Введение
IS 54 и IS 136 – это системы мобильной связи второго поколения (2G), известные как Digital AMPS (D AMPS), и чаще всего именуемые TDMA, являющиеся дальнейшим развитием североамериканской мобильной системы 1G Advanced Mobile Phone System (AMPS). Они были широко распространены в Америке, особенно в США и Канаде, начиная с развертывания первой коммерческой сети в 1993 году. D AMPS считается технологией, вышедшей из эксплуатации, и существующие сети в основном заменены технологиями GSM/GPRS или CDMA2000. Название TDMA происходит от аббревиатуры для множественного доступа с разделением по времени, распространенной техники множественного доступа, используемой в большинстве стандартов 2G, включая GSM, а также в IS 54 и IS 136. D AMPS конкурировал с GSM и системами, основанными на кодовом разделении каналов (CDMA). D AMPS использовал существующие каналы AMPS и обеспечивал плавный переход между цифровыми и аналоговыми системами в одной и той же зоне. Пропускная способность была увеличена по сравнению с предыдущей аналоговой системой за счет разделения каждой пары каналов 30 кГц на три временных слота (отсюда и разделение по времени) и цифрового сжатия голосовых данных, что позволило утроить емкость сети в одной ячейке. Цифровая система также изначально повысила безопасность звонков, поскольку аналоговые сканеры не могли перехватывать цифровые сигналы. Звонки шифровались с использованием CMEA, который впоследствии оказался уязвимым. IS 136 добавил ряд функций к исходной спецификации IS 54, включая текстовые сообщения, коммутируемые каналы передачи данных (CSD) и улучшенный протокол сжатия. SMS и CSD были доступны в протоколе GSM, и IS 136 реализовал их практически идентичным образом. Крупные сети IS 136, такие как AT&T в США и Rogers Wireless в Канаде, модернизировали свои сети IS 136 до GSM/GPRS. Rogers Wireless вывела из эксплуатации все частоты 1900 МГц IS 136 в 2003 году и поступила аналогичным образом со своим спектром 800 МГц по причине выхода оборудования из строя. Rogers отключил свою сеть IS 136 (вместе с AMPS) 31 мая 2007 года. Вскоре после этого, в феврале 2008 года, AT&T прекратила работу сетей TDMA и AMPS. Alltel, которая в основном использовала технологию CDMA2000, но приобрела сеть TDMA у Western Wireless, закрыла свои сети TDMA и AMPS в сентябре 2008 года. US Cellular, которая в настоящее время также в основном использует технологию CDMA2000, закрыла свою сеть TDMA в феврале 2009 года. IS 54 – первая система мобильной связи, предусматривавшая функции безопасности, и первая, применившая технологию TDMA.
История
Эволюция мобильной связи началась в трех различных географических регионах: Северной Америке, Европе и Японии. Стандарты, используемые в этих регионах, были достаточно независимы друг от друга. Самые ранние мобильные или беспроводные технологии, реализованные, были полностью аналоговыми и известны как технологии первого поколения (1G). В Японии стандартами 1G были: Nippon Telegraph and Telephone (NTT) и высокопроизводительная версия (Hicap). Ранние системы, используемые в Европе, не были совместимы друг с другом, что означало отсутствие в то время единой точки зрения или технологического стандарта, характерного для будущего "Европейского Союза". Различные стандарты 1G, использовавшиеся в Европе, включали C Netz (в Германии и Австрии), Comviq (в Швеции), Nordic Mobile Telephones/450 (NMT450) и NMT900 (оба в скандинавских странах), NMT F (французская версия NMT900), TMA 450 (испанская версия NMT450), Radiocom 2000 (RC2000) (во Франции), TACS (Total Access Communication System) (в Соединенном Королевстве, Италии и Ирландии) и TMA 900 (испанская версия TACS). Североамериканские стандарты были Advanced Mobile Phone System (AMPS) и Narrow band AMPS (N AMPS). Из стандартов 1G наиболее успешной оказалась система AMPS. Несмотря на сотрудничество скандинавских стран, европейские инженерные усилия были разделены между различными стандартами, а японские стандарты не получили широкого распространения. Разработанный в Bell Labs в 1970-х годах и впервые коммерчески внедренный в США в 1983 году, AMPS работает в полосе 800 МГц в США и является наиболее распространенным аналоговым сотовым стандартом. (Полоса 1900 МГц, созданная в 1994 году, предназначена исключительно для цифровой связи.) Успех AMPS положил начало эпохе мобильной связи в Северной Америке. Рынок