбінесе GSM/GPRS немесе CDMA2000 технологияларымен алмастырылды. TDMA атауы уақытты бөліп берумен көптеген қол жеткізулер (time division multiple access) деген аббревиатураға негізделген. Бұл әдіс көптеген 2G стандарттарында, соның ішінде GSM, IS 54 және IS 136-да қолданылады. D AMPS GSM және кодты бөліп беруге (CDMA) негізделген жүйелермен бәсекелесті. D AMPS қолданыстағы AMPS арналарын пайдаланады және бір аймақта цифрлық және аналогтық жүйелер арасында оңай өтуге мүмкіндік береді. Сыйымдылық алдыңғы аналогтық жүйеге қарағанда артты, себебі әр 30 кГц арна жұбы үш уақыт тіліміне (time slot) бөлінді (сондықтан уақытты бөліп беру) және дауыс деректері цифрлық түрде сығылды, нәтижесінде бір жасушадағы қоңырау саны үш есеге артты. Цифрлық жүйе бастапқыда қоңырауларды аналогтық сканерлердің цифрлық сигналдарға қол жеткізе алмауына байланысты қауіпсіз етті. Қоңыраулар CMEA шифрімен қорғалды, бірақ кейін ол әлсіз екені анықталды. IS 136 бастапқы IS 54 сипаттамасына мәтіндік хабарламалар, тізбектік деректерді беру (CSD) және жақсартылған сығылу протоколы сияқты бірнеше мүмкіндіктер қосты. SMS және CSD GSM протоколының бөлігі болды, ал IS 136 оларды шамамен бірдей әдіспен жүзеге асырды. Бұрынғы ірі IS 136 желілері, соның ішінде АҚШ-тағы AT&T және Канададағы Rogers Wireless, қолданыстағы IS 136 желілерін GSM/GPRS-ке жаңартты. Rogers Wireless 2003 жылы 1900 МГц жиілігіндегі IS 136 желісін тоқтатты, сондай-ақ 800 МГц спектрін де жабдықтардың істен шығуына байланысты тоқтатты. Rogers Wireless IS 136 желісін (AMPS-пен бірге) 2007 жылдың 31 мамырында өшірді. AT&T 2008 жылдың ақпанында одан кейін TDMA және AMPS желілерін де тоқтатты. Alltel, негізінен CDMA2000 технологиясын қолданған, бірақ Western Wireless компаниясынан TDMA желісін сатып алған, 2008 жылдың қыркүйегінде TDMA және AMPS желілерін жапты. US Cellular, қазір негізінен CDMA2000 технологиясын қолданады, 2009 жылдың ақпанында TDMA желісін тоқтатты. IS 54 – қауіпсіздік мүмкіндігі бар және TDMA технологиясын қолданған алғашқы ұялы байланыс жүйесі.
