Digitaler Verstärker - Digital AMPS
IS-54 und IS-136 sind Mobiltelefonsysteme der zweiten Generation ( 2G ), bekannt als Digital AMPS ( D-AMPS ) und eine Weiterentwicklung des nordamerikanischen 1G- Mobilsystems Advanced Mobile Phone System (AMPS). Es war einst weit verbreitet in dem Nord- und Südamerika , vor allem in den USA und Kanada seit dem erste kommerzielle Netz in 1993 D-AMPS eingesetzt wurde , wird als End-of-Life , und bestehende Netzwerke haben meist ersetzt durch GSM / GPRS oder CDMA2000 Technologien .
Dieses System wird am häufigsten als TDMA bezeichnet . Dieser Name basiert auf der Abkürzung für Time-Division Multiple Access , eine gängige Multiple Access- Technik, die in den meisten 2G-Standards, einschließlich GSM, sowie in IS-54 und IS-136 verwendet wird. D-AMPS konkurrierte gegen GSM und Systeme, die auf Codemultiplex-Vielfachzugriff (CDMA) basieren .
D-AMPS verwendet vorhandene AMPS- Kanäle und ermöglicht einen reibungslosen Übergang zwischen digitalen und analogen Systemen im gleichen Bereich. Die Kapazität wurde gegenüber dem vorhergehenden analogen Design erhöht, indem jedes 30-kHz-Kanalpaar in drei Zeitschlitze (daher Zeitteilung ) unterteilt wurde und die Sprachdaten digital komprimiert wurden, was die dreifache Anrufkapazität in einer einzelnen Zelle ergab. Ein digitales System machte Telefongespräche anfangs auch sicherer, da analoge Scanner nicht auf digitale Signale zugreifen konnten. Anrufe wurden mit CMEA verschlüsselt, was sich später als schwach herausstellte.
IS-136 fügte der ursprünglichen IS-54-Spezifikation eine Reihe von Funktionen hinzu, darunter Textnachrichten , leitungsvermittelte Daten (CSD) und ein verbessertes Komprimierungsprotokoll. SMS und CSD waren beide als Teil des GSM-Protokolls verfügbar, und IS-136 implementierte sie auf nahezu identische Weise.
Ehemalige große IS-136-Netze, darunter AT&T in den USA und Rogers Wireless in Kanada, haben ihre bestehenden IS-136-Netze auf GSM/GPRS aufgerüstet. Rogers Wireless entfernte 2003 alle 1900-MHz-IS-136 und hat dasselbe mit seinem 800-MHz-Spektrum getan, als die Ausrüstung ausfiel. Rogers deaktivierte sein IS-136-Netzwerk (zusammen mit AMPS) am 31. Mai 2007. AT&T folgte bald darauf im Februar 2008 und schaltete sowohl TDMA als auch AMPS ab.
Alltel , die in ersten Linie verwendet CDMA2000 - Technologie , sondern ein TDMA - Netzwerk von erworbenem Western Wireless , heruntergefahren seine TDMA und AMPS - Netze im September 2008. US Cellular , die nun auch in erster Linie verwendet CDMA2000 - Technologie, schließen sein TDMA - Netzwerk im Februar 2009 nach unten.
IS-54 ist das erste Mobilkommunikationssystem mit Sicherheitsvorkehrungen und das erste, das die TDMA-Technologie verwendet.
Geschichte
Die Entwicklung der mobilen Kommunikation begann in drei verschiedenen geografischen Regionen: Nordamerika , Europa und Japan . Die in diesen Regionen verwendeten Standards waren ziemlich unabhängig voneinander.
Die ersten implementierten mobilen oder drahtlosen Technologien waren vollständig analog und werden zusammenfassend als Technologien der 1. Generation ( 1G ) bezeichnet. In Japan waren die 1G-Standards: Nippon Telegraph and Telephone (NTT) und die Hochleistungsversion davon ( Hicap ). Die europaweit eingesetzten frühen Systeme waren nicht miteinander kompatibel, so dass die spätere Idee einer gemeinsamen Sichtweise der „Europäischen Union“/eines technologischen Standards zu diesem Zeitpunkt noch fehlte.
