Возвращаем работоспособность аналоговому мобильному телефону из 1997 года
Motorola StarTAC 6000
Аналоговые мобильные телефоны были популярных в 90-х. Последний оператор, поддерживавший работу сетей первого поколения, прекратил поддержку в 2007. Возможно ли вернуть к жизни и заставить работать подобный телефон сейчас? Давайте узнаем.
AMPS
Стандарт Advanced Mobile Phone System (AMPS) разработан в Bell Labs в 1983 году. Телефоны, поддерживающие AMPS, стали очень популярными в 90-х. Стандарт можно назвать сотовой сетью первого поколения — голос передавался по старинке, при помощи метода частотной модуляции (FM), как в рации. Но радиоспектр разделялся на отдельные каналы, и один из них, «канал управления», был, фактически, цифровым.
Стандарт работает со спектром 825–845 МГц и 870–890 МГц, спектр разделен на 21 канал управления и 395 каналов трафика. Каждый клиент получает отдельный канал для звонка. Кроме того, AMPS поддерживает роуминг. Процесс набора номера был современным, не слишком отличаясь от того, что есть сейчас. Самый большой недостаток AMPS — аналоговая передача голоса. Соответственно, любой телефонный звонок можно было подслушать при помощи радиоприемника с поддержкой указанного спектра частот. Как мы сегодня знаем, некоторые журналисты действительно занимались прослушкой, пытаясь узнать чужие секреты.
С другой стороны, в 80-е микроконтроллерам просто не хватало вычислительной мощности для обеспечения работы защищенных цифровых данных. Поэтому «цифра» применялась лишь для установления соединения, а голос передавался аналоговым способом. Кстати, в некоторых моделях радио сканеров, которые были разработаны для США, частотный диапазон 800-900 МГц был заблокирован. Конечно, технически подкованный человек может выполнить разблокировку, но для неспециалиста это сделать достаточно сложно. В общем, случайная настройка на чей-нибудь звонок для обычных людей была маловероятным событием.
В наше время операторы связи не поддерживают стандарт AMPS. Но благодаря open-source и технологии SDR можно поднять локальную AMPS-сеть с малым радиусом действия. Это интересно не только для самообразования, но и для демонстрации возможностей технологий прошлых лет, что могут использовать музеи или временные выставки. Ведь всегда интересно увидеть экспонат в режиме эксплуатации, а не просто лежащим на полке. Кстати, это одна из причин того, почему выставки в музеях такие скучные. Экспонаты недоступны, их возможности никак не демонстрируются.
Прежде, чем начать, обратите внимание на важный нюанс: изучите местное законодательство относительно радиосвязи. Статья описывает техническую сторону, но не юридическую. В целом, ничего страшного произойти не должно в случае использования нагрузки в 50 Ом вместо антенны. Так можно отправлять и принимать сигналы лишь на расстоянии в несколько метров. А вот для более мощной сети может потребоваться разрешение/лицензия.
Где взять телефон?
Это просто — начнем с поиска на eBay по запросу вроде “AMPS brick phone”. В итоге получаем довольно много результатов запроса, с ценой от $20. В этом случае налог и стоимость доставки могут превышать цену телефона. Самая распространенная проблема у старых телефонов — севшая в ноль батарея, ячейки которой могут быть мертвы.
Я тестировал возможность совершения звонков с телефона на телефон, поэтому заказал сразу два AMPS телефона — Motorola StarTAC и Motorola TeleTAC. Выбрал именно их, поскольку второй телефон был очень недорогим, а первый — круто выглядел. И да, к сожалению, некоторые продавцы с eBay мошенничают. Я купил этот телефон на eBay (имя продавца скрыто по соображениям приватности).
В описании продавец указал, что телефон проверен, «condition — tested». Что не так? У телефона нет зарядки, что делает его полностью бесполезным, во всяком случае, для тестирования AMPS. Возможно, кто-то покупает эти телефоны лишь для того, чтобы положить в качестве экспоната на полочку или сфотографировать, поэтому у них нет зарядки? В любом случае, зарядки не было в описании, отсутствовала она и на фото, так что чисто формально продавец не врал. Возможно, я могу получить деньги назад, обратившись в службу поддержки PayPal, но это займет время, а мне придется отправить телефон обратно, что отнимет еще больше времени. В итоге я заказал еще один телефон с зарядным устройством у другого продавца, а этот оставил в качестве резервного.
В итоге я все же получил телефон, который включается и показывает NS (no service) при включении.