Тарих
Мобильді байланыс үш географиялық аймақта – Солтүстік Америкада, Еуропада және Жапонияда қалыптасты. Бұл аймақтарда қолданылған стандарттар бір-бірінен тәуелсіз болды. Ең алғашқы мобильді немесе сымсыз технологиялар толығымен аналогтық болды және олар 1-ші буын (1G) технологиялары деп белгіленді. Жапонияда 1G стандарттары: Nippon Telegraph and Telephone (NTT) және оның жоғары сыйымды нұсқасы (Hicap). Еуропа бойынша қолданылған алғашқы жүйелер бір-бірімен үйлесімсіз болды, сол кезде ортақ «Еуропалық Одақ» көзқарасының немесе технологиялық стандартының идеясы болған жоқ. Еуропада қолданылған әртүрлі 1G стандарттарына C Netz (Германия мен Австрияда), Comviq (Швецияда), Nordic Mobile Telephones/450 (NMT450) және NMT900 (Скандинавия елдерінде), NMT F (NMT900 француздық нұсқасы), TMA 450 (NMT450 испандық нұсқасы), Radiocom 2000 (RC2000) (Францияда), TACS (Total Access Communication System) (Ұлыбританияда, Италияда және Ирландияда) және TMA 900 (TACS испандық нұсқасы) кірді. Солтүстік Америка стандарттары – Advanced Mobile Phone System (AMPS) және Narrow band AMPS (N AMPS) болды. 1G стандарттарының ішінде ең табыстысы AMPS жүйесі еді. Скандинавия елдерінің ынтымақтастығына қарамастан, еуропалық инженерлік күш-жігер әртүрлі стандарттар арасында бөлінді, ал жапондық стандарттарға көп көңіл бөлген жоқ. 1970 жылдары Bell Labs әзірлеген және 1983 жылы АҚШ-та алғаш рет коммерциялық түрде қолданылған AMPS, АҚШ-та 800 МГц жиілік диапазонында жұмыс істейді және ең көп таралған аналогтық ұялы байланыс стандарты болып табылады. (1994 жылы құрылған 1900 МГц PCS диапазоны тек цифрлық режимде жұмыс істейді.) AMPS-тің табысы Солтүстік Америкада мобильді байланыс дәуірін бастады. Нарықта сұраныс артты, себебі оның сыйымдылығы мен жылдамдығы сол кездегі мобильді байланыс стандарттарынан жоғары болды. Мысалы, 1970 жылдары Bell Labs жүйесі Нью-Йорк қаласының барлық аймағында бір уақытта 12 ғана қоңырауды қабылдай алды. AMPS жиілік бөлудің көптеген қатынасын (FDMA) қолданды, бұл әрбір ұялы станцияға әртүрлі жиіліктерде хабар таратуға мүмкіндік берді, соның арқасында ұялы станцияларды бір-біріне жақын орнатуға болады. AMPS-тің кемшіліктері де болды. Ең бастысы, ол мобильді байланысқа қатысты үнемі өсіп келе жатқан сұранысты қанағаттандыра алмады. Әрбір ұялы станцияның қоңырауларды қабылдау сыйымдылығы шектеулі болды. AMPS-тің қауіпсіздік жүйесі де нашар болды, бұл телефонның сериялық нөмірін ұрлап, оны заңсыз қоңыраулар жасау үшін пайдалануға мүмкіндік берді. Осы мәселелер тиімді жүйе іздеуге себеп болды. Осы ізденістің нәтижесінде IS 54 пайда болды, ол алғашқы американдық 2G стандарты еді. 1990 жылдың наурыз айында Солтүстік Американың ұялы байланыс желісі IS 54B стандартын енгізді, бұл Солтүстік Американың алғашқы екі режимді цифрлық ұялы байланыс стандарты болды. Бұл стандарт Motorola-ның Narrowband AMPS немесе N AMPS-ін басып озды, бұл аналогтық схема дауыс арналарын 30 кГц-тан 10 кГц-қа дейін қысқарту арқылы сыйымдылықты арттырды. IS 54 керісінше, TDMA протоколдарын пайдалана отырып, цифрлық тәсілмен сыйымдылықты арттырды. Бұл әдіс уақыт бойынша қоңырауларды бөліп, жеке әңгімелердің бөліктерін бір жиілікте бірінен кейін бірі орналастырады. TDMA қоңыраулардың сыйымдылығын үш есеге арттырды. IS 54-ті пайдалану арқылы ұялы байланыс операторы жүйесінің кез келген аналогты дауыс арнасын цифрлық арнаға айналдыра алады. Екі режимді телефон қол жетімді болған жағдайда цифрлық арналарды пайдаланады, ал олар болмаған жағдайда әдеттегі AMPS-ке ауысады. IS 54 аналогтық ұялы байланыспен кері үйлесімді болды және AMPS сияқты радио арналарда бірге жұмыс істеді. Анологиялық абоненттерге ешқандай өзгеріс енгізілмеді, олар жаңа IS 54 мүмкіндіктерін пайдалана алмады. IS 54 сонымен қатар алаяқтыққа қарсы күресуге көмектесетін аутентификацияны қолдайды.