Zu den verschiedenen in Europa verwendeten 1G-Standards gehörten C-Netz (in Deutschland und Österreich), Comviq (in Schweden), Nordic Mobile Telephones /450 (NMT450) und NMT900 (beide in den nordischen Ländern), NMT-F (französische Version von NMT900 ), TMA-450 (spanische Version von NMT450), Radiocom 2000 (RC2000) (in Frankreich), TACS (Total Access Communication System) (im Vereinigten Königreich , Italien und Irland ) und TMA-900 (spanische Version von TACS) . Nordamerikanische Standards waren Advanced Mobile Phone System (AMPS) und Schmalband-AMPS (N-AMPS).
Von den 1G-Standards war das AMPS-System der erfolgreichste. Trotz der Zusammenarbeit der nordischen Länder wurden die europäischen Ingenieurbemühungen auf die verschiedenen Normen aufgeteilt, und die japanischen Normen erhielten nicht viel Aufmerksamkeit. Entwickelt von Bell Labs in den 1970er Jahren und erstmals 1983 in den Vereinigten Staaten kommerziell eingesetzt , arbeitet AMPS in den Vereinigten Staaten im 800- MHz- Band und ist der am weitesten verbreitete analoge Mobilfunkstandard. (Das 1994 eingerichtete 1900- MHz- PCS- Band ist nur für den digitalen Betrieb bestimmt.) Der Erfolg von AMPS leitete das Mobilfunkzeitalter in Nordamerika ein.
Der Markt zeigte eine steigende Nachfrage, da er eine höhere Kapazität und Mobilität aufwies, als die damals bestehenden Mobilfunkstandards bewältigen konnten. Zum Beispiel konnte das Bell Labs-System in den 1970er Jahren nur 12 Anrufe gleichzeitig durch ganz New York City führen . AMPS nutzte Frequency Division Multiple Access (FDMA), die es jedem Zellenstandort ermöglichte, auf unterschiedlichen Frequenzen zu senden, wodurch viele Zellenstandorte nahe beieinander gebaut werden konnten.
AMPS hatte auch viele Nachteile. In erster Linie war es nicht in der Lage, die ständig steigende Nachfrage nach mobiler Kommunikationsnutzung zu unterstützen. Jeder Zellenstandort hatte nicht viel Kapazität, um eine größere Anzahl von Anrufen zu führen. AMPS hatte auch ein schlechtes Sicherheitssystem, das es Leuten ermöglichte, den Seriennummerncode eines Telefons zu stehlen, um ihn für illegale Anrufe zu verwenden. All dies löste die Suche nach einem leistungsfähigeren System aus.
Die Suche führte zu IS-54 , dem ersten amerikanischen 2G-Standard. Im März 1990 integrierte das nordamerikanische Mobilfunknetz den IS-54B-Standard, den ersten nordamerikanischen Dual-Mode-Digitalzellularstandard. Dieser Standard setzte sich gegen Motorolas Narrowband AMPS oder N-AMPS durch, ein analoges Schema, das die Kapazität durch Reduzierung der Sprachkanäle von 30 kHz auf 10 kHz erhöhte. IS-54 hingegen erhöhte die Kapazität durch digitale Mittel unter Verwendung von TDMA- Protokollen. Bei dieser Methode werden Anrufe nach Zeit getrennt, wobei Teile einzelner Gespräche nacheinander auf die gleiche Frequenz gelegt werden. TDMA hat die Anrufkapazität verdreifacht.
Mit IS-54 könnte ein Mobilfunkanbieter alle analogen Sprachkanäle seines Systems in digitale umwandeln . Ein Dual-Mode-Telefon verwendet digitale Kanäle, sofern verfügbar, und verwendet standardmäßig normale AMPS, wenn dies nicht der Fall ist. IS-54 war abwärtskompatibel mit analogem Mobilfunk und existierte tatsächlich auf denselben Funkkanälen wie AMPS. Es wurden keine analogen Kunden zurückgelassen; sie konnten einfach nicht auf die neuen Funktionen von IS-54 zugreifen. IS-54 unterstützte auch die Authentifizierung , eine Hilfe bei der Betrugsprävention.
