Цифровые усилители

IS-54 и IS-136 второго поколения ( 2G — системы мобильных телефонов ), известные как Digital AMPS ( D-AMPS ) и чаще всего называемые TDMA , являются дальнейшим развитием североамериканской 1G мобильной системы Advanced Mobile Phone. Система (АМПС). Когда-то он был распространен по всей Америке , особенно в США и Канаде, с момента развертывания первой коммерческой сети в 1993 году. ^{[ 1 ]} D-AMPS считается устаревшим , а существующие сети в основном заменены технологиями GSM / GPRS или CDMA2000 .

Название TDMA основано на аббревиатуре множественного доступа с временным разделением каналов — 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 зоне. Пропускная способность была увеличена по сравнению с предыдущей аналоговой схемой за счет разделения каждой пары каналов 30 кГц на три временных интервала (отсюда и временное разделение ) и цифрового сжатия речевых данных, что позволило в три раза увеличить пропускную способность вызовов в одной ячейке. Цифровая система также поначалу делала звонки более безопасными, поскольку аналоговые сканеры не могли получить доступ к цифровым сигналам. Звонки шифровались с использованием СЭВ , который позже оказался слабым. ^{[ 2 ]}

IS-136 добавил ряд функций к исходной спецификации IS-54, включая обмен текстовыми сообщениями , данные с коммутацией каналов (CSD) и улучшенный протокол сжатия. SMS и CSD были доступны как часть протокола GSM, и IS-136 реализовал их почти одинаково.

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. Роджерс деактивировал свою сеть IS-136 (вместе с AMPS) 31 мая 2007 года. Вскоре в феврале 2008 года за этим последовала компания AT&T, отключившая как TDMA, так и AMPS.

Alltel , которая в основном использовала технологию CDMA2000 , но приобрела сеть TDMA у Western Wireless , отключила свои сети TDMA и AMPS в сентябре 2008 года . US Cellular , которая сейчас также в основном использует технологию CDMA2000 , закрыла свою сеть TDMA в феврале 2009 года.

IS-54 — первая система мобильной связи, обеспечивающая безопасность, и первая, использующая технологию TDMA. ^{[ 3 ]}

История

Эволюция мобильной связи началась в трех разных географических регионах: Северной Америке , Европе и Японии . Стандарты, используемые в этих регионах, были совершенно независимы друг от друга. ^{[ нужна ссылка ]}

Самые ранние реализованные мобильные или беспроводные технологии были полностью аналоговыми и известны под общим названием «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, использовавшиеся по всей Европе, не были совместимы друг с другом, а это означало, что более поздняя идея общей точки зрения / технологического стандарта «Европейского Союза» в то время отсутствовала. ^{[ нужна ссылка ]}

В Европе использовались различные стандарты 1G, включая 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 (система связи с полным доступом) (в Великобритании , Италии и Ирландии ) и TMA-900 (испанская версия TACS) . Североамериканскими стандартами были Advanced Mobile Phone System (AMPS) и узкополосный AMPS (N-AMPS).

Из стандартов 1G наиболее успешной оказалась система AMPS. ^{[ нужна ссылка ]}. Несмотря на сотрудничество стран Северной Европы , европейские инженерные усилия были разделены между различными стандартами, а японские стандарты не получили большого внимания. ^{[ кем? ]}. Разработанный Bell Labs в 1970-х годах и впервые коммерчески использованный в США в 1983 году, AMPS работает в диапазоне 800 МГц в США и является наиболее широко распространенным аналоговым стандартом сотовой связи. 1900 МГц (Диапазон PCS , установленный в 1994 году, предназначен только для цифровых операций.) Успех AMPS положил начало эпохе мобильной связи в Северной Америке.

Рынок демонстрировал растущий спрос, поскольку имел более высокую пропускную способность и мобильность, чем могли обеспечить существовавшие тогда стандарты мобильной связи. Например, система Bell Labs в 1970-х годах могла одновременно передавать только 12 вызовов по всему Нью-Йорку . AMPS использовал множественный доступ с частотным разделением каналов (FDMA), который позволял каждой соте передавать данные на разных частотах, что позволяло строить множество сотовых станций рядом друг с другом.

