Улучшенная подвижная телефонная служба (IMTS): Ранний стандарт мобильной связи.

Введение

Улучшенная мобильная телефонная служба (IMTS) была доклеточной системой радиосвязи VHF/UHF, подключенной к общественной телефонной сети. IMTS являлся радиотелефонным аналогом обычной стационарной телефонной связи. Внедренная в 1964 году, она заменила мобильную телефонную службу (MTS) и превзошла большинство систем MTS, обеспечивая прямой набор номера вместо соединения через живого оператора, а также полнодуплексную связь, позволяющую обеим сторонам говорить одновременно.

Техническая информация

Оригинальная система мобильной связи Bell System в США и Канаде включала три полосы частот: VHF Low (35–44 МГц, 9 каналов), VHF High (152–158 МГц, 11 каналов в США, 13 каналов в Канаде) и UHF (454–460 МГц, 12 каналов). Альтернативными названиями были "Low Band", "High band" и "UHF". Помимо каналов системы Bell (проводной оператор связи), еще 7 каналов в диапазоне VHF и 12 каналов в диапазоне UHF были выделены непроводным компаниям, обозначенным как "RCC" (Radio Common Carriers – операторы радиосвязи общего пользования). Каналы RCC были смежными с частотами системы Bell. RCC также имели право предоставлять услуги пейджинга "биперам" или "пейджерам" в качестве вторичной услуги на тех же каналах, но с ростом популярности пейджинга приоритет услуг мобильной связи RCC снизился. Некоторые RCC использовали технологию IMTS, но большинство перешли на систему "Secode 2805", которая позволяла одновременный пейджинг, поэтому через несколько лет основными поставщиками услуг мобильной связи стали компании Bell System. Один поставщик мог предлагать услуги в одном, двух или всех трех диапазонах, хотя IMTS никогда не предлагался в низком диапазоне (только MTS, но компания Whidbey Telephone в штате Вашингтон разработала собственную систему прямого набора). Эти системы были подвержены перегрузкам и помехам, поскольку радиостанция, расположенная ближе к терминалу, могла захватить канал из-за более сильного сигнала. Сети сотовой связи решили эту проблему, уменьшив зону покрытия одной базовой станции ("ячейки") и увеличив количество ячеек. Недостатком этого является необходимость в большем количестве базовых станций для покрытия заданной территории. Таким образом, системы IMTS и MTS все еще существуют в некоторых отдаленных районах, поскольку это может быть единственным экономически целесообразным способом покрытия большой малонаселенной территории. Работа IMTS была очень продвинутой для своего времени, учитывая, что интегральные схемы были еще не широко доступны. Наиболее распространенный телефон IMTS, серия Motorola TLD 1100, использовал две печатные платы размером около 8 дюймов для сканирования каналов и декодирования цифр, а вся логика выполнялась на дискретных транзисторах. В городе один канал базовой станции IMTS был обозначен как свободный путем передачи постоянного тона частотой 2000 Гц. Мобильные устройства сканировали доступные частоты и фиксировались на канале, передающем сигнал свободного канала. Когда вызов поступал на мобильное устройство, тон свободного канала изменялся на 1800 Гц "захват канала" (тон свободного канала мог появляться на другой частоте, если она была доступна), а 7-значный номер мобильного телефона (три цифры кода зоны и последние четыре цифры номера абонента, код NXX не передавался) отправлялся в виде импульсов вращающегося диска, переключаясь между 2000 и 1800 Гц для представления цифр. Любое мобильное устройство, распознававшее, что вызов предназначен не для него, возобновляло сканирование сигнала свободного канала, а вызванное мобильное устройство передавало обратно на базовую станцию "охранный" тон частотой 2150 Гц. Это также инициировало звонок на мобильном устройстве, и когда абонент поднимал трубку, на базовую станцию отправлялся тон "соединение" частотой 1633 Гц, подтверждающий ответ и устанавливающий голосовой канал. Когда мобильное устройство завершало вызов, отправлялся пакет чередующихся тонов "отключение" частотой 1336 Гц и "захват канала" частотой 1800 Гц, чтобы базовая станция могла обработать другой вызов. Мобильные устройства инициировали вызовы, отправляя пакет тона "соединение", на который базовая станция отвечала пакетом тона "захват канала". Мобильное устройство затем отправляло свой идентификатор, состоящий из кода зоны и последних четырех цифр номера телефона, со скоростью 20 импульсов в секунду, как при входящем наборе, но с добавлением простой проверки четности. Цифры формировались импульсным потоком чередующихся тонов: "соединение" и тишина (для нечетных цифр) или "соединение" и "охрана" (для четных цифр). Когда базовая станция получала идентификатор вызывающей стороны, она отправляла сигнал набора на мобильное устройство. Затем пользователь использовал вращающийся диск, который отправлял набранные цифры в виде чередующегося импульсного потока частотой 10 импульсов в секунду (первоначально формировался непосредственно вращающимся диском) тонов "соединение" и "охрана".

