デジタルAMP

IS-54とIS-136は、第2世代（2G）の携帯電話システムで、デジタルAMPS（D-AMPS ）として知られ、 TDMAとも呼ばれ、北米の1GモバイルシステムであるAdvanced Mobile Phone System（AMPS）をさらに発展させたものです。1993年に最初の商用ネットワークが導入されて以来、南北アメリカ全土、特に米国とカナダで普及していました。 ^{[1] D-AMPSは}寿命が尽きたと考えられており、既存のネットワークは主にGSM / GPRSまたはCDMA2000テクノロジーに置き換えられています。

TDMA という名前は、GSM を含むほとんどの 2G 標準、および IS-54 と IS-136 で使用される一般的な多重アクセス技術である、時分割多重アクセスの略語に基づいています。D-AMPS は、GSM およびコード分割多重アクセス(CDMA) に基づくシステムと競合しました。

D-AMPSは既存のAMPSチャネルを使用し、同じエリアでデジタルシステムとアナログシステム間のスムーズな移行を可能にします。各30kHzチャネルペアを3つのタイムスロットに分割し（したがって時分割）、音声データをデジタル圧縮することで、以前のアナログ設計よりも容量が増加し、単一セルでの通話容量が3倍になりました。また、アナログスキャナはデジタル信号にアクセスできなかったため、デジタルシステムにより当初は通話のセキュリティが向上しました。通話はCMEAを使用して暗号化されましたが、後に脆弱であることが判明しました。^[2]

IS-136 は、テキスト メッセージング、回線交換データ(CSD)、改良された圧縮プロトコルなど、元の IS-54 仕様にいくつかの機能を追加しました。SMS と CSD はどちらも GSM プロトコルの一部として利用可能であり、IS-136 はそれらをほぼ同じ方法で実装しました。

米国の AT&T やカナダのRogers Wirelessなど、かつての大規模な IS-136 ネットワークは、既存の IS-136 ネットワークを GSM/GPRS にアップグレードしました。Rogers Wireless は 2003 年に 1900 MHz IS-136 をすべて削除し、機器の故障に伴い 800 MHz スペクトルについても同様の措置を講じました。Rogers は 2007 年 5 月 31 日に IS-136 ネットワーク (AMPS も含む) を非アクティブ化しました。AT&T もすぐに 2008 年 2 月にこれに続き、TDMA と AMPS の両方をシャットダウンしました。

CDMA2000技術を主に使用していたが、 Western WirelessからTDMAネットワークを買収したAlltelは、2008年9月にTDMAおよびAMPSネットワークを閉鎖した。現在もCDMA2000技術を主に使用しているUS Cellularは、2009年2月にTDMAネットワークを閉鎖した。

IS-54はセキュリティを考慮した最初の移動通信システムであり、TDMA技術を採用した最初のシステムである。^[3]

モバイル通信の発展は、北米、ヨーロッパ、日本の3 つの異なる地理的地域で始まりました。これらの地域で使用されていた規格は、互いにまったく独立していました。^[要出典]

最も初期に実装されたモバイルまたはワイヤレス技術は完全にアナログであり、総称して第 1 世代 ( 1G ) 技術と呼ばれています。日本では、1G 標準は日本電信電話(NTT) とその大容量バージョン ( Hicap ) でした。ヨーロッパ全体で使用されていた初期のシステムは互いに互換性がなく、後に共通の「欧州連合」の観点/技術標準というアイデアがこの時点では存在していませんでした。^{[引用が必要]}

ヨーロッパで使用されているさまざまな 1G 規格には、C-Netz (ドイツとオーストリア)、Comviq (スウェーデン)、Nordic Mobile Telephones /450 (NMT450) および NMT900 (ともに北欧諸国)、NMT-F (NMT900 のフランス語版)、TMA-450 (NMT450 のスペイン語版)、Radiocom 2000 (RC2000) (フランス)、TACS (Total Access Communication System) (英国、イタリア、アイルランド) 、および TMA-900 (TACS のスペイン語版) などがあります。北米の規格は、Advanced Mobile Phone System (AMPS) および Narrow-band AMPS (N-AMPS)でした。