Телефон не может найти сеть, что неудивительно, учитывая отключение последней работающей AMPS-сети в 2007 году.
Давайте решим эту проблему.
Настройка
Для проекта нужно несколько компонентов:
1. Программно-определяемый радиопередатчик. Передатчик должен иметь возможность отправлять и принимать широкополосные сигналы в полнодуплексном режиме (передавать и принимать одновременно). USRP или LimeSDR подойдут для этой работы.
2. Компьютер с Linux. Я работал с Raspberry Pi 4, поэтому устанавливать Linux на мой основной компьютер не было необходимости. При использовании Raspberry Pi требуется хороший источник питания, потому что передатчик будет получать питание через порт USB от этого же источника питания.
3. ПО для контроля передатчика. В случае AMPS есть два варианта: osmocom-analog и gr-amps.
Устанавливаем программное обеспечение
Как и упоминалось выше, ПО разработано для Linux. В теории можно скомпилировать его и для Windows, но многие библиотеки отсутствуют. А вот для Linux все будет работать «из коробки». Если вам это неинтересно, можете пропустить текущий раздел. Ниже я описываю полный процесс установки.
Для начала нужно обновить систему и установить библиотеку SoapySDR. Она нужна для доступа к «железу». Уже есть версия SoapySDR 0.8, но вот версия osmocom-analog разработана для 0.7 (во всяком случае, так было на момент написания статьи).
sudo apt-get update
sudo apt-get install build-essential autoconf gcc make cmake libasound2-dev pkg-config
wget https://github.com/pothosware/SoapySDR/archive/refs/tags/soapy-sdr-0.7.2.tar.gz
tar -xf soapy-sdr-0.7.2.tar.gz
cd SoapySDR-soapy-sdr-0.7.2 && mkdir build && cd build
cmake ..
make -j4 && sudo make install && sudo ldconfig
cd ../..
Далее устанавливаем библиотеку USRP (только в случае использования USRP-трансивера):
sudo apt-get install libuhd-dev uhd-host
wget https://github.com/pothosware/SoapyUHD/archive/refs/tags/soapy-uhd-0.4.1.tar.gz
tar -xf soapy-uhd-0.4.1.tar.gz
cd SoapyUHD-soapy-uhd-0.4.1
mkdir build && cd build
cmake ..
make -j4 && sudo make install && sudo ldconfig
cd ../..
Устанавливаем библиотеку LimeSuite (только в случае использования LimeSDR):
wget https://github.com/myriadrf/LimeSuite/archive/refs/tags/v20.10.0.tar.gz
tar -xf v20.10.0.tar.gz
cd LimeSuite-20.10.0
mkdir build && cd build
cmake ..
make -j4 && sudo make install && sudo ldconfig
cd ../..
Наконец, можно загрузить и установить ПО osmocom-analog:
git clone git://git.osmocom.org/osmocom-analog
cd osmocom-analog
autoreconf -if
./configure
make -j4
sudo make install
cd ..
Тестирование
Когда все готово, можем подключить передатчик к «малинке» и ввести команду:
sudo amps —sdr-soapy —channel 334 —channel 332 —samplerate 256000
Так мы открываем два канала, контрольный 334 и голосовой 332. Общее количество каналов должно быть равным количеству используемых телефонов + 1 канал. Опционально можно настроить tx-power and rx-sensitivity если это необходимо.
Если все сделано правильно, мы увидим симпатичную ASCII графику в командной строке Raspberry Pi:
В тот же момент мы получаем данные от контрольного канала и телефон меняет статус на «online».
На фотографии виден статус роуминга, поскольку ID нашего оператора не соответствует внесенному в память телефона. Но проблемы нет — все равно мы не платим за роуминг. Зато теперь можно звонить с компьютера на телефон и обратно.
Подробные данные звонка:
Телефон начинает звонить и можно даже ответить на звонок:
Во время звонка интересно отследить AMPS в спектре. Ниже показан контрольный канал и голосовой рядом с ним:
Как видим, существует возможность настроиться на канал и подслушать звонок.
Вывод
Было действительно интересно протестировать работу сотовой сети первого поколения. Меня удивило несколько моментов:
- Система работает хорошо, несмотря на то, что она была разработана в 1983 году. Процесс набора номера или ответа на звонок не особенно отличается от современных телефонов.
- Качество звука на удивление хорошее. Теперь понятно, почему люди жаловались, переходя с AMPS на GSM — FM c модуляцией 12 КГц отлично работает.
