AMPS numérique - Digital AMPS

IS-54 et IS-136 sont des systèmes de téléphonie mobile de deuxième génération ( 2G ), connus sous le nom de Digital AMPS ( D-AMPS ), et un développement ultérieur du système mobile nord-américain 1G Advanced Mobile Phone System (AMPS). Il était autrefois répandu dans les Amériques , en particulier aux États-Unis et au Canada depuis le déploiement du premier réseau commercial en 1993. Le D-AMPS est considéré comme en fin de vie , et les réseaux existants ont été pour la plupart remplacés par les technologies GSM / GPRS ou CDMA2000 . .

Ce système est le plus souvent appelé TDMA . Ce nom est basé sur l'abréviation de time-division multiple access , une technique d' accès multiple courante qui est utilisée dans la plupart des normes 2G, y compris GSM, ainsi que dans IS-54 et IS-136. Le D-AMPS était en concurrence avec le GSM et les systèmes basés sur l' accès multiple par répartition en code (CDMA).

D-AMPS utilise les canaux AMPS existants et permet une transition en douceur entre les systèmes numériques et analogiques dans la même zone. La capacité a été augmentée par rapport à la conception analogique précédente en divisant chaque paire de canaux de 30 kHz en trois tranches de temps (d'où la division du temps ) et en compressant numériquement les données vocales, ce qui donne trois fois la capacité d'appel dans une seule cellule. Un système numérique a également rendu les appels plus sûrs au début, car les scanners analogiques ne pouvaient pas accéder aux signaux numériques. Les appels étaient cryptés à l'aide du CMEA , qui s'est avéré plus tard faible.

L'IS-136 a ajouté un certain nombre de fonctionnalités à la spécification IS-54 d'origine, notamment la messagerie texte , les données à commutation de circuits (CSD) et un protocole de compression amélioré. SMS et CSD étaient tous deux disponibles dans le cadre du protocole GSM, et IS-136 les a mis en œuvre de manière presque identique.

Les anciens grands réseaux IS-136, dont AT&T aux États-Unis et Rogers Wireless au Canada, ont mis à niveau leurs réseaux IS-136 existants vers GSM/GPRS. Rogers Wireless a supprimé tous les IS-136 à 1900 MHz en 2003, et a fait de même avec son spectre de 800 MHz car l'équipement est tombé en panne. Rogers a désactivé son réseau IS-136 (avec AMPS) le 31 mai 2007. AT&T a suivi peu après en février 2008, fermant à la fois TDMA et AMPS.

Alltel , qui utilise principalement la technologie CDMA2000 mais a acquis un réseau TDMA de Western Wireless , a fermé ses réseaux TDMA et AMPS en septembre 2008. US Cellular , qui utilise désormais principalement la technologie CDMA2000 , a fermé son réseau TDMA en février 2009.

IS-54 est le premier système de communication mobile doté d'une sécurité et le premier à utiliser la technologie TDMA.

Histoire

L'évolution de la communication mobile a commencé dans trois régions géographiques différentes : l'Amérique du Nord , l' Europe et le Japon . Les normes utilisées dans ces régions étaient assez indépendantes les unes des autres.

Les premières technologies mobiles ou sans fil mises en œuvre étaient entièrement analogiques et sont collectivement appelées technologies de 1re génération ( 1G ). Au Japon, les normes 1G étaient : Nippon Telegraph and Telephone (NTT) et sa version haute capacité ( Hicap ). Les premiers systèmes utilisés dans toute l'Europe n'étaient pas compatibles les uns avec les autres, ce qui signifie que l'idée ultérieure d'un point de vue/norme technologique commun « de l'Union européenne » était absente à cette époque.

Les différentes normes 1G utilisées en Europe comprenaient C-Netz (en Allemagne et en Autriche), Comviq (en Suède), Nordic Mobile Telephones /450 (NMT450) et NMT900 (tous deux dans les pays nordiques), NMT-F (version française de NMT900 ), TMA-450 (version espagnole de NMT450), Radiocom 2000 (RC2000) (en France), TACS (Total Access Communication System) (au Royaume-Uni , en Italie et en Irlande ) et TMA-900 (version espagnole de TACS) . Les normes nord-américaines étaient le système de téléphonie mobile avancé (AMPS) et l'AMPS à bande étroite (N-AMPS).