Технологиялық ерекшеліктер
IS 54 AMPS сияқты 30 кГц арна арақашықтығы мен жиілік жолақтарын (824–849 және 869–894 МГц) пайдаланады. Сыйымдылығы алдыңғы аналогтық жүйеге қарағанда, әр 30 кГц арна жұбын үш уақыт тіліміне бөлу және дауыстық деректерді цифрлық түрде сығып, бір ұяшықтағы қоңыраулардың сыйымдылығын үш есеге арттыру арқылы жоғарылатылды. Цифрлық жүйе қоңырауларды қорғалған етті, себебі аналогтық сканерлер цифрлық сигналдарға қол жеткізе алмады. IS 54 стандарты 84 басқару арнасын белгілейді, олардың 42-сі AMPS-пен ортақ. Қолданыстағы AMPS ұялы телефон жүйесімен үйлесімділікті сақтау үшін IS 54 ұялы жүйелеріндегі негізгі алға және кері басқару арналары AMPS сияқты бірдей сигналдау техникасын және модуляция схемасын (бинарлық FSK) қолданады. AMPS/IS 54 инфрақұрылымы аналогты AMPS телефондарын немесе D-AMPS телефондарын қолдауға мүмкіндік береді. IS 54 үшін қолданылатын қол жеткізу әдісі – уақыт бөлісімен көптеген қол жеткізу (TDMA), ол АҚШ-тағы алғашқы цифрлық стандарт болды. Ол 1992 жылы TIA ұйымы қабылдады. TDMA 30 кГц AMPS арналарының әрқайсысын үш толық жылдамдықты TDMA арнасына бөледі, олардың әрқайсысы бір дауыстық қоңырауды қолдауға қабілетті. Кейіннен осы толық жылдамдықты арналардың әрқайсысы екі жартылай жылдамдықты арнаға бөлінді, олардың әрқайсысы қажетті кодтау және сығымдау арқылы дауыстық қоңырауды қолдай алады. Осылайша, TDMA AMPS трафик арналарының сыйымдылығын үштен алты есеге дейін арттыра алады. TDMA бастапқыда IS 54 стандартында анықталды және қазір EIA/TIA ұйымының IS 13x сериялы спецификацияларында көрсетілген. Цифрлық модуляциялау үшін арнаның биттік жылдамдығы 48,6 кбит/с құрайды. Әрбір кадрда 6,67 мс ұзақтықтағы алты уақыт тілімі бар. Әрбір уақыт тілімі 324 бит ақпаратты қамтиды, оның 260 биті 13 кбит/с толық жылдамдықты трафик деректері үшін арналған. Қалған 64 бит – қосымша ақпарат; олардың 28-і синхрондау үшін, ал олардың ішінде барлық қабылдағыштарға белгілі бір биттік тізбек бар, ол кадрларды сәйкестендіруді орнатуға арналған. Сондай-ақ, GSM-дегідей, белгілі тізбек адаптивті теңестіргішті бастау үшін оқу үлгісі ретінде қолданылады. IS 54 жүйесінде кадрды құрайтын алты уақыт тілімі үшін әртүрлі синхрондау тізбектері бар, осылайша әрбір қабылдағышқа алдын ала тағайындалған уақыт тілімдеріне синхрондауға мүмкіндік береді. Әрбір уақыт тілімінде қосымша 12 бит SACCH үшін (яғни жүйелік басқару ақпараты) қарастырылған. Цифрлық тексеру түсті коды (DVCC) AMPS жүйесінде қолданылатын қадағалау аудио тонына балама болып табылады. 256 түрлі 8 биттік түсті кодтар бар, олар (12, 8, 3) Хамминг кодымен қорғалған. Әрбір базалық станцияның алдын ала тағайындалған түсті коды бар, сондықтан алыс ұяшықтардан келетін кедергі сигналдарын елеуге болмайды. IS 54 модуляция схемасы 7C/4 дифференциалдық төртінші фазалық ауысу (DQPSK), басқаша айтқанда дифференциалдық 7t/4 4 PSK немесе π/4 DQPSK. Бұл техника 30 кГц арна аралығы бар 48,6 кбит/с биттік жылдамдықты қамтамасыз етеді, бұл 1,62 бит/с/Гц жолақты тиімділігіне тең. Бұл көрсеткіш GSM-нен 20% жоғары. Бұл типтегі сызықтық модуляция әдісінің басты кемшілігі – қуаттың тиімсіздігі, ол ауыр қолмен тасымалданатын құрылға және одан да ыңғайсыз, батареяны қайта зарядтау арасындағы уақыттың қысқаруына әкеледі.