The original Bell System US and Canadian mobile telephone system includes three frequency bands, VHF Low (35 44 MHz, 9 channels), VHF High (152 158 MHz, 11 channels in the U. S., 13 channels in Canada), and UHF (454 460 MHz, 12 channels). Alternative names were "Low Band", "High band" and "UHF". In addition to the Bell system (wireline incumbent) channels, another 7 channels at VHF, and 12 channels at UHF were granted to non wireline companies designated as "RCCs" (Radio Common Carriers). These RCC channels were adjacent to the Bell System frequencies. RCCs were also allowed to offer paging services to "beepers" or "pagers" on a secondary basis on the same channels, but soon, with the growth of paging, RCC mobile phone services were given lower priority. Some RCCs utilized IMTS technology, but most adopted the "Secode 2805" system which allowed for simultaneous paging, so after a few years, the predominant provider of mobile telephone service was the Bell System companies. A given provider might have offered service on one, two, or all three bands, although IMTS was never offered on low band (only MTS, but Whidbey Telephone in Washington State had a custom designed direct dial system.) These were prone to network congestion and interference since a radio closer to the terminal would sometimes take over the channel because of its stronger signal. Cellular networks remedied this problem by decreasing the area covered by one tower (a "cell") and increasing the number of cells. The disadvantage of this is more towers are required to cover a given area. Thus, IMTS and MTS systems still exist in some remote areas, as it may be the only feasible way to cover a large sparsely populated area. The basic operation of IMTS was very advanced for its time, considering that integrated circuits were not commonly available. The most common IMTS phone, the Motorola TLD 1100 series, used two circuit boards about 8 inches square, to perform the channel scanning and digit decoding process, and all logic was performed with discrete transistors. In a given city, one IMTS base station channel was "marked idle" by the transmission of a steady 2000 Hz "idle" tone. Mobiles would scan the available frequencies and lock on to the channel transmitting the idle tone. When a call was placed to a mobile, the idle tone would change to 1800 Hz "channel seize" tone (the idle tone would appear on another frequency, if available), and the 7 digit mobile number (three digits of the NPA and the last four digits of subscriber number, the NXX was not sent) would be sent out as rotary dial pulses, switching between 2000 and 1800 Hz to represent digits. Any mobile recognizing that the call was for someone else would resume scanning for mark idle tone, while the called mobile would then transmit 2150 Hz "guard" tone back to the base station. This would also initiate ringing at the mobile, and when the mobile subscriber picked up the phone, 1633 Hz "connect" tone would be sent back to the base station to indicate answer supervision and the voice path would be cut through. When the mobile hung up, a burst of alternating 1336 "disconnect" and 1800 Hz "seize" tones would be sent to allow the base station to service another call. Mobiles would originate calls by sending a burst of connect tone, to which the base station responded with a burst of seize tone. The mobile would then respond with its identification, consisting of its area code and last four digits of the phone number sent at 20 pulses per second, just as in inward dialing but with the addition of rudimentary parity checking. Digits are formed with a pulsetrain of alternating tones, either connect and silence (for odd digits) or connect and guard (for even digits). When the base station received the calling party's identification, it would send dialtone to the mobile. The user would then use the rotary dial, which would send the dialed digits as an alternating 10 pps pulse train (originally, directly formed by the rotary dial) of connect and guard tones.