продемонстрировал растущий спрос, поскольку система обеспечивала более высокую емкость и мобильность, чем существующие на тот момент стандарты мобильной связи. Например, система Bell Labs в 1970-х годах могла одновременно обрабатывать всего 12 вызовов по всему Нью-Йорку. AMPS использовал метод множественного доступа с частотным разделением (FDMA), который позволял каждой базовой станции передавать на разных частотах, что давало возможность строить множество базовых станций в непосредственной близости друг от друга. Однако у AMPS было и множество недостатков. Прежде всего, система не могла удовлетворить постоянно растущий спрос на услуги мобильной связи. Каждая базовая станция не обладала достаточной емкостью для обработки большого количества вызовов. AMPS также имела слабую систему безопасности, позволявшую злоумышленникам красть серийный номер телефона для совершения незаконных звонков. Все это стимулировало поиск более совершенной системы. Результатом стал IS 54 – первый американский стандарт 2G. В марте 1990 года североамериканская сотовая сеть внедрила стандарт IS 54B, первый североамериканский цифровой сотовый стандарт с двумя режимами работы. Этот стандарт обошел Narrowband AMPS или N AMPS от Motorola – аналоговую схему, увеличивавшую емкость за счет уменьшения ширины голосовых каналов с 30 кГц до 10 кГц. IS 54, напротив, увеличил емкость цифровыми методами, используя протоколы TDMA. Этот метод разделяет вызовы по времени, размещая фрагменты отдельных разговоров на одной и той же частоте последовательно друг за другом. TDMA утроил емкость сети. С помощью IS 54 оператор сотовой связи мог преобразовать любые аналоговые голосовые каналы своей системы в цифровые. Двухрежимный телефон использует цифровые каналы, когда они доступны, и переключается на стандартный AMPS, когда цифровые каналы недоступны. IS 54 обеспечивал обратную совместимость с аналоговой сотовой связью и фактически сосуществовал на тех же радиоканалах, что и AMPS. Пользователи аналоговой связи не остались без внимания; они просто не могли получить доступ к новым функциям IS 54. IS 54 также поддерживал аутентификацию, что помогало предотвратить мошенничество.
Технические спецификации
IS 54 использует те же каналы с расстоянием между каналами 30 кГц и частотные полосы (824–849 и 869–894 МГц), что и AMPS. Пропускная способность была увеличена по сравнению с предыдущей аналоговой системой путем разделения каждой пары каналов 30 кГц на три временных слота и цифрового сжатия голосовых данных, что обеспечило утроение пропускной способности вызовов в одной ячейке. Цифровая система также повысила безопасность вызовов, поскольку аналоговые сканеры не могли перехватывать цифровые сигналы. Стандарт IS 54 определяет 84 каналов управления, 42 из которых совместно используются с AMPS. Для обеспечения совместимости с существующей системой сотовой связи AMPS, основные каналы управления прямой и обратной связи в сотовых системах IS 54 используют те же методы сигнализации и схему модуляции (бинарный FSK), что и AMPS. Инфраструктура AMPS/IS 54 может поддерживать использование как аналоговых телефонов AMPS, так и телефонов D-AMPS. Метод доступа, используемый в IS 54, – это множественный доступ с временным разделением каналов (TDMA), который стал первым разработанным цифровым стандартом в США. Он был принят TIA в 1992 году. TDMA разделяет каждый из 30 кГц каналов AMPS на три канала TDMA с полной скоростью передачи данных, каждый из которых способен поддерживать один голосовой вызов. Впоследствии каждый из этих каналов с полной скоростью был дополнительно разделен на два канала с половинной скоростью передачи данных, каждый из которых, при использовании необходимого кодирования и сжатия, также мог поддерживать голосовой вызов. Таким образом, TDMA может обеспечить в три-шесть раз большую пропускную способность каналов трафика AMPS. TDMA был изначально определен в стандарте IS 54 и теперь специфицируется в серии IS 13x от EIA/TIA. Скорость передачи битов канала для цифровой модуляции несущей составляет 48,6 кбит/с. Каждый кадр содержит шесть временных слотов длительностью 6,67 мс. Каждый временной слот несет 324 бита информации, из которых 260 битов предназначены для трафика данных с полной скоростью 13 кбит/с. Оставшиеся 64 бита – служебная информация; 28 из них используются для синхронизации и содержат определенную последовательность битов, известную всем приемникам для установления выравнивания кадров. Как и в GSM, известная последовательность служит обучающим шаблоном для инициализации адаптивного эквалайзера. Система IS 54 имеет различные последовательности синхронизации для каждого из шести временных слотов, составляющих кадр, что позволяет каждому приемнику синхронизироваться со своими предварительно назначенными временными слотами. Дополнительные 12 бит в каждом временном слоте предназначены для SACCH (т.