Шақыруларды өңдеу
Әңгімелесу деректерінің биттері DATA өрісін құрайды. IS 54 толық кадрын құрайтын алты слот бар. DATA 1 және 4, 2 және 5, 3 және 6 слоттары дауыстық тізбекті құрайды. DVCC – бұл сандық тексеру түс коды, әрбір ұяшыққа тағайындалған бірегей 8 биттік код мәні үшін қолданылатын арнайы терминология. G – күзет уақыты, әрбір уақыт слоты арасындағы кезең. RSVD – резервтелген дегенді білдіреді. SYNC – синхрондауды білдіреді, бұл маңызды TDMA деректер өрісі. Барлық жұмыс істеуі үшін әрбір кадрдағы әрбір слот басқаларымен және бас сағатпен синхрондалуы керек. Ұялы телефоннан базалық станцияға және кері бағыттағы уақыт слоттары әртүрлі құрылымға ие. Олар негізінен бірдей ақпаратты тасымалдайды, бірақ әртүрлі орналастырылған. Ұялы телефоннан базалық станцияға бағыттағы слоттың, оның трансляторы толық қуатқа жетуі үшін 6 биттік рампа уақыты және ештеңе берілмейтін 6 биттік күзеттік жолағы бар екенін ескеріңіз. Базалық станциядан ұялы телефонға бағыттағы осы 12 қосымша бит болашақта пайдалану үшін резервтелген. Қоңырау келген кезде ұялы телефон әртүрлі жиілік жұптарына ауысады; жүйе операторы аналогты немесе цифрлық етіп жасаған дауыс радиоарнасы. Осы жұп қоңырауды тасымалдайды. Егер IS 54 сигналы анықталса, ол қол жетімді болса, оған цифрлық трафик арнасы тағайындалады. Жедел байланыс арнасы (FACCH) қоңырау кезінде мобильді басқару арнасына оралу қажеттілігінсіз тапсыруды жүзеге асырады. Қатты шу болған жағдайда, цифрлық трафик арнасына енгізілген FACCH басқару ақпаратын жеткізу үшін дауыс жүктемесін жояды, сөйлеу сапасын нашарлатады. Мақсаты – байланысты сақтау. Баяу байланыс басқару арнасы (SACCH) тапсыруды жүзеге асырмайды, бірақ базалық станцияға сигнал күші туралы ақпаратты жеткізеді. IS 54 сөйлеу кодегі векторлық қосындымен қозған сызықтық болжау (VSELP) коделеуі деп аталатын әдісті қолданады. Бұл кодты қозғайтын сызықтық болжау (CELP) кодектері деп белгілі үлкен кластағы сөйлеу кодегінің ерекше түрі. 7,95 кбит/с сөйлеу коделеу жылдамдығы жиілікті модуляциялау арқылы аналогты AMPS жүйесімен салыстырылатын қайта құрылған сөйлеу сапасына жетеді. 7,95 кбит/с сигналы содан кейін 13 кбит/с дейін биттік жылдамдықты арттыратын арна кодегі арқылы өтеді. Жаңа жарты жылдамдық коделеу стандарты әрбір қоңырау үшін жалпы биттік жылдамдықты 6,5 кбит/с дейін төмендетеді және 13 кбит/с жылдамдықпен салыстырылатын сапаны қамтамасыз етуі керек. Бұл жарты жылдамдық аналогты AMPS-ке қарағанда канал сыйымдылығын алты есеге арттырады.