Терминал

IMTS-системы обычно имели мощность передатчика 25 Вт на мобильной станции и 100–250 Вт на базовой станции — в отличие от более новых сотовых автомобильных телефонов с максимальной выходной мощностью 3 Вт и современных сотовых телефонов с мощностью 0,6 Вт. Мобильные установки обычно состояли из "головного устройства" или телефонной трубки, которая размещалась в колыбели с клавиатурой прямого набора. Они выглядели и функционировали аналогично обычному проводному телефону. В отличие от сотовых телефонов, эти устройства выдавали сигнал набора при снятии трубки с колыбели, что создавало ощущение использования стационарного телефона. Отдельно устанавливался большой радиоприемно-передающий блок, обычно размером не менее 30 см в квадрате и 15 см в высоту, который монтировался либо в багажнике, либо под сиденьями автомобиля. Эти приемопередатчики подключались к колыбели трубки многожильным кабелем толщиной около 1,25 см. Для установки мобильной антенны почти всегда требовалось просверлить отверстие в кузове автомобиля; антенны, крепящиеся непосредственно на стекло, появились позже, с развитием сотовых автомобильных телефонов. Эти штыревые антенны были похожи на те, что использовались для CB-радиостанций, и имели длину около 48 см (1/4 длины волны на частоте 155 МГц). Эти системы мобильной связи требовали значительного потребления энергии (10–15 ампер при 12 вольтах), которое обеспечивалось толстыми силовыми кабелями, подключенными непосредственно к автомобильному аккумулятору. Поэтому телефон IMTS вполне мог разрядить аккумулятор автомобиля при умеренном использовании без работающего двигателя или если его оставляли включенным на ночь. Опционально эти устройства также подключались к автомобильному клаксону и могли подавать звуковой сигнал для вызова пользователя, находящегося вдали от автомобиля. Устройства IMTS поддерживали полнодуплексную связь, то есть пользователь мог одновременно говорить и слышать собеседника. Это было улучшением по сравнению с более ранними системами MTS, большинство из которых были полудуплексными, позволяя только одному абоненту передавать в данный момент времени; пользователю приходилось нажимать кнопку "push-to-talk" для начала передачи и отпускать ее для приема сигнала. В 1960 году General Electric представила мобильные телефоны MTS серии DTO "Progress Line", поддерживающие полнодуплексную связь, хотя абонентам все еще требовалось нажимать кнопку "push-to-talk" на трубке для начала разговора. Существовали также портативные приемопередатчики IMTS (например, Yaesu Traveler 1982 года выпуска), работающие на мощности 2–4 Вт, и все они были полудуплексными. По сути, это были модифицированные "рации" с клавиатурой DTMF (двухтональной многочастотной сигнализации), прикрепленной к передней панели, которая обманывала базовую станцию, заставляя ее думать, что используется мобильный телефон IMTS. Эти устройства не были широко распространены или практичны, поскольку им не хватало мощности для надежного соединения с базовой станцией на расстояниях, типичных для систем IMTS. Компромиссным вариантом был телефон в кейсе, который имел несколько большую мощность в диапазоне 10–20 Вт (в зависимости от заряда аккумулятора в кейсе) и поддерживал полнодуплексную связь. Типичные телефоны в кейсе IMTS производились компаниями Canyon, GCS, SCM Melabs и Livermore Data Systems.

IMTS systems typically had 25 watts of transmitter power at the mobile station and 100 250 Watts at the terminal — unlike the newer cellular car telephones that had maximum power output of 3 watts and modern cellular handsets with power outputs of 0.6 watts. Mobile installations normally consisted of a "head unit" or the telephone handset which sat in a cradle with a direct dialing keyboard. These looked and functioned much like a landline, or hardwired, telephone. Unlike cellular handsets, these units passed through a dial tone when the receiver was lifted from the cradle and in this way seemed more like a landline telephone. There was a separate large radio transceiver chassis, typically measuring at least a foot square and 6 inches high, mounted either in the trunk or under the seats of an automobile. These transceivers were connected to the handset cradle with a multi conductor cable usually around .5 inch thick. The mobile antennas almost always required a hole to be drilled in the body of the car to mount the antenna in; until the 1970s there were no "on glass" antennas these were developed later for the cellular car mounted telephones. These whip antennas looked much like those used for CB radios and were about 19 in. long (1/4 wavelength at 155 MHz). These mobile telephone systems required a large amount of power (10 to 15 amperes at 12 volts) and this was supplied by thick power cabling connected directly to the automobile's battery. It therefore was quite possible and not uncommon for an IMTS telephone to drain an automobile's battery if used for moderate periods of time without the automobile engine running or if left on overnight. Optionally these units were also connected to the car's horn and could honk the horn as a ringer to summon a user who was away from the car. The IMTS units were full duplex, meaning that a user could both talk and hear the other party at the same time. This was an improvement over the earlier MTS systems, most of which were half duplex, allowing only one party to transmit at a time; the user had to "push to talk" to speak and then "unkey" the transmitter to hear the other party on the line. In 1960 General Electric introduced the "Progress Line" DTO series MTS mobiles which were full duplex, although subscribers were still required to press the "push to talk" bar on the handset to speak. There were also IMTS handheld transceivers (Yaesu's 1982 vintage Traveler) that operated on 2 4 watts, and these were all half duplex. These were essentially modified "walkie talkies" with a DTMF (dual tone multi frequency) keypad attached on the front panel, which fooled the terminal into believing an IMTS mobile was using the system. These units were not very common or practical because they lacked the power to reliably connect to the base station over the distances common in the IMTS systems. A compromise existed with the briefcase phone, which had somewhat higher power in the range of 10 to 20 watts (depending on how much battery was in the briefcase), and which was full duplex. Typical IMTS briefcase phones were made by Canyon, GCS, SCM Melabs and Livermore Data Systems.