Parmi les normes 1G, la plus réussie était le système AMPS. Malgré la coopération des pays nordiques , les efforts d'ingénierie européens ont été répartis entre les différentes normes, et les normes japonaises n'ont pas reçu beaucoup d'attention. Développé par Bell Labs dans les années 1970 et utilisé pour la première fois commercialement aux États-Unis en 1983, AMPS fonctionne dans la bande de 800 MHz aux États-Unis et est la norme cellulaire analogique la plus largement distribuée. (La bande 1900 MHz PCS , établie en 1994, est réservée à l'exploitation numérique.) Le succès de l'AMPS a donné le coup d'envoi à l'ère mobile en Amérique du Nord.

Le marché montrait une demande croissante en raison de sa capacité et de sa mobilité supérieures à celles que les normes de communication mobile existantes étaient capables de gérer. Par exemple, le système Bell Labs dans les années 1970 ne pouvait transporter que 12 appels à la fois dans tout New York . AMPS utilisait l' accès multiple par répartition en fréquence (FDMA) qui permettait à chaque site cellulaire de transmettre sur différentes fréquences, permettant à de nombreux sites cellulaires d'être construits à proximité les uns des autres.

L'AMPS présentait également de nombreux inconvénients. Principalement, il n'avait pas la capacité de répondre à la demande toujours croissante d'utilisation des communications mobiles. Chaque site cellulaire n'avait pas beaucoup de capacité pour transporter un plus grand nombre d'appels. L'AMPS disposait également d'un système de sécurité médiocre qui permettait aux gens de voler le code de série d'un téléphone à utiliser pour passer des appels illégaux. Tous ces éléments ont déclenché la recherche d'un système plus performant.

La quête a abouti à IS-54 , la première norme 2G américaine. En mars 1990, le réseau cellulaire nord-américain a incorporé la norme IS-54B, la première norme cellulaire numérique bimode nord-américaine. Cette norme a séduit Motorola Narrowband AMPS ou N-AMPS, un schéma analogique qui a augmenté la capacité, en réduisant les canaux vocaux de 30 kHz à 10 kHz. IS-54, d'autre part, a augmenté la capacité par des moyens numériques en utilisant des protocoles TDMA . Cette méthode sépare les appels par heure, plaçant des parties de conversations individuelles sur la même fréquence, l'une après l'autre. TDMA a triplé la capacité d'appel.

À l'aide de l'IS-54, un opérateur cellulaire peut convertir n'importe lequel des canaux vocaux analogiques de son système en canaux numériques . Un téléphone bimode utilise des canaux numériques lorsqu'ils sont disponibles et utilise par défaut l'AMPS standard lorsqu'ils ne le sont pas. L'IS-54 était rétrocompatible avec le cellulaire analogique et coexistait en effet sur les mêmes canaux radio que l'AMPS. Aucun client analogique n'a été laissé pour compte ; ils ne pouvaient tout simplement pas accéder aux nouvelles fonctionnalités de l'IS-54. IS-54 a également pris en charge l' authentification , une aide à la prévention de la fraude.

Spécifications technologiques

IS-54 utilise le même espacement des canaux de 30 kHz et les mêmes bandes de fréquences (824-849 et 869-894 MHz) que l'AMPS. La capacité a été augmentée par rapport à la conception analogique précédente en divisant chaque paire de canaux de 30 kHz en trois tranches de temps et en compressant numériquement les données vocales, ce qui donne trois fois la capacité d'appel dans une seule cellule. Un système numérique a également rendu les appels plus sûrs car les scanners analogiques ne pouvaient pas accéder aux signaux numériques.

La norme IS-54 spécifie 84 canaux de contrôle, dont 42 sont partagés avec AMPS. Pour maintenir la compatibilité avec le système téléphonique cellulaire AMPS existant, les canaux de commande aller et retour primaires dans les systèmes cellulaires IS-54 utilisent les mêmes techniques de signalisation et schéma de modulation (FSK binaire) que l'AMPS. Une infrastructure AMPS/IS-54 peut prendre en charge l'utilisation de téléphones AMPS analogiques ou de téléphones D-AMPS.

La méthode d'accès utilisée pour l'IS-54 est l'accès multiple par répartition dans le temps (TDMA), qui a été la première norme numérique américaine à être développée. Il a été adopté par la TIA en 1992. TDMA subdivise chacun des canaux AMPS à 30 kHz en trois canaux TDMA à plein débit, chacun étant capable de prendre en charge un seul appel vocal. Plus tard, chacun de ces canaux à plein débit a été subdivisé en deux canaux à demi-débit, dont chacun, avec le codage et la compression nécessaires, pouvait également prendre en charge un appel vocal. Ainsi, TDMA pourrait fournir trois à six fois la capacité des canaux de trafic AMPS. Le TDMA a été initialement défini par la norme IS-54 et est maintenant spécifié dans la série de spécifications IS-13x de l'EIA/TIA.