北欧諸国の協力にもかかわらず、ヨーロッパのエンジニアリング努力はさまざまな標準に分散され、日本の標準はあまり注目されませんでした^{[誰によって? ] 。 1970 年代に}ベル研究所で開発され、1983 年に米国で初めて商業的に使用されたAMPS は、米国の800 MHz帯域で動作し、最も広く普及しているアナログ携帯電話標準です。 (1994 年に確立された 1900 MHz PCS帯域は、デジタル操作専用です。) AMPS の成功により、北米でモバイル時代が始まりました。

当時のモバイル通信規格が処理できる容量とモビリティよりも高い容量とモビリティを備えたため、市場の需要は増加傾向にありました。たとえば、1970 年代のベル研究所のシステムでは、ニューヨーク市全体で一度に 12 件の通話しか伝送できませんでした。AMPS は周波数分割多重アクセス(FDMA) を使用しており、これにより各セル サイトが異なる周波数で送信できるようになり、多数のセル サイトを互いに近くに構築できるようになりました。

AMPS にも欠点はたくさんありました。第一に、増え続けるモバイル通信需要に対応できる能力がありませんでした。各基地局には、より多くの通話を処理できる容量がありませんでした。また、AMPS のセキュリティ システムは貧弱で、電話のシリアル コードを盗んで違法な通話を行うことができました。これらすべての理由から、より高性能なシステムを求めるようになりました。

この探求の結果、米国初の 2G 標準であるIS-54 が誕生しました。1990 年 3 月、北米の携帯電話ネットワークに、北米初のデュアル モード デジタル携帯電話標準である IS-54B 標準が採用されました。この標準は、音声チャネルを 30 kHz から 10 kHz に削減することで容量を増やすアナログ方式であるMotorolaの Narrowband AMPS (N-AMPS) に勝利しました。一方、IS-54 は、TDMAプロトコルを使用してデジタル手段で容量を増やしました。この方法は、通話を時間で分割し、個々の会話の一部を次々に同じ周波数に配置します。TDMA により通話容量は 3 倍になりました。

IS-54 を使用すると、携帯電話会社はシステムのアナログ音声チャネルをデジタルに変換できます。デュアル モード電話は、利用可能な場合はデジタル チャネルを使用し、利用できない場合は通常の AMPS をデフォルトとして使用します。IS-54 はアナログ携帯電話と下位互換性があり、AMPS と同じ無線チャネルで共存していました。アナログの顧客が取り残されることはなく、単に IS-54 の新機能にアクセスできなかっただけです。IS-54 は認証もサポートしており、詐欺防止に役立ちます。

IS-54 は、AMPS と同じ 30 kHz のチャネル間隔と周波数帯域 (824 ～ 849 MHz および 869 ～ 894 MHz) を採用しています。30 kHz の各チャネル ペアを 3 つのタイム スロットに分割し、音声データをデジタル圧縮することで、以前のアナログ設計よりも容量が増加し、1 つのセルで 3 倍の通話容量を実現しました。また、デジタル システムでは、アナログ スキャナがデジタル信号にアクセスできないため、通話のセキュリティも向上しました。

IS-54 規格では 84 の制御チャネルが指定されており、そのうち 42 は AMPS と共有されます。既存の AMPS 携帯電話システムとの互換性を維持するために、IS-54 携帯電話システムの主な順方向および逆方向の制御チャネルでは、AMPS と同じ信号方式と変調方式 (バイナリ FSK) が使用されます。AMPS/IS-54 インフラストラクチャは、アナログ AMPS 電話または D-AMPS 電話のいずれかの使用をサポートできます。

IS-54 で使用されるアクセス方式は、米国で開発された最初のデジタル規格である時分割多重アクセス (TDMA) です。これは 1992 年に TIA によって採用されました。TDMA は、30 kHz AMPS チャネルをそれぞれ 3 つのフルレート TDMA チャネルに分割します。各チャネルは、1 つの音声通話をサポートできます。その後、これらのフルレート チャネルはそれぞれ 2 つのハーフレート チャネルにさらに分割され、必要なコーディングと圧縮により、各チャネルも音声通話をサポートできるようになりました。したがって、TDMA は、AMPS トラフィック チャネルの 3 ～ 6 倍の容量を提供できます。TDMA は、当初 IS-54 規格で定義され、現在は EIA/TIA の IS-13x シリーズの仕様で指定されています。

