Świt Ery Mobilnej: AMPS i Amerykański Sen o Telefonii Komórkowej

Zaawansowany System Telefonii Mobilnej, powszechnie znany jako AMPS, nie był tylko kolejną technologią; był katalizatorem mobilnej rewolucji w Ameryce Północnej. Jako standard komórkowy pierwszej generacji (1G), AMPS wyprowadził koncepcję telefonu z domu i biura, i po raz pierwszy oddał go w ręce szerokiej publiczności. Opracowany przez legendarne Bell Labs i po raz pierwszy komercyjnie wdrożony w 1983 roku, AMPS położył techniczne i handlowe fundamenty pod całą nowoczesną branżę bezprzewodową. Był to system całkowicie analogowy, zaprojektowany w jednym podstawowym celu: do komunikacji głosowej. Aby zrozumieć jego wpływ, kluczowe jest docenienie krajobrazu technologicznego, który zastąpił.

Przed AMPS, telefonia mobilna była domeną tak zwanych systemów 0G, takich jak Udoskonalona Usługa Telefonii Mobilnej (IMTS). Systemy te były niezwykle ograniczone. Duże miasto, jak Nowy Jork, mogło mieć dostępnych zaledwie kilkanaście kanałów, obsługujących kilkuset klientów, którzy musieli znosić długie listy oczekujących i wygórowane koszty. Systemy te opierały się na jednym, potężnym nadajniku pokrywającym ogromny obszar, co tworzyło poważne wąskie gardło. AMPS zniszczył ten paradygmat, wprowadzając koncepcję komórkową, która dzieliła miasta na siatkę mniejszych komórek, każda z własną stacją bazową o niskiej mocy. Ta innowacja pozwoliła na ponowne wykorzystanie częstotliwości w całym mieście, zwielokrotniając pojemność tysiące razy i czyniąc usługi mobilne realnym produktem konsumenckim.

Techniczne Serce AMPS: Częstotliwości i Modulacja

W swej istocie AMPS był systemem analogowym opartym na zasadach Wielodostępu z Podziałem Częstotliwości (FDMA). Aby zrozumieć, jak działał, musimy przeanalizować jego specyfikacje techniczne, zaczynając od widma radiowego, którego używał.

Przydział Widma 800 MHz

Działanie AMPS stało się możliwe dzięki przełomowej decyzji amerykańskiej Federalnej Komisji Komunikacji (FCC) na początku lat 80. FCC przydzieliła dedykowany blok częstotliwości w paśmie 800 MHz specjalnie dla usług telefonii komórkowej. Było to kluczowe, ponieważ zapewniło radiową "przestrzeń", niezbędną do działania systemu. Całkowity przydział miał szerokość 50 MHz i został podzielony na dwa oddzielne bloki, aby wspierać konkurencję:

• Blok A (Operator nieliniowy): Ten blok został przydzielony nowym firmom wchodzącym na rynek komórkowy.
• Blok B (Operator liniowy): Ten blok był zarezerwowany dla istniejących lokalnych firm telefonicznych, takich jak różne podmioty Bell System.

Każdy blok składał się z pary pasm częstotliwości, aby umożliwić komunikację w trybie pełnego dupleksu. Konkretne zakresy częstotliwości to:

• Uplink (z telefonu do stacji bazowej): $824 \text{ MHz}$ do $849 \text{ MHz}$
• Downlink (ze stacji bazowej do telefonu): $869 \text{ MHz}$ do $894 \text{ MHz}$

Separacja 45 MHz między częstotliwościami uplink i downlink była kluczowym wyborem projektowym, aby zapobiec zakłócaniu czułego odbiornika telefonu przez jego własny, potężny nadajnik.

Struktura Kanałów i FDMA

AMPS wykorzystywał FDMA do obsługi wielu użytkowników. Całkowite pasmo 25 MHz każdego bloku (A lub B) zostało podzielone na pojedyncze kanały.

• Odstęp międzykanałowy: Każdy kanał miał szerokość $30 \text{ kHz}$.
• Całkowita liczba kanałów: Ten podział dał w sumie 832 kanały w całym paśmie 50 MHz. Po podziale na Bloki A i B, każdy operator początkowo miał dostęp do $416$ kanałów.
• Typy kanałów: Nie wszystkie kanały służyły do rozmów. Spośród 416 kanałów na operatora, 21 było przeznaczonych jako kanały kontrolne. Kanały te służyły do celów sygnalizacyjnych, takich jak wywoływanie telefonu (paging), inicjowanie połączenia i rejestracja w sieci. Pozostałe $395$ kanałów to kanały głosowe, używane do właściwej rozmowy.

Analogowa Modulacja Głosu

Do właściwej transmisji głosu AMPS używał modulacji częstotliwości (FM). Jest to ta sama technologia, która jest używana w radiofonii FM. System został zaprojektowany z maksymalną dewiacją częstotliwości wynoszącą $12 \text{ kHz}$. Oznacza to, że częstotliwość nośna mogła zmieniać się o 12 kHz w górę lub w dół od swojej centralnej częstotliwości, aby reprezentować fale dźwiękowe głosu mówiącego. Dla kanałów kontrolnych, które musiały przesyłać dane cyfrowe do sygnalizacji, AMPS używał prostej formy kluczowania z przesuwem częstotliwości (FSK) z szybkością $10 \text{ kbit/s}$.