Technologiespezifikationen
IS-54 verwendet den gleichen 30-kHz-Kanalabstand und die gleichen Frequenzbänder (824-849 und 869-894 MHz) wie AMPS. Die Kapazität wurde gegenüber dem vorherigen analogen Design erhöht, indem jedes 30-kHz-Kanalpaar in drei Zeitschlitze unterteilt und die Sprachdaten digital komprimiert wurden, was die dreifache Anrufkapazität in einer einzelnen Zelle ergab. Ein digitales System machte auch Anrufe sicherer, da analoge Scanner nicht auf digitale Signale zugreifen konnten.
Der IS-54-Standard spezifiziert 84 Steuerkanäle, von denen 42 mit AMPS geteilt werden. Um die Kompatibilität mit dem bestehenden AMPS-Zellulartelefonsystem aufrechtzuerhalten, verwenden die primären Vorwärts- und Rückwärtssteuerkanäle in IS-54-Zellularsystemen die gleichen Signalisierungstechniken und das gleiche Modulationsschema (binäres FSK) wie AMPS. Eine AMPS/IS-54-Infrastruktur kann die Verwendung von analogen AMPS-Telefonen oder D-AMPS-Telefonen unterstützen.
Das für IS-54 verwendete Zugriffsverfahren ist Time Division Multiple Access (TDMA), der erste US-amerikanische Digitalstandard, der entwickelt wurde. Es wurde 1992 von der TIA übernommen. TDMA unterteilt jeden der 30 kHz AMPS-Kanäle in drei TDMA-Kanäle mit voller Rate, von denen jeder einen einzelnen Sprachanruf unterstützen kann. Später wurde jeder dieser Full-Rate-Kanäle weiter in zwei Half-Rate-Kanäle unterteilt, von denen jeder bei entsprechender Codierung und Komprimierung auch einen Sprachanruf unterstützen konnte. Somit könnte TDMA die drei- bis sechsfache Kapazität von AMPS-Verkehrskanälen bereitstellen. TDMA wurde ursprünglich durch den IS-54-Standard definiert und ist jetzt in der IS-13x-Spezifikationsreihe der EIA/TIA spezifiziert.
Die Kanalübertragungs-Bitrate zum digitalen Modulieren des Trägers beträgt 48,6 kbit/s. Jeder Frame hat sechs Zeitschlitze mit einer Dauer von 6,67 ms. Jeder Zeitschlitz trägt 324 Informationsbits, von denen 260 Bits für die 13-kbit/s-Vollraten-Verkehrsdaten sind. Die anderen 64 Bit sind Overhead; 28 davon dienen der Synchronisation und enthalten eine spezifische Bitfolge, die allen Empfängern bekannt ist, um eine Rahmenausrichtung herzustellen. Ebenso wie bei GSM fungiert die bekannte Sequenz als ein Trainingsmuster, um einen adaptiven Entzerrer zu initialisieren.
Das IS-54-System hat unterschiedliche Synchronisationssequenzen für jeden der sechs Zeitschlitze, aus denen der Rahmen besteht, wodurch es jedem Empfänger ermöglicht wird, sich auf seine eigenen im Voraus zugewiesenen Zeitschlitze zu synchronisieren. Zusätzliche 12 Bit in jedem Zeitschlitz sind für den SACCH (dh Systemsteuerinformationen) bestimmt. Der digitale Verifizierungsfarbcode (DVCC) entspricht dem Überwachungsaudioton, der im AMPS-System verwendet wird. Es gibt 256 verschiedene 8-Bit-Farbcodes, die durch einen (12, 8, 3) Hamming-Code geschützt sind. Jede Basisstation hat ihren eigenen vorbelegten Farbcode, sodass eingehende Störsignale von entfernten Zellen ignoriert werden können.
Das Modulationsschema für IS-54 ist 7C/4 differentielle quaternäre Phasenumtastung (DQPSK), auch bekannt als differentielle 7t/4 4-PSK oder π/4 DQPSK. Diese Technik ermöglicht eine Bitrate von 48,6 kbit/s mit 30 kHz Kanalabstand, um eine Bandbreiteneffizienz von 1,62 Bit/s/Hz zu ergeben. Dieser Wert ist 20 % besser als GSM. Der Hauptnachteil bei dieser Art von linearem Modulationsverfahren ist die Leistungsineffizienz, die sich in einem schwereren tragbaren Gerät und, noch unbequemer, einer kürzeren Zeit zwischen den Aufladungen der Batterie niederschlägt.