搬送波をデジタル変調するためのチャネル伝送ビット レートは 48.6 kbit/s です。各フレームには 6.67 ミリ秒の期間のタイム スロットが 6 つあります。各タイム スロットには 324 ビットの情報が含まれ、そのうち 260 ビットは 13 kbit/s のフル レート トラフィック データ用です。残りの 64 ビットはオーバーヘッドです。このうち 28 ビットは同期用で、フレーム アラインメントを確立するためにすべての受信機が知っている特定のビット シーケンスが含まれています。また、GSM と同様に、この既知のシーケンスはアダプティブ イコライザーを初期化するためのトレーニング パターンとして機能します。

IS-54 システムでは、フレームを構成する 6 つのタイム スロットごとに異なる同期シーケンスが用意されているため、各受信機は事前に割り当てられた独自のタイム スロットに同期できます。各タイム スロットの追加の 12 ビットは SACCH (システム制御情報) 用です。デジタル検証カラー コード (DVCC) は、AMPS システムで使用される監視音声トーンに相当します。256 種類の 8 ビット カラー コードがあり、(12、8、3) ハミング コードによって保護されています。各ベース ステーションには事前に割り当てられた独自のカラー コードがあるため、遠くのセルから入ってくる干渉信号は無視できます。

IS-54 の変調方式は 7C/4 差動 4 値位相シフト キーイング (DQPSK) で、差動 7t/4 4-PSK または π/4 DQPSK とも呼ばれます。この技術により、30 kHz のチャネル間隔で 48.6 kbit/s のビット レートが可能になり、帯域幅効率は 1.62 bit/s/Hz になります。この値は GSM より 20% 優れています。このタイプの線形変調方式の主な欠点は、電力効率が悪いことです。このため、携帯機器が重くなり、さらに不便なことに、バッテリーの再充電間隔が短くなります。

会話のデータ ビットは DATA フィールドを構成します。6 つのスロットが完全な IS-54 フレームを構成します。スロット 1 と 4、2 と 5、3 と 6 の DATA が音声回線を構成します。DVCC はデジタル検証カラー コードの略で、各セルに割り当てられた固有の 8 ビット コード値を表す難解な用語です。G はガード タイム、つまり各タイム スロット間の期間を意味します。RSVD は予約を意味します。SYNC は同期を表し、重要な TDMA データ フィールドです。すべてのフレームの各スロットは、すべてが機能するために他のすべてのスロットおよびマスター クロックと同期している必要があります。

モバイルから基地への方向のタイム スロットは、基地からモバイルへの方向とは構成が異なります。基本的に同じ情報を伝送しますが、配置が異なります。モバイルから基地への方向には、送信機が最大出力に達するまでの 6 ビットのランプ時間と、何も送信されない 6 ビットのガード バンドがあることに注意してください。基地からモバイルへの方向のこれらの 12 ビットの追加ビットは、将来の使用のために予約されています。

通話が着信すると、モバイルは別の周波数ペア（システム キャリアがアナログまたはデジタルにした音声無線チャネル）に切り替わります。このペアが通話を伝送します。IS-54 信号が検出されると、デジタル トラフィック チャネルが割り当てられます (使用可能な場合)。高速関連チャネル (FACCH) は通話中にハンドオフを実行するため、モバイルは制御チャネルに戻る必要はありません。ノイズが多い場合、デジタル トラフィック チャネルに埋め込まれた FACCH は音声ペイロードをオーバーライドし、制御情報を伝達するために音声品質を低下させます。目的は接続を維持することです。低速関連制御チャネル (SACCH) はハンドオフを実行しませんが、信号強度情報などを基地局に伝達します。

IS-54 音声コーダは、ベクトル和励起線形予測(VSELP) コーディングと呼ばれる技術を使用します。これは、コード励起線形予測(CELP) コーダと呼ばれる大きなクラス内の特殊なタイプの音声コーダです。7.95 kbit/s の音声コーディング レートは、周波数変調を使用するアナログ AMPS システムと同様の再構成音声品質を実現します。7.95 kbit/s 信号は、ビット レートを最大 13 kbit/s までロードするチャネル コーダを通過します。新しいハーフ レート コーディング標準は、各通話の全体的なビット レートを 6.5 kbit/s に削減し、13 kbit/s レートに匹敵する品質を提供します。このハーフ レートでは、アナログ AMPS の 6 倍のチャネル容量が得られます。