- Конфиденциальность звонков в такой системе — большая проблема, в особенности для политиков и знаменитостей. Да и не только для них, но и для всех прочих абонентов — ведь у любопытного соседа-пенсионера может оказаться слишком много времени. А подслушать звонок в AMPS может практически любой человек.
- С другой стороны, этот протокол имеет свои преимущества — большую зону покрытия с малой плотностью базовых станций, что весьма актуально для сельской местности. Это одна из причин того, что AMPS долгое время продолжал работать в США.
- Блог компании Selectel
- Стандарты связи
- Гаджеты
- История IT
- Сотовая связь
Сети AMPS: взгляд изнутри
Первая сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone System) заработала в Чикаго 13 октября 1983 года. Думаю, ее можно считать «родоначальницей» всех современных сотовых систем, поскольку существовавшие ранее технологии мобильной связи следует скорее относить к транковому, нежели к сотовому типу. Основным мотивом разбиения территории на ячейки (cells) послужило стремление эффективно использовать радиоволновой ресурс — ведь достаточно удаленные друг от друга соты могут работать на одних и тех же частотах!
К настоящему моменту AMPS является доминирующим стандартом в США и Канаде, кроме того, сети, построенные по этой технологии, можно найти на Ближнем Востоке, в Европе… В Москве сотовая связь стандарта AMPS развивается и поддерживается московским оператором Билайн.
AMPS относится к сетям первого поколения, то есть использует аналоговый (без цифрового кодирования) тип передачи голоса. Сейчас мы не будем касаться преимуществ и недостатков аналоговых систем связи по сравнению с цифровыми — заметим (а подробнее рассмотрим несколько ниже), что существует цифровой вариант AMPS — DAMPS (Digital AMPS).
Рассмотрение принципов функционирования системы мобильной связи AMPS уместно начать с разделения частот.
Частотные каналы.
В AMPS используется метод FDMA (Frequency Division Multiple Access — многопользовательский доступ с частотным разделением). Интересно, что при разработке стандарта на каждой географической территории предполагалось присутствие двух провайдеров (видимо, из антимонопольных соображений) — так называемого wireline (проводного) оператора (обычно им становилась компания, которая занималась проводной телефонной связью на данной территории) и non-wireline оператора (им могла стать любая компания или группа инвесторов, удовлетворяющая требованиям FCC — Федеральной Комиссии по Телекоммуникациям). Частотный ресурс делился между двумя компаниями поровну, диапазон non-wireline оператора получил название А-диапазона, а wireline — В-диапазона.
В А-диапазоне телефон передает на частотах 824-834 МГц и 845-846.5 МГц, а принимает на 869-880 МГц и 890-891.5 МГц. В В-диапазоне передача осуществляется на 835-845 МГц и 846.5-849 МГц, а прием — на 880-890 МГц и 891.5-894 МГц. Частотные полосы «нарезаются» на каналы (один канал занимает 30 КГц) — каждый диапазон состоит из 21 канала управления и 312 каналов передачи речи. Общее же количество каналов в AMPS равно «дьявольскому» числу 666 (624 голосовых и 42 управляющих).
Уже после ввода сетей AMPS в эксплуатацию Федеральная Комиссия по Телекоммуникациям выделила 156 дополнительных частотных каналов, доведя, таким образом, общее число каналов до 832. Чтобы у владельцев старых (рассчитанных на более узкий спектр) телефонов не возникало технических проблем, тип мобильного устройства определяется сетью по четырехзначному SCM (Station Class Mark — указатель класса аппарата) — если в первом бите записан 0, значит телефон старый, а если 1 — его пользователю доступны все 832 канала (остальные три бита SCM служат для определения класса мобильного телефона и мощности его передатчика).
В AMPS принята следующая классификация существующих каналов:
- канал для передачи голоса К телефону ОТ системы FOVC (FOrward Voice Channel — прямой голосовой канал)
- канал для передача голоса ОТ телефона К системе REVC (REverse Voice Channel — обратный голосовой канал).
- канал для передачи служебной информации К телефону ОТ системы FOCC (FOrward Control Channel — прямой служебный канал)
- канал для передачи служебной информации ОТ телефона К системе RECC (REverse Control Channel — обратный служебный канал, иногда его называют REVCC)
Обычно прямой и обратный голосовые каналы объединяются в пары. Например, 207 канал А-диапазона состоит из прямого канала на частоте 876.210 МГц и обратного 831.210 МГЦ.