Anrufbearbeitung
Die Datenbits einer Konversation bilden das DATA-Feld. Sechs Steckplätze bilden einen kompletten IS-54-Rahmen. DATA in den Slots 1 und 4, 2 und 5 sowie 3 und 6 bilden einen Sprechkreis. DVCC steht für Digital Verification Color Code, eine geheimnisvolle Terminologie für einen eindeutigen 8-Bit-Codewert, der jeder Zelle zugewiesen wird. G bedeutet Schutzzeit, die Zeitspanne zwischen jedem Zeitschlitz. RSVD steht für reserviert. SYNC steht für Synchronisation, ein kritisches TDMA-Datenfeld. Jeder Slot in jedem Frame muss mit allen anderen und einer Master Clock synchronisiert werden, damit alles funktioniert.
Zeitschlitze für die Richtung von der Basisstation zur Basisstation sind anders aufgebaut als die Richtung von der Basisstation zur Basisstation. Sie tragen im Wesentlichen die gleichen Informationen, sind jedoch unterschiedlich angeordnet. Beachten Sie, dass die Richtung vom Mobilgerät zur Basis eine 6-Bit-Rampenzeit hat, damit die Sendezeit die volle Leistung erreicht, und ein 6-Bit-Schutzband, während dem nichts übertragen wird. Diese 12 zusätzlichen Bits in der Basis-zu-Mobil-Richtung sind für die zukünftige Verwendung reserviert.
Sobald ein Anruf eingeht, schaltet das Mobiltelefon auf ein anderes Frequenzpaar um; ein Sprachfunkkanal, den der Systemträger analog oder digital gemacht hat. Dieses Paar trägt den Anruf. Wenn ein IS-54-Signal erkannt wird, wird ihm ein digitaler Verkehrskanal zugewiesen, falls einer verfügbar ist. Der schnelle zugehörige Kanal oder FACCH führt während des Anrufs Übergaben durch, ohne dass das Mobiltelefon zum Steuerkanal zurückkehren muss. Im Fall von starkem Rauschen überschreibt FACCH, eingebettet in den digitalen Verkehrskanal, die Sprachnutzlast und verschlechtert die Sprachqualität, um Steuerinformationen zu übermitteln. Der Zweck besteht darin, die Konnektivität aufrechtzuerhalten. Der langsame zugehörige Steuerkanal oder SACCH führt keine Übergaben durch, sondern übermittelt Dinge wie Signalstärkeinformationen an die Basisstation.
Der Sprachcodierer IS-54 verwendet die Technik, die als Vektorsummenanregungs-Linearprädiktions- (VSELP)-Codierung bezeichnet wird. Dies ist ein spezieller Typ von Sprachcodierern innerhalb einer großen Klasse, die als Code-erregte lineare Prädiktions- (CELP)-Codierer bekannt sind. Die Sprachcodierungsrate von 7,95 kbit/s erreicht eine rekonstruierte Sprachqualität ähnlich der des analogen AMPS-Systems mit Frequenzmodulation. Das 7,95-kbit/s-Signal wird dann durch einen Kanalcodierer geleitet, der die Bitrate auf bis zu 13 kbit/s lädt. Der neue Halbraten-Codierungsstandard reduziert die Gesamtbitrate für jeden Anruf auf 6,5 kbit/s und sollte eine vergleichbare Qualität wie die 13-kbit/s-Rate bieten. Diese halbe Rate ergibt eine Kanalkapazität, die sechsmal so hoch ist wie bei analogem AMPS.