Le débit binaire de transmission du canal pour la modulation numérique de la porteuse est de 48,6 kbit/s. Chaque trame a six tranches de temps d'une durée de 6,67 ms. Chaque tranche de temps transporte 324 bits d'informations, dont 260 bits pour les données de trafic à plein débit à 13 kbit/s. Les 64 autres bits sont en surdébit ; 28 d'entre eux sont destinés à la synchronisation et contiennent une séquence de bits spécifique connue de tous les récepteurs pour établir le verrouillage de trame. De plus, comme avec le GSM, la séquence connue agit comme un modèle d'apprentissage pour initialiser un égaliseur adaptatif.

Le système IS-54 a différentes séquences de synchronisation pour chacun des six créneaux temporels constituant la trame, permettant ainsi à chaque récepteur de se synchroniser sur ses propres créneaux temporels préassignés. 12 bits supplémentaires dans chaque tranche de temps sont destinés au SACCH (c'est-à-dire aux informations de contrôle du système). Le code couleur de vérification numérique (DVCC) est l'équivalent de la tonalité audio de supervision utilisée dans le système AMPS. Il existe 256 codes de couleurs 8 bits différents, qui sont protégés par un code de Hamming (12, 8, 3). Chaque station de base a son propre code couleur pré-attribué, de sorte que tout signal d'interférence entrant provenant de cellules distantes peut être ignoré.

Le schéma de modulation de l'IS-54 est la modulation par déplacement de phase quaternaire différentielle 7C/4 (DQPSK), également appelée différentielle 7t/4 4-PSK ou π/4 DQPSK. Cette technique permet un débit de 48,6 kbit/s avec un espacement des canaux de 30 kHz, pour une efficacité de bande passante de 1,62 bit/s/Hz. Cette valeur est 20% meilleure que GSM. L'inconvénient majeur de ce type de méthode de modulation linéaire est l'inefficacité énergétique, qui se traduit par un portatif plus lourd et, encore plus gênant, un temps plus court entre les recharges de la batterie.

Traitement des appels

Les bits de données d'une conversation constituent le champ DATA. Six emplacements forment un cadre IS-54 complet. Les DONNÉES dans les emplacements 1 et 4, 2 et 5, et 3 et 6 constituent un circuit vocal. DVCC signifie code de couleur de vérification numérique, terminologie obscure pour une valeur de code unique de 8 bits attribuée à chaque cellule. G signifie temps de garde, la période entre chaque intervalle de temps. RSVD signifie réservé. SYNC représente la synchronisation, un champ de données TDMA critique. Chaque slot de chaque trame doit être synchronisé avec tous les autres et une horloge maître pour que tout fonctionne.

Les tranches de temps pour le sens mobile vers base sont construites différemment du sens base vers mobile. Ils portent essentiellement les mêmes informations mais sont disposés différemment. Notez que le sens mobile-base a un temps de rampe de 6 bits pour permettre à son émetteur d'atteindre sa pleine puissance, et une bande de garde de 6 bits pendant laquelle rien n'est transmis. Ces 12 bits supplémentaires dans le sens base vers mobile sont réservés pour une utilisation future.

Une fois qu'un appel arrive, le mobile passe à une autre paire de fréquences ; un canal radio vocal que l'opérateur du système a rendu analogique ou numérique. Cette paire porte l'appel. Si un signal IS-54 est détecté, il se voit attribuer un canal de trafic numérique s'il en existe un. Le canal associé rapide ou FACCH effectue des transferts pendant l'appel, sans que le mobile n'ait besoin de revenir sur le canal de contrôle. En cas de bruit FACCH élevé, intégré dans le canal de trafic numérique outrepasse la charge utile vocale, dégradant la qualité de la parole pour acheminer les informations de contrôle. Le but est de maintenir la connectivité. Le canal de commande associé lent ou SACCH n'effectue pas de transfert mais transmet des informations telles que la force du signal à la station de base.

Le codeur vocal IS-54 utilise la technique appelée codage à prédiction linéaire excitée par somme vectorielle (VSELP). Il s'agit d'un type spécial de codeur vocal au sein d'une grande classe connue sous le nom de codeurs à prédiction linéaire excitée par le code (CELP). Le taux de codage de la parole de 7,95 kbit/s permet d'obtenir une qualité de parole reconstruite similaire à celle du système AMPS analogique utilisant la modulation de fréquence. Le signal à 7,95 kbit/s passe ensuite par un codeur de canal qui charge le débit binaire jusqu'à 13 kbit/s. La nouvelle norme de codage à demi-débit réduit le débit binaire global pour chaque appel à 6,5 kbit/s et devrait offrir une qualité comparable au débit de 13 kbit/s. Ce demi-débit donne une capacité de canal six fois supérieure à celle de l'AMPS analogique.