В каждой соте прямой служебный канал FOCC свой, и он постоянно передает информацию. Это необходимо для того, чтобы при регистрации (об этом чуть ниже) телефон получил необходимые данные о сети, а также для определения (по уровню сигнала) границы ячейки. В общем случае сведения, передаваемые по FOCC можно условно разделить на три типа:
- Overhead Messages: сообщения, содержащие данные о системе (так называемый SID — System Identification Number — идентификационный номер сотовой сети), о каналах вызова; информацию, необходимую для регистрации и тому подобное.
- Mobile Control Messages: сообщения, направляемые какому-то определенному телефону (это могут быть сигналы вызова, данные о голосовых каналах, уровень мощности и прочая информация, подразумевающая ответ со стороны мобильной станции).
- Control Filler Messages: сигнал заполнения — передается в паузах между сообщениями двух первых типов. Сигнал заполнения содержит, например, сведения об уровне мощности, на которой телефон должен передавать данные по обратному служебному каналу RECC.
Прежде, чем перейти к рассмотрению алгоритмов регистрации телефона в сети, а также организации входящих и исходящих вызовов, мне бы хотелось сказать несколько слов об общей архитектуре сети AMPS. Мы не будем обсуждать этот вопрос подробно, так как схема сети, в общем-то, аналогична таковой для системы GSM (которая уже детально описана ). В AMPS не принято разделять коммутационный центр и базы данных об абонентах и телефонах — обычно сеть представляют как симбиоз базовых станций и «мозга» системы MTSO (Mobile Telecommunication Switching Office — центр коммутации мобильных телекоммуникаций), хранящего информацию и выполняющего необходимые для функционирования сети операции.
Регистрация.
Каждый мобильный телефон AMPS при производстве получает уникальный 32-битный серийный номер — ESN (Electronic Serial Number), который помещен а ROM-память. Помимо этого, в каждом AMPS-телефоне существует перезаписываемая память — так называемый NAM (Number Assignment Module — модуль для записи номера), в который оператор при заключении контракта с абонентом записывает пятизначный SID своей сети и десятизначный MIN (Mobile Identification Number — идентификационный номер телефона), определяющий телефонный номер абонента.
При включении аппарат начинает «слушать эфир», а точнее сканировать его, перебирая все прямые служебные каналы (напомню, у каждого оператора двадцать один FOCC). Если телефон настроен на использование в А-диапазоне, то сканирование начинается вниз с 333 канала, а если в В-диапазоне — то вверх с 334 канала (для случая, когда общее число каналов равно 666). После нахождения самого сильного служебного канала телефон «цепляется» за него и получает от сети SID (являющийся, напомню, идентификатором сети — именно по SID телефон определяет «свою» или «чужую» сеть), а также информацию о том, какие служебные каналы ему надо просматривать в дальнейшем. Если при сканировании не найдено ни одного служебного канала, то на дисплее появляется надпись «No service». После определения самого сильного FOCC по соответствующему ему обратному каналу RECC (если он свободен) начинается передача собственных SID, MIN и ESN, хранимых в телефоне. Система сравнивает эти данные со своими и, если все в порядке, регистрирует аппарат в сети — с этого момента телефон может работать с вызовами.
Надо сказать, что в AMPS перерегистрация происходит намного чаще, чем в GSM — каждые 10-15 минут (сравните с 6 часами в GSM). Кроме того, любое действие с телефоном (исходящий вызов, значительные перемещения относительно сети и так далее) инициализируют перерегистрацию.
Одним из серьезнейших недостатков аналоговых систем вообще и AMSP в частности является слабая защита от несанкционированного доступа. Именно на перехвате ESN и MIN во время процесса регистрации и перерегистрации основан процесс «клонирования» сотовых телефонов. Сейчас не будем обсуждать эти темы — интересующиеся могут без труда найти в internet страницы, посвященные созданию «двойников».
Исходящие вызовы.
Для исключения взаимного влияния голосовых каналов с одинаковыми частотами, используемых разными сотами, в AMPS существует система специальных сигналов SAT (Supervisory Audio Tone — контрольный звуковой сигнал). Иногда их еще называют «код цвета» (color code). SAT это обычный аудиотон, постоянно передаваемый вместе с речью в обоих направлениях (пользователь не слышит SAT благодаря системе фильтрации). Каждый кластер сотовой сети (рис.1) имеет определенный SAT (всего их три: SAT1-5970 Гц, SAT2-6000 Гц и SAT3-6030 Гц).