Największa Słabość Systemu: Całkowity Brak Bezpieczeństwa

Najbardziej znaną wadą standardu AMPS był jego wrodzony brak bezpieczeństwa, który wynikał bezpośrednio z jego analogowej konstrukcji i protokołu sygnalizacyjnego. Aby zainicjować połączenie, telefon komórkowy musiał przesłać drogą radiową dwie kluczowe informacje do sieci:

• Numer Identyfikacyjny Telefonu (MIN): 34 bitowy numer pochodzący z 10 cyfrowego numeru telefonu aparatu.
• Elektroniczny Numer Seryjny (ESN): Unikalny 32 bitowy numer seryjny, na stałe zaprogramowany w telefonie przez producenta w celu identyfikacji konkretnego urządzenia.

Ponieważ informacje te były przesyłane bez jakiejkolwiek formy szyfrowania, mogły być łatwo przechwycone przez osoby używające zmodyfikowanych skanerów radiowych. Doprowadziło to do powstania szeroko rozpowszechnionego przestępstwa znanego jako klonowanie telefonów. Oszuści przechwytywali ważne pary MIN/ESN i programowali je w nielegalnie zmodyfikowanych telefonach. Następnie mogli wykonywać połączenia, często drogie połączenia międzynarodowe, które były fakturowane na konto prawowitego abonenta. Stało się to ogromnym problemem finansowym zarówno dla konsumentów, jak i dla operatorów komórkowych, kosztując branżę setki milionów dolarów rocznie i poważnie nadszarpując zaufanie konsumentów. Powszechne oszustwa były silną zachętą dla operatorów do przejścia na bezpieczniejsze, cyfrowe technologie.

Cyfrowy Następca: D-AMPS i Koniec Ery Analogowej

Pod koniec lat 80. ograniczenia AMPS stawały się coraz bardziej oczywiste. Oprócz koszmaru bezpieczeństwa związanego z klonowaniem, gwałtowny wzrost liczby abonentów prowadził do przeciążenia sieci w największych miastach. System FDMA, z jednym użytkownikiem na kanał 30 kHz, był po prostu zbyt nieefektywny.

Odpowiedzią branży było opracowanie Cyfrowego AMPS, czyli D-AMPS, oficjalnie znanego jako standard IS-54, a później IS-136. D-AMPS był technologią 2G, zaprojektowaną jako ewolucyjna ścieżka modernizacji. Sprytnie wykorzystywał tę samą strukturę kanałów 30 kHz i te same pasma częstotliwości co AMPS, ale wprowadzał technologię cyfrową.

Kluczową innowacją D-AMPS było wprowadzenie Wielodostępu z Podziałem Czasu (TDMA). Każdy kanał częstotliwościowy AMPS o szerokości 30 kHz został podzielony na trzy szczeliny czasowe. Pozwoliło to na prowadzenie trzech cyfrowych rozmów w tej samej przestrzeni radiowej, która wcześniej była zajmowana przez jedną rozmowę analogową, co w efekcie potroiło pojemność głosową sieci. D-AMPS wprowadził również szyfrowanie cyfrowe, co ostatecznie rozwiązało problem klonowania i podsłuchu. W miarę jak operatorzy modernizowali swoje sieci do D-AMPS (i innych konkurencyjnych standardów 2G, jak GSM i cdmaOne), użycie czysto analogowego AMPS zaczęło maleć. Ostateczny rozdział dla AMPS w Stanach Zjednoczonych nadszedł, gdy FCC przestało wymagać od operatorów wspierania standardu analogowego, co doprowadziło do całkowitego wyłączenia sieci AMPS przez głównych dostawców, takich jak AT&T i Verizon Wireless, w 2008 roku.

Dziedzictwo i Znaczenie AMPS

Chociaż dziś jest przestarzały, znaczenia standardu AMPS nie można przecenić. Był to pierwszy system, który z sukcesem skomercjalizował koncepcję komórkową na masową skalę, udowadniając, że telefonia mobilna może być usługą dla wszystkich, a nie tylko dla nielicznej elity. Stworzył konkurencyjny rynek w Stanach Zjednoczonych i napędził początkową budowę ogólnokrajowej infrastruktury komórkowej.

AMPS posłużył jako kluczowy pierwszy krok. Jego własne ograniczenia, słabe bezpieczeństwo, nieefektywne wykorzystanie widma i niska jakość głosu, stworzyły jasne imperatywy techniczne i biznesowe, które napędziły globalne przejście na cyfrowe, bezpieczne i zdolne do przesyłania danych sieci drugiej generacji i późniejszych. Był to analogowy fundament, na którym zbudowano cały cyfrowy świat mobilny.