е. информации о системном управлении). Цветовой код цифровой проверки (DVCC) эквивалентен тону супервизии, используемому в системе AMPS. Существует 256 различных 8-битовых цветовых кодов, защищенных кодом Хэмминга (12, 8, 3). Каждая базовая станция имеет свой собственный цветовой код, поэтому любые входящие интерференционные сигналы от удаленных ячеек могут быть проигнорированы. Схема модуляции для IS 54 – это дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция 7C/4 (DQPSK), также известная как дифференциальная 7t/4 4 PSK или π/4 DQPSK. Эта техника позволяет достичь скорости передачи данных 48,6 кбит/с при расстоянии между каналами 30 кГц, обеспечивая эффективность использования полосы пропускания 1,62 бит/с/Гц. Это значение на 20% выше, чем у GSM. Основным недостатком этого типа линейного метода модуляции является низкая энергоэффективность, что приводит к увеличению веса портативного устройства и, что еще более неудобно, к сокращению времени между подзарядками аккумулятора.
Обработка вызовов
Биты данных разговора составляют поле DATA. Шесть слотов формируют полный кадр IS 54. DATA в слотах 1 и 4, 2 и 5, и 3 и 6 образуют голосовой канал. DVCC расшифровывается как цифровой код цветовой верификации, эзотерический термин для уникального 8-битного кода, присвоенного каждой ячейке. G обозначает время защиты, период между каждым временным слотом. RSVD – сокращение от "зарезервировано". SYNC представляет собой синхронизацию, критически важное поле данных TDMA. Каждый слот в каждом кадре должен быть синхронизирован со всеми остальными и с главным тактовым генератором для обеспечения работоспособности системы. Временные слоты для направления от мобильного устройства к базовой станции организованы иначе, чем для направления от базовой станции к мобильному устройству. По сути, они несут одну и ту же информацию, но расположены по-разному. Обратите внимание, что направление от мобильного устройства к базовой станции имеет 6-битное время разгона для обеспечения выхода передатчика на полную мощность, а также 6-битную защитную полосу, в течение которой передача не осуществляется. Эти 12 дополнительных битов в направлении от базовой станции к мобильному устройству зарезервированы для будущего использования. Когда поступает вызов, мобильное устройство переключается на другую пару частот – голосовой радиоканал, который оператор системы сделал аналоговым или цифровым. Эта пара обеспечивает связь во время вызова. Если обнаружен сигнал IS 54, ему назначается цифровой канал трафика, если он доступен. Быстрый ассоциированный канал (FACCH) выполняет передачу во время вызова, без необходимости возврата мобильного устройства на канал управления. В случае высокого уровня шума, FACCH, встроенный в цифровой канал трафика, переопределяет полезную нагрузку голоса, ухудшая качество речи для передачи управляющей информации. Цель – поддержание связи. Медленный ассоциированный канал управления (SACCH) не выполняет передачу, но передает информацию о силе сигнала на базовую станцию. Кодировщик речи IS 54 использует метод, называемый кодированием с помощью векторной суммы возбужденного линейного предсказания (VSELP). Это особый тип кодировщика речи, относящийся к большому классу кодировщиков линейного предсказания с кодовым возбуждением (CELP). Скорость кодирования речи 7,95 кбит/с обеспечивает восстановленное качество речи, сопоставимое с качеством аналоговой системы AMPS, использующей частотную модуляцию. Сигнал 7,95 кбит/с затем проходит через кодировщик канала, который увеличивает битовую скорость до 13 кбит/с. Новый стандарт половинной скорости кодирования снижает общую скорость передачи данных для каждого вызова до 6,5 кбит/с и должен обеспечивать сопоставимое качество со скоростью 13 кбит/с. Эта половинная скорость обеспечивает емкость канала в шесть раз больше, чем у аналоговой системы AMPS.