Exemple de système

La discussion d'un système de communication ne sera pas complète sans l'explication d'un exemple de système. Un téléphone cellulaire bimode tel que spécifié par la norme IS-54 est expliqué. Un téléphone bimode est capable de fonctionner dans une cellule analogique uniquement ou dans une cellule bimode. L'émetteur et le récepteur prennent tous deux en charge les schémas d'accès multiple par répartition dans le temps (TDMA) analogique FM et numérique. La transmission numérique est préférée, ainsi lorsqu'un système cellulaire a une capacité numérique, l'unité mobile se voit d'abord attribuer un canal numérique. Si aucun canal numérique n'est disponible, le système cellulaire attribuera un canal analogique. L'émetteur convertit le signal audio en une fréquence radio (RF) et le récepteur convertit un signal RF en un signal audio. L'antenne focalise et convertit l'énergie RF pour la réception et la transmission dans l'espace libre. Le panneau de commande sert de mécanisme d'entrée/sortie pour l'utilisateur final ; il prend en charge un clavier, un écran, un microphone et un haut-parleur. Le coordinateur synchronise la transmission et reçoit les fonctions de l'unité mobile. Un téléphone cellulaire bimode comprend les éléments suivants :

  • Émetteur
  • Assemblage d'antenne
  • Destinataire
  • Panneau de commande
  • Coordinateur

Technologies successeurs

En 1993, le cellulaire américain était à nouveau à court de capacité, malgré un large mouvement vers l'IS-54. L'activité cellulaire américaine a continué à prospérer. Le nombre d'abonnés est passé d'un million et demi de clients en 1988 à plus de treize millions d'abonnés en 1993. Il existait de la place pour d'autres technologies pour répondre à la croissance du marché. Les technologies qui ont suivi l'IS-54 sont restées fidèles à l'épine dorsale numérique qu'il a établie.

IS-136

Un effort pragmatique a été lancé pour améliorer l'IS-54 qui a finalement ajouté un canal supplémentaire à la conception hybride IS-54. Contrairement à l'IS-54, l'IS-136 utilise le multiplexage temporel pour les transmissions de la voix et du canal de commande. Le canal de commande numérique permet une couverture résidentielle et intérieure, une autonomie en veille de la batterie considérablement augmentée, plusieurs applications de messagerie, une activation sans fil et des applications de données étendues. Les systèmes IS-136 devaient prendre en charge des millions de téléphones AMPS, dont la plupart ont été conçus et fabriqués avant que les IS-54 et IS-136 ne soient pris en compte. L'IS-136 a ajouté un certain nombre de fonctionnalités à la spécification IS-54 d'origine, notamment la messagerie texte, les données à commutation de circuits (CSD) et un protocole de compression amélioré. Les canaux de trafic IS-136 AMRT utilisent la modulation π/4-DQPSK à un débit de canal de 24,3 kilobauds et donnent un débit de données effectif de 48,6 kbit/s sur les six tranches de temps comprenant une trame dans le canal de 30 kHz.

Coucher de soleil pour le D-AMPS aux États-Unis et au Canada

AT&T Mobility , le plus grand opérateur américain à prendre en charge le D-AMPS (qu'il appelle "TDMA"), avait refusé son réseau existant afin de libérer le spectre de ses plates-formes GSM et UMTS sur 19 marchés sans fil, qui a débuté en mai. 30, 2007, avec d'autres zones qui ont suivi en juin et juillet. Le réseau AMRT sur ces marchés fonctionnait sur la fréquence 1900 MHz et ne coexistait pas avec un réseau AMPS. Le service sur les marchés TDMA 850 MHz restants a été interrompu avec le service AMPS le 18 février 2008, sauf dans les zones où le service était fourni par Dobson Communications . Le réseau Dobson TDMA et AMPS a été fermé le 1er mars 2008.

Le 31 mai 2007, Rogers Wireless a mis hors service ses réseaux D-AMPS et AMPS et a transféré les clients restants de ces anciens réseaux sur son réseau GSM.

Alltel a terminé la fermeture de ses réseaux D-AMPS et AMPS en septembre 2008. Le dernier opérateur aux États-Unis à exploiter un réseau D-AMPS était US Cellular , qui a fermé son réseau D-AMPS en février 2009.

Les références

Liens externes