После набора номера и нажатия кнопки SEND на мобильном телефоне происходит повторная регистрация в сети с выбором наиболее сильного FOCC. В систему передаются данные об аппарате (SID, MIN и ESN), а также вызываемый телефонный номер. Система проводит проверку переданной информации и выделяет для разговора прямой голосовой канал FOVC и SAT. Данные о FOVC и SAT передаются по FOCC с помощью IVCDM (Initial Voice Channel Designation Message — информационное сообщение о голосовом канале). Одновременно включается передача SAT по выбранному FOVC.
Приняв IVCDM, мобильный телефон включает прием выделенного для разговора FOVC, распознает SAT и, если все правильно, включает передачу по соответствующему REVC. Обращаю внимание читателя на то, что телефон также начинает непрерывно (!) передавать SAT по REVC. Во время разговора и сотовая система, и мобильный телефон постоянно проверяют правильность принятого SAT (точнее, его частоты) — в случае, если SAT пропал или его частота не совпадает с заранее определенной, соединение разрывается (не сразу, а через пять секунд — за это время система пытается обнаружить правильный сигнал).
В случае, если SAT верный, телефон делает слышимым для абонента звук, передаваемые по FOVC (система, получив от телефона правильный SAT, в свою очередь начинает передавать в FOVC сигналы от вызываемого абонента). Интересно, что передача служебной информации (например, в случае необходимости переключения на другую пару FOVC-RECC) во время разговора осуществляется по голосовым каналам, а чтобы пользователь не слышал в динамике телефона посторонние звуки, он (динамик) на мгновение выключается. Сделано это, опять же, с помощью SAT — при передаче служебной информации передача SAT от системы на мгновение приостанавливается, что и служит для телефона сигналом к выключению динамика. Все это, разумеется, происходит за доли секунды и совершенно незаметно для пользователя.
Для завершения соединения мобильный абонент нажимает кнопку NO на своем аппарате. После этого телефон по REVC передает специальный ST (Signaling Tone — сигнальный тон) длительностью 1.8 секунды и частотой 10кГц, а затем переходит в режим ожидания. Получив ST, система завершает соединение. Если первым «повесил трубку» собеседник мобильного абонента, то по FOVC сотовая система посылает абонентскому устройству сигнал окончания соединения, приняв которое телефон также генерирует ST по REVC с параметрами, описанными выше, и переходит в режим ожидания.
Информация о соединении записывается в CDR (Call Detail Record — запись о параметрах соединения) и в дальнейшем используется в том числе и для формирования счета за услуги связи.
SAT необходим также и для мониторинга качества связи. По мере удаления мобильного телефона от базовой станции, с которой установлена связь, в разговорном тракте увеличивается доля шума. Ухудшается и качество SAT, о чем базовая станция информирует коммутатор MTSO. По команде коммутатора шесть ближайших к мобильному телефону базовых станций начинают слушать эфир, оценивая уровень передаваемого телефоном SAT. Сравнивая полученные результаты, коммутатор по возможности выбирает лучший и передает право взаимодействия с мобильным телефоном новой базовой станции, — происходит так называемый handover, переключение канала (применительно к AMPS эту процедуру принято называть handoff). Если новая базовая станция относится к кластеру с другим SAT, телефон начинает генерировать новый SAT. Все это происходит за мгновения (а, точнее, за 250 мс) и совершенно незаметно для пользователя.
Входящие вызовы.
В случае поступления входящего вызова абоненту мобильной системы коммутатор MTSO дает сигнал оповещения по всем каналам для передачи служебной информации FOCC всех сот (хотя теоретически существует возможность настроить систему таким образом, чтобы сигнал вызова подавался сначала только в том месте, где телефон был зарегистрирован последний раз).
Приняв сообщение и распознав в нем свой MIN, телефон ищет самый сильный служебный канал FOCC (другими словами, заново выполняет регистрацию в системе) и, если соответствующий RECC свободен, посылает по нему сообщение о своей готовности. Получив эту информацию, система выделяет свободную пару FOVC-REVC для разговора, начинает передавать SAT и отправляет по FOCC специальное сообщение, при приеме которого телефон абонента начинает звонить. Одновременно со звонком, мобильный аппарат начинает передавать системе по REVC SAT и ST. Обратите внимание — пока телефон звонит, в линию выдается ST. Как только пользователь «поднятием трубки» ответил на вызов, генерация ST прекращается — именно по этому событию сотовая сеть распознает момент ответа на вызов, выполняет коммутацию и делает запись в CDR.
