AMPS i początek telefonii komórkowej
Advanced Mobile Phone System (AMPS) był analogowym systemem komórkowym pierwszej generacji. Opracowano go w Bell Labs, a jego komórkowy model pojemności opisano w artykule Bell System Technical Journal z 1979 roku. Komercyjna usługa AMPS rozpoczęła się w Chicago 13 października 1983 roku. Interfejs radiowy przenosił głos z użyciem analogowej modulacji częstotliwości.
Wcześniejsze systemy, takie jak Improved Mobile Telephone Service (IMTS), korzystały z małej puli kanałów obsługiwanej przez stację o dużym obszarze pokrycia. AMPS podzielił obszar usługi na komórki i ponownie używał częstotliwości w komórkach oddalonych na tyle, aby ograniczyć zakłócenia wspólnokanałowe. Taki plan umożliwił obsługę większej liczby abonentów bez przydzielania nowej częstotliwości do każdej rozmowy.
Systemy określane jako 0G miały małą pulę kanałów i pojedynczy nadajnik o dużym obszarze pokrycia. W dużym mieście ograniczało to usługę do kilkuset abonentów, tworzyło kolejki i podnosiło koszt urządzeń. AMPS zastąpił jedną stację siecią mniejszych stacji o małej mocy, a zestawy kanałów można było ponownie wykorzystywać w kolejnych komórkach.
W modelu IMTS kilka lub kilkanaście kanałów musiało obsłużyć cały obszar miasta, dlatego pojemność kończyła się szybko. AMPS rozdzielił ten obszar na komórki i używał tego samego zestawu częstotliwości dopiero po zachowaniu separacji ograniczającej zakłócenia wspólnokanałowe. Wielokrotne użycie kanałów zwiększało liczbę równoczesnych rozmów w całym regionie.
Plan radiowy AMPS i modulacja
AMPS wykorzystywał , analogowe kanały głosowe FM i cyfrowe kanały sterujące FSK.
Przydział w paśmie 800 MHz
W amerykańskim przydziale komórkowym pasmo od telefonu do stacji bazowej obejmuje , a pasmo od stacji bazowej do telefonu . Każdy kierunek ma 25 MHz, a odstęp dupleksowy 45 MHz oddziela odbiornik telefonu od jego nadajnika.
Łączny przydział ma szerokość i dzieli się na dwa bloki operatorów. Blok A otwarto dla operatora niezwiązanego z lokalną siecią przewodową, a blok B przypisano operatorowi przewodowemu. Podział pasma pozwalał wprowadzić konkurencję przy zachowaniu sparowanych kanałów.
- Blok A: historycznie przypisany operatorowi niepowiązanemu z lokalnym operatorem przewodowym.
- Blok B: historycznie przypisany operatorowi przewodowemu.
Każdy blok ma po w obu kierunkach i tworzy pary pasm do pracy w trybie . Granice bloków i sposób ich parowania określa plan kanałowy FCC.
- , telefon do stacji bazowej:
- Łącze w dół, stacja bazowa do telefonu:
Struktura kanałów i FDMA
Klasyczny północnoamerykański plan stosuje odstęp 30 kHz między kanałami w każdym kierunku. Podręcznik ITU-D dotyczący telefonii mobilnej podaje 832 sparowane kanały w przydziale 2 x 25 MHz, czyli 416 sparowanych kanałów dla każdego bloku operatora o szerokości 12,5 MHz.
- Odstęp międzykanałowy: 30 kHz.
- Liczba kanałów parowanych: 832 w pełnym przydziale i w bloku jednego operatora.
- Kanały sterujące i ruchowe: W pierwotnym planie zwykle rezerwowano 21 kanałów sterujących na operatora, pozostawiając 395 kanałów ruchowych. Dokładna mapa kanałów zależy od wdrożonego systemu.
Analogowa modulacja głosu
Głos przenosiła o dewiacji szczytowej . Kanały sterujące przenosiły sygnalizację z użyciem binarnego o szybkości . Klasyczna specyfikacja przyjmuje dla FSK dewiację szczytową 8 kHz.
Pasmo głosu ograniczano do zakresu telefonicznego poniżej 4 kHz. Dewiacja FM oznacza odchylenie częstotliwości nośnej od wartości środkowej, a FSK przenosi symbole przez przełączanie między dwiema częstotliwościami kanału sterującego.
Sygnalizacja identyfikacyjna i ograniczenia bezpieczeństwa AMPS
Pierwotny protokół sygnalizacyjny AMPS przesyłał identyfikator abonenta i urządzenia drogą radiową bez ochrony kryptograficznej. Przy zestawianiu połączenia istotne były dwa pola:
- Mobile Identification Number (MIN): 34-bitowe pole identyfikatora abonenta.