Технологии преемников
К 1993 году американские сети сотовой связи снова испытывали нехватку емкости, несмотря на широкое внедрение стандарта IS-54. Американский рынок сотовой связи продолжал стремительно развиваться. Количество абонентов выросло с полутора миллионов в 1988 году до более чем тринадцати миллионов в 1993 году. Появлялись возможности для других технологий, чтобы удовлетворить растущий спрос. Технологии, появившиеся после IS-54, использовали созданную им цифровую инфраструктуру.
ИС-136
Были предприняты практические усилия по улучшению IS 54, которые в конечном итоге добавили дополнительный канал к гибридной схеме IS 54. В отличие от IS 54, IS 136 использует мультиплексирование с разделением по времени как для передачи голосовых, так и управляющих каналов. Цифровой управляющий канал обеспечивал покрытие в жилых помещениях и внутри зданий, значительно увеличил время автономной работы батареи, поддержку различных приложений для обмена сообщениями, активацию по беспроводной связи и расширенные возможности передачи данных. Системы IS 136 должны были поддерживать миллионы телефонов AMPS, большинство из которых были разработаны и произведены до того, как IS 54 и IS 136 были приняты во внимание. IS 136 добавил ряд функций к исходной спецификации IS 54, включая текстовые сообщения, передачу данных по коммутируемым каналам (CSD) и улучшенный протокол сжатия. Трафик-каналы IS 136 TDMA используют модуляцию π/4 DQPSK со скоростью передачи 24,3 килобода и обеспечивают эффективную скорость передачи данных 48,6 кбит/с в шести временных слотах, составляющих один кадр в канале шириной 30 кГц.
Закат для D-AMPS в США и Канаде
AT&T Mobility, крупнейший американский оператор, поддерживающий D-AMPS (который он называет "TDMA"), отключил свою существующую сеть, чтобы освободить спектр для своих платформ GSM и UMTS на 19 рынках беспроводной связи, начиная с 30 мая 2007 года, с последующим расширением на июнь и июль. Сеть TDMA в этих регионах работала на частоте 1900 МГц и не функционировала совместно с сетью AMPS. Обслуживание на оставшихся рынках TDMA на частоте 850 МГц было прекращено вместе с обслуживанием AMPS 18 февраля 2008 года, за исключением районов, где услуги предоставляла компания Dobson Communications. Сеть TDMA и AMPS компании Dobson была закрыта 1 марта 2008 года. 31 мая 2007 года Rogers Wireless вывела из эксплуатации свои сети D-AMPS и AMPS, переведя оставшихся абонентов этих устаревших сетей в свою сеть GSM. Alltel завершила отключение своих сетей D-AMPS и AMPS в сентябре 2008 года. Последним оператором в Соединенных Штатах, эксплуатировавшим сеть D-AMPS, была U.S. Cellular, которая прекратила работу своей сети D-AMPS 10 февраля 2009 года.