Заключение
Основной, на мой взгляд, недостаток аналоговых сотовых сетей стал очевиден их создателям очень быстро. Подобные системы не выдерживают активного роста абонентской базы, так как число одновременно говорящих пользователей в аналоговой системе по современным меркам мало — ведь при разговоре абонент занимает канал целиком. Очевидным шагом вперед стало построение систем на основе комбинации FDMA с TDMA (не только частотное, но и временное разделение каналов), одним из самых ярких примеров которых являются сети GSM .
Частично задача увеличения числа абонентов в уже существующих сетях AMPS была решена с помощью технологии, предложенной компанией Motorola и получившей название NAMPS (Narrow-band AMPS — узкополосный AMPS). Это в некотором роде экстенсивный путь — каждый канал был разбит на три (шириной 10кГц), а их общее число, таким образом, выросло до 2412.
Однако более известно (в том числе и в нашей стране) иное детище AMPS — а именно цифровые сети DAMPS (Digital AMPS — цифровой AMPS). Это уже совершенно иной уровень и качество связи — DAMPS скорее близок к GSM, чем к AMPS (хотя бы по частотно-временному разделению каналов). Так получилось, что в момент перехода всего мира на цифровые системы связи американцы не выделили новые частоты для своих сотовых сетей второго поколения. Таким образом, цифровые системы были вынуждены строится на основе существующих аналоговых, что, однако, привело не только к увеличению технических проблем на переходном этапе, но и к уменьшению затрат на смену поколений мобильной связи. Так что системы AMPS являются хорошим решением для регионов с малым числом потенциальных абонентов — сначала можно развернуть относительно дешевую аналоговую систему, а затем, по мере накопления денежных средств и увеличения абонентской базы плавно перейти на цифровой способ передачи речи. Этому способствуют и производители абонентского оборудования — большинство современных телефонов поддерживают два режима — AMPS и DAMPS (в отличие от телефонов GSM, которые принято называть «двухдиапазонными»(dualband), аппараты AMPS/DAMPS называют «двухмодовыми»(dualmode)).
В нашей же стране сети AMPS/DAMPS недавно оказались вне закона — федеральным стандартом признан GSM, а все остальные существующие системы будут действовать лишь до 2007-2010 года.
Вы отправили слишком много запросов, поэтому ваш компьютер был заблокирован.
Для того, чтобы предотвратить автоматическое считывание информации с нашего сервиса, на Linguee допустимо лишь ограниченное количество запросов на каждого пользователя.
Пользователям, браузер которых поддерживает Javascript, доступно большее количество запросов, в отличие от пользователей, чей браузер не поддерживает Javascript. Попробуйте активировать Javascript в настройках вашего браузера, подождать несколько часов и снова воспользоваться нашим сервером.
Если же ваш компьютер является частью сети компьютеров, в которой большое количество пользователей одновременно пользуется Linguee,сообщитеоб этом нам.
Advanced Mobile Phone Service (AMPS)
Стандарт AMPS (Advanced Mobile Phone Service) – это аналоговый стандарт сотовой связи, относящийся к сетям первого поколения (1G). AMPS получил наибольшее распространение в Северной Америке, преимущественно в США, где и был разработан. Работой над созданием спецификаций этого стандарта занималась компания AT&T в 1970 году компанией. Спецификации для AMPS выпускал американский национальный институт стандартизации ANSI (American National Standards Institute) под аббревиатурой EIA/TIA/IS-3. Более поздние версии выпускались ассоциацией телекоммуникационной индустрии TIA (Telecommunications Industry Association) под аббревиатурой IS-91.
В 1978 году была построена первая тестовая сеть AMPS, а в 1980 году в Чикаго была запущена первая коммерческая сеть AMPS. Не смотря на то, что AMPS – это не первая сеть сотовой связи, она обладает рядом преимуществ: высокая спектральная эффективность, низкая стоимость эксплуатации и т.п., которые послужили причиной широкого распространения этого стандарта не только в Северной Америке, но и на других континентах.
Особенности построения радио интерфейса
AMPS относится к стандартам первого поколения сотовой связи и использует технологию FDMA (Frequency division multiple access) – метод частотного разделения каналов. При этом для каждого соединения выделяется индивидуальный частотный канал, шириною 30 кГц. Следовательно, чем выше необходима емкость, тем шире должна быть полоса частот, задействованная системой. Изначально предполагалось, что система AMPS будет работать в диапазоне 800 МГц. Однако со временем, для реализации сетей AMPS в других странах и для расширения возможностей существующих сетей, появились другие возможные частотные диапазоны, например 1900 МГц.