- Electronic Serial Number (ESN): 32-bitowe pole identyfikatora urządzenia przypisanego do telefonu.
Odbiornik monitorujący kanał sterujący mógł przechwycić poprawną parę MIN i ESN. Skopiowanie tej pary do innego telefonu umożliwiało klonowanie i wykonywanie obciążających abonenta połączeń. AMPS nie zapewniał więc poufności ani uwierzytelniania, które później wprowadziły standardy cyfrowe.
Zmodyfikowany skaner mógł zapisać identyfikatory podczas rejestracji albo zestawiania rozmowy. Skopiowane MIN i ESN pozwalały przypisać cudze połączenia do prawidłowego abonenta. Skala oszustw generowała dla operatorów i klientów koszty liczone w setkach milionów dolarów rocznie i przyspieszyła migrację do systemów cyfrowych.
Oszuści mogli wykonywać kosztowne połączenia międzynarodowe, a rachunki trafiały do prawidłowego abonenta. Powszechne klonowanie obniżało zaufanie do usługi i wzmacniało presję na wprowadzenie uwierzytelniania oraz szyfrowania w następcach cyfrowych.
D-AMPS i przejście na radio cyfrowe
Jedna rozmowa analogowa zajmowała cały kanał 30 kHz. Wzrost liczby abonentów oraz brak ochrony sygnalizacji analogowej zwiększały potrzebę wydajniejszego interfejsu radiowego, który mógł wykorzystać istniejący plan częstotliwości.
Pod koniec lat osiemdziesiątych obciążenie sieci rosło w dużych miastach. Przydzielenie jednego użytkownika do całego kanału 30 kHz ograniczało pojemność, więc następca musiał wykorzystać istniejący raster i zapewnić większą liczbę rozmów.
Cyfrowy AMPS, najpierw ujęty w standardzie IS-54, a później rozwinięty w IS-136, zachował plan pasmowy AMPS i raster 30 kHz. Wprowadził oraz cyfrowe kodowanie mowy.
D-AMPS był ewolucyjną technologią 2G. Operator mógł wykorzystać istniejące pasma i kanały 30 kHz, wprowadzając cyfrową mowę oraz sygnalizację bez natychmiastowej wymiany całego planu radiowego.
Każdy nośny kanał AMPS o szerokości 30 kHz podzielono w IS-54 na trzy szczeliny pełnej szybkości. W tej samej szerokości pasma mogły więc działać trzy kanały rozmów, podczas gdy AMPS analogowy przenosił jedną rozmowę.
Podręcznik ITU-D opisuje trzy kanały TDMA pełnej szybkości w jednym nośnym kanale AMPS o szerokości 30 kHz, szybkość modulacji 48,6 kbit/s i modulację pi/4-DQPSK dla IS-54. Uwierzytelnianie i szyfrowanie poprawiły ochronę, a tryb dwusystemowy ułatwił migrację z AMPS. Wymóg świadczenia usługi analogowej przez operatorów w USA wygasł 18 lutego 2008 roku. Data ta zakończyła obowiązek utrzymywania AMPS, lecz nie wymusiła wyłączenia wszystkich nadajników tego samego dnia.
Dziedzictwo AMPS
AMPS pokazał, że ponowne wykorzystanie częstotliwości w komórkach może obsłużyć komercyjną sieć dla dużej grupy abonentów w USA. Prace Bell Labs ugruntowały planowanie komórek, zarządzanie mobilnością i przekazywanie połączeń, a przydział w paśmie 800 MHz ułatwił przejście do systemów cyfrowych.
Komercjalizacja AMPS stworzyła rynek dla telefonii komórkowej i uzasadniła budowę infrastruktury obejmującej całe regiony. Ten sam plan częstotliwości można było rozwijać przez podział komórek, dokładanie stacji i późniejsze przejście na radio cyfrowe.
Interfejs analogowy jest dziś przestarzały, lecz jego ograniczenia wskazały konkretne kierunki rozwoju: ograniczone widmo, jawna sygnalizacja identyfikatorów i pojemność jednego połączenia na kanał motywowały zastosowanie TDMA, CDMA oraz późniejszych systemów pakietowych. AMPS należy opisywać jako północnoamerykański standard 1G, ponieważ inne krajowe systemy 1G rozwijano niezależnie.
Ograniczona jakość głosu, nieefektywne wykorzystanie widma i brak ochrony danych stworzyły wymagania dla cyfrowych sieci drugiej generacji. AMPS był analogową podstawą, na której budowano późniejsze systemy mobilne.