У AMPS также было много недостатков. Прежде всего, у него не было возможности удовлетворить постоянно растущий спрос на использование мобильной связи. Каждая сотовая станция не имела достаточной пропускной способности для обработки большего количества вызовов. У AMPS также была плохая система безопасности, которая позволяла людям красть серийный код телефона и использовать его для незаконных звонков. Все это послужило толчком к поиску более эффективной системы.

Результатом поисков стал IS-54 , первый американский стандарт 2G. В марте 1990 года в сотовую сеть Северной Америки был включен стандарт IS-54B, первый североамериканский двухрежимный цифровой сотовый стандарт. Этот стандарт победил Narrowband AMPS или N-AMPS компании Motorola , аналоговую схему, которая увеличила пропускную способность за счет сокращения голосовых каналов с 30 кГц до 10 кГц. IS-54, с другой стороны, увеличил пропускную способность цифровыми средствами с использованием протоколов TDMA . Этот метод разделяет звонки по времени, помещая части отдельных разговоров на одну и ту же частоту, одну за другой. TDMA утроил пропускную способность вызовов.

своей системы Используя IS-54, оператор сотовой связи мог преобразовать любой аналоговый голосовой канал в цифровой . Телефон с двойным режимом использует цифровые каналы, если они доступны, и по умолчанию использует обычный 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 остался без внимания; они просто не могли получить доступ к новым функциям ИС-54. IS-54 также поддерживает аутентификацию , что помогает предотвратить мошенничество.

Технические характеристики

IS-54 использует тот же разнос каналов 30 кГц и полосы частот (824–849 и 869–894 МГц), что и AMPS. Пропускная способность была увеличена по сравнению с предыдущей аналоговой схемой за счет разделения каждой пары каналов 30 кГц на три временных интервала и цифрового сжатия речевых данных, что позволило в три раза увеличить пропускную способность вызовов в одной ячейке. Цифровая система также сделала звонки 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 обеспечения совместимости с существующей сотовой телефонной системой AMPS в основных прямых и обратных каналах управления в сотовых системах IS-54 используются те же методы сигнализации и схема модуляции (двоичная FSK), что и в AMPS. Инфраструктура AMPS/IS-54 может поддерживать использование аналоговых телефонов AMPS или телефонов D-AMPS.

Метод доступа, используемый в IS-54, — это множественный доступ с временным разделением каналов (TDMA), который был первым разработанным в США цифровым стандартом. Он был принят TIA в 1992 году. TDMA подразделяет каждый из каналов AMPS 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 половинных канала, каждый из которых при необходимом кодировании и сжатии мог также поддерживать голосовой вызов. Таким образом, TDMA может обеспечить в три-шесть раз большую пропускную способность каналов трафика AMPS. Первоначально TDMA был определен стандартом IS-54, а теперь указан в спецификациях серии IS-13x EIA/TIA.

Битовая скорость передачи 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 полноскоростных данных трафика 13 кбит/с. Остальные 64 бита являются служебными; 28 из них предназначены для синхронизации и содержат определенную битовую последовательность, известную всем получателям, для установления выравнивания кадров. Кроме того, как и в случае с GSM, известная последовательность действует как обучающий шаблон для инициализации адаптивного эквалайзера.

Система IS-54 имеет разные последовательности синхронизации для каждого из шести временных интервалов, составляющих кадр, что позволяет каждому приемнику синхронизироваться со своими заранее назначенными временными интервалами. Дополнительные 12 бит в каждом временном интервале предназначены для SACCH (т. е. информации управления системой). Цветовой код цифровой проверки (DVCC) является эквивалентом контрольного звукового сигнала, используемого в системе AMPS. Существует 256 различных 8-битных цветовых кодов, которые защищены кодом Хэмминга (12, 8, 3). Каждая базовая станция имеет свой собственный заранее назначенный цветовой код, поэтому любые входящие мешающие сигналы от удаленных сот можно игнорировать.