Предшествующие AMPS системы сотовой связи были больше похожи на сети теле- или радиовещания, чем на современные сотовые системы связи. Базовые станции (БС, BTS) в них излучали сигнал с большой мощностью и на обширной территории (с радиусом до 50 км). Такая схема обладала целым рядом недостатков, главными из которых являлись низкая емкость сети и низкая спектральная эффективность. Для работы большой сети, со значительным числом абонентов, задействовалась очень широкая полоса частот. В крупных городах системы сотовой связи быстро перегружались, и из-за ограниченности частотного диапазона не могли быть расширены.
В стандарте AMPS указанная проблема решается методом переиспользования частот, который стал ключевым во всех последующих системах сотовой связи. Принцип данного метода заключается в том, что каждая выделенная для оператора частота может быть использована на многих несмежных сотах. Это становится возможным благодаря тому, что базовые станции AMPS обладают гораздо меньшей излучаемой мощностью. Сигнал на определенной частоте распространяется на меньшей территории, а переотраженные волны быстро затухают и не могут оказать существенное влияние на работу близлежащих сот с аналогичной частотой. Таким образом, оператор может, используя одни и те же частотные каналы в сравнительно небольшом диапазоне частот, для строительства целой сети. Регулируя мощность и число используемых частот можно эффективно настроить сеть на области с различной плотностью абонентов: от степи до мегаполиса.
Одним из наиболее заметных изменений в стандарте AMPS, наряду с методом переиспользования частот, является гораздо более низкая излучаемая мощность мобильных устройств (MSU). В первых аналоговых системах сотовой связи, абонентские терминалы представляли собой громоздкие не портативные устройства. Мобильными их можно назвать лишь по тому, что они устанавливались на различных транспортных средствах. В системе AMPS телефон стал действительно мобильным. Этому способствовали сравнительно компактные размеры телефона и сравнительно низкая мощность излучения, а, следовательно, могла быть уменьшена емкость аккумулятора, а также его размеры и вес, чтобы его можно было поместить в небольшой корпус, который можно было бы удержать одной рукой.
Архитектура сети стандарта AMPS
Принципы построения сети стандарта AMPS схожи с принципами строительства других сетей сотовой связи 1G, например, NMT. Основными элементами сети являются: Mobile Telecommunications Switching Office (MTSO), Cell-Site/Base station, Mobile Subscriber Unit (MSU).
Архитектура сети стандарта AMPS
MTSO – это центральный объект сети мобильной связи. Он включает в себя Mobile Switching Centre (MSC), оборудование мониторинга сети, транспортное оборудование для связи с внешними сетями телефонной связи, например, ТфОП. Основной функцией MSC является коммутация соединений между абонентами сети и, возможно, с другими телефонными сетями. Кроме того, MSC выполняет функции контроля за радиоресурсами, составления счетов за оказанные услуги связи (биллинг), определение местоположения абонентов и некоторые другие.
Элемент сети Cell Site – это аналог базовой станции и выполняет практически аналогичные функции. Фактически Cell Site представляет собой некоторое физическое месторасположение оборудования обеспечивающего радио покрытие в пределах соты/сот: антенно-фидерное устройство и радиопередатчики. Вместе с этим Cell Site обычно включает транспортное оборудование, оборудование энергоснабжения, кондиционирования и др. Основной задачей Cell Site является организация интерфейса между MSU и MTSO.
MSU – мобильное абонентское устройство. Фактически, это оконечное пользовательское оборудование, с помощью которого абоненты получают услуги сети. Стандартом AMPS все MSU делятся на 3 группы:
1. Мобильный телефон (mobile phone)
2. Переносное (transportable) устройство
3. Портативное (portable) устройство
Причем только последний тип соответствует сотовому телефону в привычном облике. Устройства из первой группы предусматривали установку в транспортных средствах, а переносные устройства достаточно громоздки. Естественно, что наиболее компактные устройства подразумевали наименьший период работы в включенном режиме между подзарядками.