Базовая станция

Базовые станции IMTS обычно покрывали территорию диаметром 60–96 километров. Этот увеличенный радиус действия был обусловлен как большой мощностью передатчиков, так и, во многих случаях, более высоким расположением антенн – от 30 до 150 метров. Базовые станции IMTS в крупных городах могли иметь до 7–8 каналов, в то время как в сельской местности их количество могло быть всего один-два. Каждый телефонный разговор (соединение) требовал эксклюзивного использования канала на все время его длительности. Из-за этого ограничения пропускная способность этих систем была значительно ниже, чем у сотовых, и часто возникала ситуация, когда все каналы были заняты. В крупных городах это ограничивало количество одновременных вызовов. Каждому абоненту предоставлялся комплект инструкций по набору номера и использованию. Роуминг (прием вызовов за пределами "зоны обслуживания") осуществлялся путем выбора конкретных каналов, используемых вышкой и оператором связи в месте нахождения абонента, и набора трехзначного кода, что позволяло зарегистрировать номер абонента в этой локации. Эту процедуру приходилось повторять у каждой вышки, радиус действия которой, как правило, составлял 60–96 километров. В некоторых районах использовалась только полудуплексная (односторонняя) связь, требовавшая нажатия кнопки "говорить" на аппарате между микрофоном и наушником. Два индикатора на корпусе показывали занятость (красный цвет), если не было свободных каналов, и подключение (зеленый цвет), если соединение с вышкой установлено или кнопка "говорить" нажата. Шифрование отсутствовало, и все разговоры были общедоступными.

Частота

Частоты, перечисленные ниже (в МГц), ранее использовались в американской и канадской службах мобильной телефонной связи и в Улучшенной мобильной телефонной службе. Каналы нижнего диапазона с префиксом "Z" всегда работали в режиме MTS или в ручном режиме. Каналы "Z" были проданы на аукционе FCC примерно в 2003 году другим службам и в основном остаются неиспользованными. Частоты VHF и UHF были открыты для других служб, не связанных с мобильной телефонией, и в значительной степени перераспределены. Два высокочастотных канала, обозначенные JJ и JW, использовались только в Канаде и не были доступны для использования в Соединенных Штатах.

Канал Базовая частота Мобильная частота
VHF Low Band
ZO 35.26 43.26
ZF 35.30 43.30
ZH 35.34 43.34
ZM 35.38 43.38
ZA 35.42 43.32
ZY 35.46 43.46
ZR 35.50 43.50
ZB 35.54 43.54
ZW 35.62 43.62
ZL 35.66 43.66
VHF High Band
JJ 152.48 157.74
JL 152.51 157.77
YL 152.54 157.80
JP 152.57 157.83
YP 152.60 157.86
YJ 152.63 157.89
YK 152.66 157.92
JS 152.69 157.95
YS 152.72 157.98
YR 152.75 158.01
JK 152.78 158.04
JR 152.81 158.07
JW 152.84 158.10
UHF Band
QC 454.375 459.375
QJ 454.400 459.400
QD 454.425 459.425
QA 454.450 459.450
QE 454.475 459.475
QP 454.500 459.500
QK 454.525 459.525
QB 454.550 459.550
QO 454.575 459.575
QR 454.600 459.600
QY 454.625 459.625
QF 454.650 459.650

Ограничения

Технология IMTS серьёзно ограничивала общее количество абонентов. В 1970-х и начале 1980-х годов, до появления сотовых телефонов, для желающих получить услугу мобильной связи существовали "листы ожидания" сроком до трёх лет. Эти потенциальные абоненты ждали, пока другие абоненты не откажутся от своих подписок, чтобы получить номер мобильного телефона и услугу мобильной связи. Эти ограничения привели к низким объемам продаж и производства телефонов IMTS, поэтому мобильные устройства были очень дорогими (от 2000 до 4000 долларов). До разделения AT&T в 1984 году абоненты Bell System IMTS обычно арендовали оборудование за ежемесячную плату до 120 долларов. Доступность каналов была ограничена, поэтому время в эфире также было довольно дорогим – от 0,70 до 1,20 доллара за минуту. После разделения компании Bell требовали, чтобы оборудование принадлежало клиентам, и ежемесячные тарифы обычно составляли 25 долларов плюс время в эфире. Кроме того, из-за малого количества каналов телефоны часто "выстраивались в очередь" для использования канала, и производители IMTS конкурировали за скорость захвата доступного канала. Ограниченное количество абонентов в системах MTS и IMTS стало стимулом для инвестиций в сети сотовой связи. В отдалённых регионах ситуация иная: там устаревание является основной причиной, но отсутствие подходящей и доступной альтернативы создавало регуляторные препятствия – клиенты не хотели, чтобы услуга MTS/IMTS была отменена. Повышение доступности спутниковой связи и государственные инвестиции в расширение сетей сотовой связи позволили вывести из эксплуатации системы MTS и IMTS.