Стандарт AMPS

AMPS

(Advanced Mobile Phone Service/System)

1. Возможности и общие характеристики .

AMPS - "Перспективная система обслуживания мобильных абонентов " - это североамериканский стандарт (технические характеристики определены стандартом США EIA-553) разработанный в 1971 году, первая опытная система связи на 2 тысячи абонентов была испытана в Чикаго в 1978г. Коммерческая эксплуатация началась в октябре 1983 г. В стандарте использован ряд оригинальных технических решений, направленных на обеспечение качественной связи при минимальной стоимости оборудования. Данный стандарт , как и NMT-450, работает по принципу "группирования " вокруг электронной автоматической телефонной станции подвижной радиосвязи- EMX (например , EMX-2500). EMX является своего рода "местной станцией " для подвижных абонентов данной зоны обслуживания . Кроме того, на нее возложены функции генерации счетов за предоставленные услуги, ведение статистики, а также аутентфикация абонентов и обеспечение хэндовера .

На основе этого стандарта в дальнейшем были разработаны его модификации: аналоговые N-AMPS и E-AMPS , а также цифровая - D-AMPS. Эти варианты были созданы, в первую очередь, для размещения в выделенной полосе частот большего числа разговорных каналов. В N-AMPS это достигается использованием более узких полос частот каналов ( в силу чего, кстати, повысилось и качество связи; полоса уже - помех меньше), а в D-AMPS — использованием узкополосного временного разделения каналов ( NB TDMA). В системе сотовой связи стaндаpтa AMPS применяются базовые станции с антеннами, имеющими ширину диаграммы направленности 120°, которые устанавливаются в углах ячеек. Базовые станции подключены к центрам коммутации с помощью проводных линий, по которым передаются речевые сигналы и служебная информация. Разработанный практически в одно и тоже время с NMT-450, AMPS имел на тот момент более высокие качественные показатели и лучшую защиту от несанкционированного доступа.

Диапазон рабочих частот - 825-890 МГц. При этом в системе организуется 666 каналов (2x333) , 21 канал - управление . Для N-AMPS версии - 832 частотных канала, соответственно одновременно могут пользоваться сетью не более 788 абонентов (44 канала выделяются для управления).

Основные технические характеристики стандарта AMPS

Мощность передатчика автомобильной подвижной станции может составлять 12 Вт, переносного аппарата — 1 Вт.

2. Принцип работы

2.1. Осуществление соединения

1) Вызов подвижной станции (входящее соединение).

Процедура установления входящего вызова в системах стандарта AMPS выполняется следующим образом. Если в центр коммутации подвижной связи поступает заявка на установление связи с подвижным абонентом от абонента телефонной сети общего пользования или другого подвижного абонента, т. е. заявка на входящий вызов, то он по проводному каналу передачи данных дает команду всем базовым станциям, находящимся в зоне обслуживания, вызвать необходимого подвижного абонента. Этот вызов по каналу управления транслируется на подвижную станцию, которая, получив его, проверяет возможность доступа в обратный канал управления с помощью флага “свободно/занято”, имеющегося в принятом сообщении. Если обратный канал управления свободен, то абонентская станция выдает в центр коммутации подвижной связи MSC через базовую подтверждающее сообщение, которое содержит личный номер подвижного абонента.

Центр коммутации, приняв это сообщение, анализирует поступившую информацию, определяет номер базовой станции, обслуживающей в данный момент времени вызываемого абонента, и, тем самым, определяет его местоположение. Затем он выбирает свободный разговорный канал на данной базовой станции BTS и занимает его, указывая в информационной части канала управления, что этот канал “занят". Процедура входящего вызова происходит в течение 1 — 4 мс, что совсем не заметно для пользователя. Реализация такой процедуры позволяет снизить до минимума вероятность конфликтной ситуации при занятии канала управления несколькими абонентами одновременно.

После выполнения процедуры установления свободного канала связи и его занятия из центра коммутации по разговорному каналу посылается повторный вызов на базовую станцию с указанием номера выделенного радиоканала и номера специального внеполосного сигнала SAT (Supervisory Audio Tone). В качестве сигнала SAT в одной ячейке системы сотовой связи может использоваться сигнал одной из трех тональных частот: 5970, 6000 или 6030 Гц, который необходим для контроля за исполнением команд и качеством связи в разговорном канале. Данный сигнал выходит за рамки стандартного канала тональной частоты (300 - 3100 Гц), подавляется фильтрами абонентских станций и поэтому не слышен

Получив информацию от центра коммутации, абонентская станция перестраивается на частоту свободного разговорного канала и по нему ретранслирует выделенный сигнал SAT, При его распознавании на базовой станции принимается решение о готовности дуплексного радиоканала “базовая станция — абонент”, о чем сообщается в центр коммутации соответствующим сигналом.