Келесі технологиялар
1993 жылға қарай америкалық ұялы байланыс IS 54-ке кең ауысқанына қарамастан, сыйымдылығы тағы да жетіспей бастады. Американың ұялы байланыс бизнесі дамып келе берді. 1988 жылы бір жарым миллион абонент болса, 1993 жылы он үш миллионнан астам абонентке жетті. Нарық өсіп келе жатқандықтан, басқа технологияларға да орын болды. IS 54-тен кейін пайда болған технологиялар оның құрған цифрлық негізін пайдаланды.
IS-136
IS 54-ті жақсартуға бағытталған нақты күш-жігер жұмсалды, нәтижесінде IS 54 гибридтік дизайнына қосымша арна енгізілді. IS 54-тен өзгеше, IS 136 дауыс және басқару арналарын тарату үшін уақытты бөліп мультиплекстеуді пайдаланады. Цифрлық басқару арнасы тұрғын үйлер мен ғимараттарда жабылуды қамтамасыз етеді, батареяның күту режиміндегі уақытын едәуір ұзартады, түрлі хабар алмасу қолданбаларын, сыртқы ортада қосуды және кеңейтілген деректер қолданбаларын қолдайды. IS 136 жүйелері миллиондаған AMPS телефондарын қолдауға мұқтаж болды, олардың көпшілігі IS 54 және IS 136 ескерілмес бұрын жобаланып, өндірілген. IS 136 бастапқы IS 54 сипаттамасына бірнеше мүмкіндіктер қосты, оның ішінде мәтіндік хабарламалар, тізбектік коммутациялы деректер (CSD) және жақсартылған сығылу протоколы. IS 136 TDMA трафик арналары 24,3 килобауд арна жылдамдығында π/4 DQPSK модуляциясын қолданады және 30 кГц арнасындағы бір кадрды құрайтын алты уақыт тілімі арқылы тиімді 48,6 кбит/с дерек жылдамдығын қамтамасыз етеді.
АҚШ пен Канададағы D-AMPS үшін күн бату
AT&T Mobility, D AMPS-ті қолдауға арналған ең ірі АҚШ операторы (оны "TDMA" деп атайды), 19 сымсыз нарықтағы GSM және UMTS платформаларына спектрді босату мақсатында қолданыстағы желісінен бас тартты, бұл 2007 жылдың 30 мамырында басталды, ал маусым және шілде айларында басқа да аймақтарда жалғасты. Бұл нарықтардағы TDMA желісі 1900 МГц жиілігінде жұмыс істеді және AMPS желісімен бірге жұмыс істемеді. Қалған 850 МГц TDMA нарықтарындағы қызмет көрсету 2008 жылдың 18 ақпанында AMPS қызметімен бірге тоқтатылды, бірақ Dobson Communications қызмет көрсететін аймақтарда бұл шара қолданылмады. Dobson TDMA және AMPS желісі 2008 жылдың 1 наурызында жабылды. 2007 жылдың 31 мамырында Rogers Wireless өзінің D AMPS және AMPS желілерін тоқтатты және осы ескі желілердегі қалған клиенттерді GSM желісіне көшірді. Alltel компаниясы D AMPS және AMPS желілерін 2008 жылдың қыркүйегінде тоқтатты. АҚШ-та D AMPS желісін пайдаланған соңғы оператор – U.S. Cellular, ол D AMPS желісін 2009 жылдың 10 ақпанында тоқтатты.