通信システムの説明は、システム例の説明なしには完結しません。IS-54 規格で規定されているデュアル モード携帯電話について説明します。デュアル モード電話は、アナログ専用セルまたはデュアル モード セルで動作できます。送信機と受信機は両方とも、アナログ FM とデジタル時分割多重アクセス (TDMA) 方式の両方をサポートします。デジタル送信が優先されるため、携帯電話システムにデジタル機能がある場合は、最初にモバイル ユニットにデジタル チャネルが割り当てられます。デジタル チャネルが利用できない場合は、携帯電話システムによってアナログ チャネルが割り当てられます。送信機はオーディオ信号を無線周波数 (RF) に変換し、受信機は RF 信号をオーディオ信号に変換します。アンテナは、受信と送信のために RF エネルギーを自由空間に集中および変換します。コントロール パネルは、エンド ユーザー用の入出力メカニズムとして機能し、キーパッド、ディスプレイ、マイク、およびスピーカーをサポートします。コーディネータは、モバイル ユニットの送信と受信機能を同期します。デュアル モード携帯電話は、次のもので構成されます。

• 送信機
• アンテナアセンブリ
• 受信機
• コントロールパネル
• コーディネーター

1993 年までに、IS-54 への幅広い移行にもかかわらず、アメリカの携帯電話は再び容量不足に陥りました。アメリカの携帯電話事業は引き続き好調でした。加入者数は 1988 年の 150 万人から 1993 年には 1,300 万人以上に増加しました。成長する市場に対応するために、他の技術を導入する余地がありました。IS-54 に続く技術は、IS-54 によって確立されたデジタル バックボーンに固執しました。

IS-54 を改良するための実際的な取り組みが開始され、最終的に IS-54 ハイブリッド設計に追加のチャネルが追加されました。IS-54 とは異なり、IS-136 は音声と制御チャネルの両方の送信に時分割多重化を使用します。デジタル制御チャネルにより、住宅および建物内のカバレッジ、バッテリ待機時間の大幅な増加、いくつかのメッセージング アプリケーション、無線によるアクティブ化、および拡張されたデータ アプリケーションが可能になります。IS-136 システムは、数百万台の AMPS 電話をサポートする必要がありましたが、そのほとんどは IS-54 と IS-136 が検討される前に設計および製造されていました。IS-136 は、テキスト メッセージング、回線交換データ (CSD)、および改善された圧縮プロトコルなど、元の IS-54 仕様にいくつかの機能を追加しました。IS-136 TDMA トラフィック チャネルは、24.3キロボーのチャネル レートで π/4-DQPSK 変調を使用し、30 kHz チャネルの 1 つのフレームを構成する 6 つのタイム スロット全体で 48.6 kbit/s の実効データ レートを実現します。

D-AMPS（同社では「TDMA」と呼んでいる）をサポートする米国最大の通信事業者であるAT&T Mobilityは、19のワイヤレス市場でGSMおよびUMTSプラットフォームにスペクトルを解放するために既存のネットワークを廃止した。これは2007年5月30日に開始され、6月と7月には他の地域でも続いた。これらの市場のTDMAネットワークは1900MHzの周波数で動作し、AMPSネットワークとは共存しなかった。残りの850MHz TDMA市場でのサービスは、Dobson Communicationsによってサービスが提供された地域を除き、AMPSサービスとともに2008年2月18日に廃止された。Dobson TDMAおよびAMPSネットワークは2008年3月1日に閉鎖された。

2007 年 5 月 31 日、Rogers Wireless はD-AMPS および AMPS ネットワークを廃止し、これらの古いネットワークに残っていた顧客を GSM ネットワークに移行しました。

Alltel は、2008 年 9 月に D-AMPS および AMPS ネットワークのシャットダウンを完了しました。米国で D-AMPS ネットワークを運用していた最後の通信事業者はUS Cellularで、同社は 2009 年 2 月 10 日に D-AMPS ネットワークをシャットダウンしました。

• CMEA に関する論文は 2013-10-19 にWayback Machineにアーカイブされています

• IS-136 および IS-54 のタイムスロット構造