Далее производится коммутация наземной телефонной линии между центром MSC и базовой станцией, радиоканала — между станцией BTS и подвижной станцией MS, которая соответствующей командой приводится в готовность.

Если абонент свободен, то от него по назначенному разговорному каналу на базовую станцию передается тональный сигнал ST (Signalling Tone) частотой 8 кГц, который прерывается при снятии трубки абонентского аппарата. По сигналу ST базовая станция сообщает в центр коммутации о готовности абонентского терминала, и центр МSС посылает абоненту сигнал вызова (звонок),

При прерывании сигнала ST центр коммутации подключает весь разговорный тракт, передает в канал сигнал SAT и следит за результатами контроля качества связи. По завершении разговора от абонентского терминала передается сигнал ST и сигнал о перестройке на частоту канала управления, поэтому базовая станция сообщает в центр коммутации подвижной связи об окончании сеанса связи, после чего коммутационное оборудование освобождается,

Сигнал SAT постоянно передается в канале связи во время разговора. В том случае, если обнаружено прерывание этого сигнала, абонентская станция включает таймер и, если сигнал SAT не будет обнаружен по истечении определенного времени, переключается на частоту канала управления. На этом сеанс связи заканчивается.

Следует отметить, что в отличие от алгоритма входящего вызова системы NMT в данном алгоритме контроль достоверности принимаемых сообщений частично перенесен на блок управления абонентской станции. Например, с его помощью определяется соответствие между принятым номером разговорного канала и номером канала управления, который обслуживает данную группу разговорных каналов.

2) Вызов с подвижной станции (исходящее соединение).

Исходящий от подвижного абонента вызов может быть предназначен как для абонента телефонной сети общего пользования, так и для другого подвижного абонента системы сотовой связи. Для производства исходящего вызова пользователь набирает на радиотелефоне номер вызываемого абонента; этот номер передается на базовую станцию и далее транслируется в центр коммутации по каналу передачи данных. После анализа информации и выделения свободного разговорного канала в действующих системах сотовой связи организуется тестирование состояния каналов, устанавливается соединение и в сторону вызываемого абонента посылается вызов. При ответе абонента подключается весь разговорный тракт.

В системах сотовой связи стандарта AMPS управление при исходящем вызове основано на применении сигналов SAT и ST. Как и в системе стандарта NMT, номер вызываемого абонента записывается в запоминающее устройство абонентской станции, которая затем проверяет состояние обратного канала управления на занятость, т. е. определяет возможность доступа в прямой канал управления,

Получив доступ, абонентская станция передает исходящий вызов, в котором содержатся номера вызывающего и вызываемого абонентов. Базовая станция транслирует исходящее сообщение по каналу передачи данных в центр коммутации, где осуществляется проверка на несанкционированный доступ вызывающего абонента к данной сети. Если абонент имеет право доступа, то центр коммутации инициирует в течение 1 — 4 мс состояние обратного канала управления как “занято”, выделяет свободный разговорный канал и передает сигнал SAT. Одновременно с этим устанавливается соединение с вызываемым абонентом и ему передается вызов. Получив номера разговорного канала и сигнала SAT, вызывающая станция настраивается на частоту разговорного канала и передает по нему через базовую станцию в центр коммутации подвижной связи соответствующий сигнал SAT, после получения которого осуществляется проверка разговорного тракта MSC — BTS—MS. Далее центр коммутации ожидает ответа вызываемого абонента и, при снятии им трубки, подключает разговорный тракт и ведет контроль за качеством речи.

3) Обмен сообщениями в режиме "эстафетной передачи" (хэндовер)

Одной из основных проблем при разработке систем сотовой связи является обеспечение непрерывной связи во время передвижения абонента по зоне обслуживания. Для ее разрешения используется принцип эстафетной передачи.

В системах стандарта AMPS протокол обмена сообщениями в рассматриваемом режиме подобен протоколу систем стандарта NMT и отличается лишь тем, что контроль за качеством передачи ведется с помощью сигнала SAT, В процессе эстафетной передачи абонента от одной базовой станции к другой аппаратура подвижного абонента уведомляется о номере сигнала SAT специальным сообщением.