Systembeispiel
Die Diskussion eines Kommunikationssystems ist ohne die Erläuterung eines Systembeispiels nicht vollständig. Ein Dual-Mode-Mobiltelefon, wie es durch den IS-54-Standard spezifiziert ist, wird erklärt. Ein Dual-Mode-Telefon kann in einer Nur-Analog-Zelle oder einer Dual-Mode-Zelle betrieben werden. Sowohl der Sender als auch der Empfänger unterstützen sowohl analoge FM- als auch digitale Zeitmultiplex-(TDMA)-Schemata. Digitale Übertragung wird bevorzugt, so dass, wenn ein zellulares System über digitale Fähigkeiten verfügt, der Mobileinheit zuerst ein digitaler Kanal zugewiesen wird. Wenn keine digitalen Kanäle verfügbar sind, weist das zellulare System einen analogen Kanal zu. Der Sender wandelt das Audiosignal in eine Hochfrequenz (HF) um und der Empfänger wandelt ein HF-Signal in ein Audiosignal um. Die Antenne fokussiert und wandelt HF-Energie für den Empfang und die Übertragung in den freien Raum um. Das Bedienfeld dient als Eingabe-/Ausgabemechanismus für den Endbenutzer; Es unterstützt eine Tastatur, ein Display, ein Mikrofon und einen Lautsprecher. Der Koordinator synchronisiert die Übertragung und empfängt Funktionen der Mobileinheit. Ein Dual-Mode-Mobiltelefon besteht aus:
- Sender
- Antennenbaugruppe
- Empfänger
- Schalttafel
- Koordinator
Nachfolgetechnologien
1993 ging die Kapazität des amerikanischen Mobilfunks erneut aus, trotz einer breiten Verschiebung zum IS-54. Das amerikanische Mobilfunkgeschäft boomte weiter. Die Zahl der Abonnenten stieg von anderthalb Millionen Kunden im Jahr 1988 auf mehr als dreizehn Millionen Abonnenten im Jahr 1993. Es gab Raum für andere Technologien, um dem wachsenden Markt gerecht zu werden. Die auf IS-54 folgenden Technologien hielten an dem von ihm festgelegten digitalen Rückgrat fest.
IS-136
Es wurde eine pragmatische Anstrengung unternommen, um den IS-54 zu verbessern, der schließlich dem IS-54-Hybriddesign einen zusätzlichen Kanal hinzufügte. Im Gegensatz zu IS-54 verwendet IS-136 Zeitmultiplexing sowohl für Sprach- als auch für Steuerkanalübertragungen. Der digitale Steuerkanal ermöglicht die Abdeckung von Wohngebäuden und Gebäuden, eine drastisch verlängerte Batterie-Standby-Zeit, mehrere Messaging-Anwendungen, drahtlose Aktivierung und erweiterte Datenanwendungen. IS-136-Systeme wurden benötigt, um Millionen von AMPS-Telefonen zu unterstützen, von denen die meisten entworfen und hergestellt wurden, bevor IS-54 und IS-136 in Betracht gezogen wurden. IS-136 fügte der ursprünglichen IS-54-Spezifikation eine Reihe von Funktionen hinzu, darunter Textnachrichten, leitungsvermittelte Daten (CSD) und ein verbessertes Komprimierungsprotokoll. IS-136 TDMA-Verkehrskanäle verwenden eine π/4-DQPSK-Modulation mit einer Kanalrate von 24,3 Kilobaud und ergeben eine effektive Datenrate von 48,6 kbit/s über die sechs Zeitschlitze, die einen Rahmen im 30-kHz-Kanal umfassen.
Sonnenuntergang für D-AMPS in den USA und Kanada
AT&T Mobility , der größte US-Carrier, der D-AMPS (das als "TDMA" bezeichnet wird) unterstützt, hatte sein bestehendes Netzwerk eingestellt, um das Spektrum für seine GSM- und UMTS- Plattformen in 19 Mobilfunkmärkten freizugeben , was im Mai begann 30. Juli 2007, weitere Bereiche folgten im Juni und Juli. Das TDMA-Netz in diesen Märkten arbeitete auf der 1900-MHz-Frequenz und existierte nicht neben einem AMPS-Netz. Der Dienst auf den verbleibenden 850-MHz-TDMA-Märkten wurde zusammen mit dem AMPS-Dienst am 18. Februar 2008 eingestellt, außer in Gebieten, in denen der Dienst von Dobson Communications bereitgestellt wurde . Das Dobson TDMA- und AMPS-Netzwerk wurde am 1. März 2008 geschlossen.
Am 31. Mai 2007 hat Rogers Wireless seine D-AMPS- und AMPS-Netze stillgelegt und die verbleibenden Kunden dieser älteren Netze auf sein GSM-Netz umgezogen.
Alltel schloss die Schließung seiner D-AMPS- und AMPS-Netze im September 2008 ab. Der letzte Betreiber in den Vereinigten Staaten, der ein D-AMPS-Netz betrieb, war US Cellular , der sein D-AMPS-Netz im Februar 2009 schloss.