Схема модуляции для IS-54 представляет собой дифференциальную четвертичную фазовую манипуляцию 7C/4 (DQPSK), также известную как дифференциальная 7t/4 4-PSK или π/4 DQPSK. Этот метод обеспечивает скорость 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 метода линейной модуляции является неэффективность энергопотребления, что приводит к более тяжелому портативному устройству и, что еще более неудобно, к более короткому времени между перезарядками аккумулятора.

Обработка звонков

Биты данных диалога составляют поле DATA. Шесть слотов составляют полный каркас ИС-54. ДАННЫЕ в слотах 1 и 4, 2 и 5, 3 и 6 составляют голосовой канал. DVCC означает цветовой код цифровой проверки, загадочная терминология, обозначающая уникальное 8-битное значение кода, присвоенное каждой ячейке. G означает защитное время, период между каждым временным интервалом. RSVD означает «зарезервировано». SYNC представляет собой синхронизацию, критическое поле данных TDMA. Чтобы все работало, каждый слот в каждом кадре должен быть синхронизирован со всеми остальными и с главными часами.

Временные интервалы для направления «мобильный-базовый» строятся иначе, чем для направления «базовый-мобильный». По сути, они несут одну и ту же информацию, но устроены по-разному. Обратите внимание, что направление «мобильная станция-база» имеет 6-битное время линейного изменения, позволяющее времени передатчика выйти на полную мощность, и 6-битную защитную полосу, в течение которой ничего не передается. Эти 12 дополнительных битов в направлении «базовый-мобильный» зарезервированы для использования в будущем.

Как только поступает звонок, мобильный телефон переключается на другую пару частот; голосовой радиоканал, который оператор системы сделал аналоговым или цифровым. Эта пара несет колл. При обнаружении сигнала IS-54 ему назначается цифровой канал трафика, если он доступен. Быстрый связанный канал или FACCH выполняет передачу обслуживания во время вызова, без необходимости для мобильного устройства возвращаться на канал управления. В случае высокого уровня шума FACCH, встроенный в канал цифрового трафика, подавляет голосовую нагрузку, ухудшая качество речи при передаче управляющей информации. Целью является поддержание связи. Медленный ассоциированный канал управления или SACCH не выполняет передачу обслуживания, но передает базовую станцию, например, информацию об уровне сигнала.

Речевой кодер IS-54 использует метод, называемый кодированием с линейным предсказанием с возбуждением векторной суммы (VSELP). Это особый тип кодеров речи в большом классе, известном как кодеры линейного предсказания 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 скорость передачи данных до 13 кбит/с. Новый стандарт кодирования с половинной скоростью снижает общую скорость передачи данных для каждого вызова до 6,5 кбит/с и должен обеспечивать качество, сравнимое со скоростью 13 кбит/с. Эта половинная скорость дает пропускную способность канала в шесть раз больше, чем у аналогового AMPS.

Пример системы

Обсуждение системы связи не будет полным без объяснения примера системы. Объясняется двухрежимный сотовый телефон, определенный стандартом IS-54. Двухрежимный телефон может работать как в аналоговой соте, так и в двухрежимной соте. И передатчик, и приемник поддерживают как аналоговые схемы FM, так и цифровые схемы множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA). Цифровая передача является предпочтительной, поэтому, когда сотовая система имеет цифровые возможности, мобильному устройству сначала назначается цифровой канал. Если цифровые каналы недоступны, сотовая система назначит аналоговый канал. Передатчик преобразует аудиосигнал в радиочастоту (РЧ), а приемник преобразует радиочастотный сигнал в аудиосигнал. Антенна фокусирует и преобразует радиочастотную энергию для приема и передачи в свободное пространство. Панель управления служит механизмом ввода/вывода для конечного пользователя; он поддерживает клавиатуру, дисплей, микрофон и динамик. Координатор синхронизирует передачу и принимает функции мобильного объекта. Двухрежимный сотовый телефон состоит из следующего:

Передатчик
Антенна в сборе
Получатель
Панель управления
Координатор

Технологии-преемники

К 1993 году американская сотовая связь снова исчерпала свои возможности, несмотря на широкий переход на IS-54. Американский сотовый бизнес продолжал процветать. Число подписчиков выросло с полутора миллионов клиентов в 1988 году до более чем тринадцати миллионов подписчиков в 1993 году. Существовало пространство для других технологий, чтобы удовлетворить растущий рынок. Технологии, последовавшие за ИС-54, придерживались заложенной им цифровой магистрали.

ИС-136

Были предприняты прагматичные усилия по улучшению ИС-54, которые в конечном итоге добавили дополнительный канал к гибридной конструкции ИС-54. В отличие от IS-54, IS-136 использует мультиплексирование с временным разделением каналов как для передачи голоса, так и для передачи по каналу управления. Цифровой канал управления обеспечивает покрытие жилых помещений и внутри зданий, значительно увеличивает время работы от батареи, поддерживает несколько приложений обмена сообщениями, активацию по беспроводной сети 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 обмен текстовыми сообщениями, данные с коммутацией каналов (CSD) и улучшенный протокол сжатия. Каналы трафика IS-136 TDMA используют модуляцию π/4-DQPSK со скоростью канала 24,3 кбод и обеспечивают эффективную скорость передачи данных 48,6 кбит/с в шести временных интервалах, составляющих один кадр в канале 30 кГц.

Закат для D-AMPS в США и Канаде

AT&T Mobility , крупнейший оператор связи США, поддерживающий D-AMPS (который она называет «TDMA»), отказался от своей существующей сети, чтобы освободить спектр для своих платформ GSM и UMTS на 19 рынках беспроводной связи, что началось в мае. 30 декабря 2007 г., а затем в июне и июле последовали другие районы. Сеть TDMA на этих рынках работала на частоте 1900 МГц и не сосуществовала с сетью AMPS. Обслуживание на остальных рынках TDMA 850 МГц было прекращено вместе с обслуживанием AMPS 18 февраля 2008 г., за исключением регионов, где услуги предоставлялись Dobson Communications . Сеть Dobson TDMA и AMPS была отключена 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 в свою сеть GSM.

Alltel завершила отключение своих сетей D-AMPS и AMPS в сентябре 2008 года. Последним оператором связи в США, который эксплуатировал сеть D-AMPS, была компания US Cellular , которая отключила свою сеть D-AMPS 10 февраля 2009 года.

Ссылки

^ Хуурдеман, Антон А. (31 июля 2003 г.). Всемирная история телекоммуникаций . Джон Уайли и сыновья. п. 533. ИСБН 9780471205050 .
^ Вагнер, Дэвид ; Шнайер, Брюс ; Келси, Джон . «Криптоанализ алгоритма шифрования сотовых сообщений» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 19 октября 2013 г. Проверено 21 мая 2004 г.
^ «Основы цифровой беспроводной связи: «1990-е годы» » . Архивировано из оригинала 13 ноября 2006 г. Проверено 2 февраля 2007 г.

Статья о СЭВ. Архивировано 19 октября 2013 г. в Wayback Machine.

Внешние ссылки

Структура временных интервалов для ИС-136 и ИС-54

[1] Хуурдеман, Антон А. (31 июля 2003 г.). Всемирная история телекоммуникаций . Джон Уайли и сыновья. п. 533. ИСБН 9780471205050 .

[2] Вагнер, Дэвид ; Шнайер, Брюс ; Келси, Джон . «Криптоанализ алгоритма шифрования сотовых сообщений» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 19 октября 2013 г. Проверено 21 мая 2004 г.

[3] «Основы цифровой беспроводной связи: «1990-е годы» » . Архивировано из оригинала 13 ноября 2006 г. Проверено 2 февраля 2007 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]