По мере приближения подвижной станции к границе ячейки величина отношения сигнал/шум уменьшается. Поэтому базовая станция BTS1 может выдать в центр коммутации сигнал “ухудшение качества”, по которому центр коммутации идентифицирует шесть ближайших к абоненту базовых станций и дает им команду измерить уровень сигнала SAT 1 в данном радиоканале. Центр коммутации сравнивает полученные результаты и выбирает новую ячейку с более высоким уровнем сигнала, например, ячейку 2, в базовую станцию которой передается номер нового разговорного канала и номер SAT2. Это сообщение транслируется на подвижную станцию в разговорном канале, по которому ведется сеанс связи. Подтверждением получения информации является кратковременное (на 50 мс) прерывание сигнала SAT2, зафиксировав которое, BTS1 посылает сигнал исполнения на центр коммутации. В новом разговорном канале абонентский терминал передает в центр коммутации сигнал готовности, последний производит соответствующую перекоммутацию каналов, освобождая базовую станцию BTS1, и подключает новый разговорный тракт. Контроль за качеством передачи ведется по сигналу SAT2, дискретная информация передается в разговорном канале методом бланкирования, при котором речевые сигналы прерываются. Вся процедура эстафетной передачи занимает около 250 мс, поэтому для абонента момент переключения незаметен.

2.2. Система аутентфикации

Для защиты от несанкционированного доступа в системах AMPS и D-AMPS используется система аутентфикации A-KEY. . Собственно AKEY пpедставляет из себя 8-байтовое число-ключ, хpанящееся в сотовом телефоне абонента и являющееся уникальным для каждого абонента. AKEY вводится пpи пpодаже телефона клиента и хpанится в базе. AKEY не меняется и остается постоянным пpи ноpмальной pаботе телефона. Поскольку данный ключ не передается в эфир, его нельзя перехватить и использовать, как это делалось с серийными номерами. Hа основе AKEY (постоянный ключ) с помощью хеш-функции CAVE (Cellular Authentication and Voice Encryption), использующей в качестве входных паpаметpов AKEY, ESN, MIN телефона, а также случайное число, пpисланное по эфиpу от базовой станции, генеpиpуется вpеменный ключ, называемый SSD_A (тоже 8 байт). Этот ключ в дальнейшем и используется пpи аутентификации для генеpации ответного значения. Постоянный AKEY не используется пpи аутентификации и служит только для pасчета вpеменного ключа. Пpи установлении соединения система пеpедает сотовому телефону случайное число, котоpое шифpуется по алгоpитму CAVE с использованием вpеменного ключа SSD_A и дpугих уникальных паpаметpов телефона (ESN,MIN) в качестве ключа. Ответ посылается через базовую станцию компьютеру в HLR или AC - Authentication Center, котоpый, в свою очеpедь, независимо от телефона генеpиpует ответное число (все паpаметpы телефона, в том числе и AKEY, и текущий SSD_A, хpанятся в базе данных системы аутентфикации), и сpавнивает его с полученным. В случае несовпадения числа, пpинятого от телефона с независимо посчитанным числом, аутентификация считается неудачной и телефону отказывается в соединении. Пеpиодически (пpимеpно pаз в неделю) станция посылает сотовому телефону сообщения о генеpации нового вpеменного ключа, SSD_A, по получении этого сообщения (SSD_UPDATE) телефон pассчитывает новый вpеменный ключ SSD_A, используя уже известный постоянный AKEY, ESN, MIN, и случайное число со станции. Таким обpазом, сам ключ аутентификации (SSD_A) является вpеменным и пеpиодически меняется, при этом становится бессмысленным "клониpование" тpубок (а также нахождение SSD_A методом последовательного пеpебоpа), поскольку после пеpвого же изменения ключа pаботать дальше будет только один телефон с новым ключом.

В августе 98 года данная система, закупленная у Motorola по цене 500.000 USD, запущена в компании Fora Communications (AMPS/NAMPS ) (C.Петербург). Все новые телефоны уже были снабжены A-Key, остальным клиентам необходимо было обратиться в офис компании за бесплатным перепрограммированием.

3.Технические особенности

1.. Класс излучения : Телефония (ФМ) 40KOG3E / управление: 40KOG1D

2. Общее число дуплексных каналов 666 (333x2) + 21 сигнальный

3. Пиковая девиация, кГц + 12 (эффективная : +2.9)

4. Обработка: Слоговый компандер 2:1

5. Сигналы управления :  

• тип модуляции : FFSK

• пиковая девиация, кГц : +8

• вид кода : Манчестерский

• скорость передачи, кБит/с. 10

• скорость передачи эффективная, кБит/с: 0.27-1.2

6. Помехоустойчивое кодирование: Ускоренный (65:51) код БЧХ с повторением (4)

• Базовая ст. -> Моб.ст: (40:28) БЧХ

• Моб.ст -> Базовая ст. (48:36) БЧХ

• Обнаружение ошибок: Минимум 11, максимум 89 на 200 бит.