Примеры сотовых телефонов, работающих по стандарту AMPS
Каждое MSU включает в себя Numeric Assignment Module (NAM) – цифровой модуль назначения, который используется для обеспечения безопасного доступа абонентов в сеть. MTSO содержит «черный» список NAM, которым запрещен доступ в сеть. При регистрации MSU в сети MSC проверяет NAM на наличие его в «черном» списке, и, в зависимости от результата проверки, может разрешить или запретить регистрацию.
Стандарты семейства AMPS: NAMPS, TACS, ETACS, JTAC
Стандарт AMPS оказался достаточно удачным для своего времени. Основные принципы данного стандарта положены в основу нескольких других, что в итоге привело к образованию целого семейства стандартов, используемых по всему миру. Ниже рассмотрены основные из них.
TACS (Total Access Communications System) – система связи полного доступа – стандарт сотовой связи, разработанный в 1983 году компанией Motorola на основе AMPS. Данный стандарт предусматривал работу в диапазоне частот 900 МГц, который разбивался на частотные каналы с шагом 25 кГц. Стандарт TACS особенно удачно подходил для реализации сетей связи в пригородных районах и городах. В 1985 году, в Великобритании была реализована первая сеть данного стандарта. В последствие TACS широко внедрялся в других Европейских странах, Новой Зеландии и некоторых странах Азии.
В 1987 году, из-за возросших потребностей в числе частотных каналов для операторов, стандарт TACS был модернизирован в E-TACS (Enhanced Total Access Communications System). Он предусматривал в два раза большее число каналов: 1320 вместо 600.
В Японии использовался немного измененный стандарт, основанный на TACS, получивший название JTACS или NTACS (Japanese/Narrowband Total Access Communications System).
Narrowband Advanced Mobile Phone Service (NAMPS) – это улучшенный версия стандарта AMPS. Главные его отличия от предшественника заключается в использование передачи сигнализации в цифровом виде, а также использование частотных каналов шириной 10 кГц вместо 30 кГц, как это было в AMPS. Соответственно, емкость сети также утроилась.
Причины перехода от AMPS к DAMPS
Одной из главных проблем, которые встречали операторы, эксплуатирующие системы AMPS было быстрое достижение предельной емкости сети. В первую очередь перегрузки возникали на радио интерфейсе между MSU и Cell Site. Усовершенствования стандарта AMPS такие как E-TACS и NAMPS позволяли справиться с проблемой нехватки абонентской емкости лишь на некоторое время. Также существовала проблема недостаточного уровня безопасности сети. Радио соединения могли бы быть прослушаны без особых затруднений. Кроме того, аналоговые системы были легко уязвимы к внешним воздействия и качество обслуживания (QoS) оставляло желать лучшего.
Как отмечалось в начале, AMPS относится к стандартам 1G, т.е. аналоговым стандартам, пользовательские данные в котором передаются в аналоговом исходном виде. В стационарных телефонных системах отмеченные выше проблемы решались переходом от аналогового способа передачи сигналов к цифровому. Именно это и было сделано в данном случае. В конце 80-х годов был разработан стандарт D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System). Причем новый стандарт использовал тот же частотный диапазон и те же частотные каналы 30 кГц для передачи информации между базовыми станциями и абонентским терминалом, что и AMPS. Это важное условие позволило облегчить операторам миграцию от 1G к 2G, т.к. не требовалось приобретение лицензий на новые частоты, а сам процесс перехода мог быть сделан с минимальным перерывом в предоставлении услуг.
В 1990 году была запущена первая сеть стандарта DAMPS. К основным преимуществам данного стандарта можно в первую очередь отнести увеличение емкости. Для первого релиза DAMPS емкость сети на радио интерфейсе была увеличена в 3 раза. В более поздних версиях, за счет введения нового диапазона частот и новых голосовых кодеков емкость могла быть увеличена до 15 раз. Кроме увеличения емкости сети DAMPS обладал улучшенной системой безопасности, а также устойчивости к действию внешних искажений за счет введения помехоустойчивого кодирования.
Не смотря на безоговорочные преимущества цифровых систем сотовой связи перед аналоговыми, AMPS все же остается одним из лучших представителей стандартов первого поколения. Стандарт AMPS показал существовавшие недостатки аналоговых сетей и заложил прочную основу для разработки новых систем сотовой связи. До сих пор в некоторых странах продолжают функционировать сети стандарта AMPS, а по количеству абонентов он до сих пор занимает второе место по числу абонентов после GSM, не смотря на появление систем 3G и 4G.
При использовании материалов ссылка на сайт обязательна
—С автором сайта можно связаться по e-mail: ipleto@gmail.com