• Коррекция ошибок: Минимум 5, максимум 89 на 200 бит

. 7. Система повтора ячеек (коэффициент повтора) 7; 12

8. Время переключения (хэндовера) на границе соты, мс: 250

9. Минимальное рабочее соотношение сигнал/шум (S/N), дБ : 10

10. Количество вызовов в ячейке (час-пик) : ~1208

11. Нагрузка на ячейку, Эрл 30.8

12. Число каналов на БС: 96

13. Число каналов управления 21

14. Критерий, определяющий начало хэндовера : величина S/N , по сигналу SAT.

Для данного стандарта характерно отсутствие автоматического роуминга в силу необходимости перепрограммирования и ввода нового ESN-кода .

Блок логики в абонентских станциях построен на базе микропроцессора INTEL-8080.

3.1 Организация каналов управления

В рассматриваемой системе используются два типа каналов управления: прямой и обратный. Информация по прямому каналу управления в направлении от базовой станции к подвижной передается со скоростью 8 Кбит/с непрерывным потоком, который, при отсутствии информации для последней, содержит лишь контрольный текст. Это является необходимым условием функционирования системы, так как в свободном состоянии приемное устройство подвижной станции сканирует каналы управления, выбирая канал с наиболее высоким уровнем сигнала, Для передачи служебной информации в каналах управления используются сообщения стандартных форматов.

В прямом канале управления сообщения стандартных форматов используются для передачи следующих сведений:

• О состоянии соответствующего обратного канала управления (свободно/занято)

• Информационных данных для четных/нечетных номеров абонентов .

Разряды, отражающие состояние обратного канала (свободно/занято), всегда располагаются на одних и тех же позициях передаваемого сообщения, с тем чтобы упростить их выделение из общего потока информации. Объединение двух потоков информации (от абонентов четных и нечетных номеров) ) уменьшает временной промежуток, отведенный для синхронизирующей последовательности. Достоверность принимаемой информации увеличивается благодаря многократной ее передаче (пять повторов), что особенно важно для каналов, подверженных замираниям и интерференции сигналов. Для обеспечения необходимой достоверности информационные слова кодируются и объединяются с разрядами коррекции ошибок. В приемнике осуществляется мажоритарное накопление последовательностей по соответствующим правилам принятия решения (3 из 5). В прямом канале управления каждое кодовое слово содержит 28 бит информации и 12 бит коррекции ошибок; в обратном канале управления используются 36 информационных бит и 12 бит коррекции ошибок. Код с такой структурой позволяет исправлять 1 ошибку и обнаруживать 4 ошибки. Информационные слова — это сложные пакеты информации, разделенные на группы или на отдельные разряды, каждый из которых определяет параметры системы, цифру в набираемом номере и т, п. Более точное содержание формата слова зависит от типа сообщения, а длина полного информационного слова может составлять 463 бита.

3.3 Положительные стороны стандарта:

• Относительно малое время переключения на границе зон обслуживания - 250 мс (против 1250мс в NMT-450).
• Надежная система аутентфикации.

3.4 Отрицательные стороны стандарта:

• Относительно слабая помехоустойчивость — в силу использования простой угловой модуляции.
• Меньшая, чем в цифровых стандартах, возможность предоставления широкого спектра сервисных услуг.
• Незащищенность от подслушивания. Осуществить "подслушку" можно на любой FM-приемник с несложным конвертером.
• Невысокая абонентская емкость сетей может увеличивать время дозвона в моменты пиковой нагрузки. Аналоговые модификации стандарта (E-AMPS и N-AMPS) данной проблемы не решили в полной мере.
• Отсутствует совместимость N-AMPS и AMPS/D-AMPS.
• Отсутствие автоматического роуминга.

Кроме того, стандарты AMPS/D-AMPS на территории Российской федерации не имеют федерального статуса (как NMT и GSM). Хорошо это или плохо - вопрос сложный. В любом случае, по решению чиновников Государственной комиссии по радиочастотам , в нашей стране к 2010 году занимаемый стандартом AMPS/D-AMPS частотный диапазон должен быть высвобожден под цифровое телевидение.

4.Перспективы

В данный момент системы стандарта AMPS "в чистом виде" уже не отвечают ни современному уровню дополнительно предоставляемых услуг связи, ни пропускной способности сети. Его цифровая модификация - D-AMPS - тем не менее получила успешное развитие. Его современная спецификация - IS-136 - вплотную приближается по качественным показателям к GSM .Важным отличием модификации D-AMPS от N-AMPS является его полная совместимость с прародителем - AMPS. Поэтому абонент , имеющий D-AMPS аппарат без затруднений работает и в сети AMPS. Обратный же переход, однако, невозможен.

На современном этапе разрабатываются проекты модернизации существующих AMPS сетей с учетом последних достижений технологии. В частности, один из таких вариантов предусматривает переход к стандарту CDMA-800 . При этом переход осуществляется установкой одной новой базовой станции CDMA взамен старых 3-х стандарта AMPS.