Amplificadores digitales

El sistema Digital AMPS ( D-AMPS ), comúnmente conocido como TDMA , es un sistema de telefonía celular de segunda generación ( 2G ) que alguna vez fue predominante en toda América , particularmente en Estados Unidos y Canadá, desde que se desplegó la primera red comercial en 1993. ^{[ 1 ]} Entre las antiguas grandes redes D-AMPS se encontraban las de AT&T y Rogers Wireless . El nombre TDMA se basa en la abreviatura de acceso múltiple por división de tiempo , una técnica común de acceso múltiple que se utiliza en la mayoría de los estándares 2G, incluido GSM . D-AMPS compitió con GSM y los sistemas basados ​​en acceso múltiple por división de código (CDMA). Actualmente se considera que ha llegado al final de su ciclo de vida , ya que las redes existentes se han cerrado y han sido reemplazadas por tecnologías GSM/ GPRS o CDMA2000 . El último operador en operar una red D-AMPS fue US Cellular , que la finalizó el 10 de febrero de 2009. ^{[ 2 ]}

Los nombres técnicos de D-AMPS son IS-54 y su sucesor IS-136. ^{[ 3 ] [ 4 ]} IS-54 fue el primer sistema de comunicación móvil que contaba con seguridad y el primero en emplear la tecnología de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA). ^{[ 5 ]} IS-136 añadió varias características a la especificación original de IS-54, incluyendo mensajería de texto (SMS), datos conmutados por circuito (CSD) y un protocolo de compresión mejorado. Tanto SMS como CSD estaban disponibles como parte del protocolo GSM, e IS-136 los implementó de forma casi idéntica.

D-AMPS fue un desarrollo posterior del sistema móvil norteamericano 1G, el Sistema Avanzado de Telefonía Móvil (AMPS), y utilizó los canales AMPS existentes, permitiendo una transición fluida entre sistemas digitales y analógicos en la misma área. La capacidad se incrementó con respecto al diseño analógico anterior dividiendo cada  par de canales de 30 kHz en tres intervalos de tiempo (de ahí la división de tiempo ) y comprimiendo digitalmente los datos de voz, lo que resultó en una capacidad de llamadas tres veces mayor en una sola celda. Un sistema digital también hizo que las llamadas fueran más seguras inicialmente, ya que los escáneres analógicos no podían acceder a las señales digitales. Las llamadas se cifraban mediante CMEA , que posteriormente se descubrió que era débil. ^{[ 6 ]}

La evolución de las comunicaciones móviles comenzó en tres regiones geográficas diferentes: Norteamérica , Europa y Japón . Los estándares utilizados en estas regiones eran bastante independientes entre sí.

Las primeras tecnologías móviles o inalámbricas implementadas eran completamente analógicas y se conocen colectivamente como tecnologías de primera generación ( 1G ). En Japón, los estándares 1G eran Nippon Telegraph and Telephone (NTT) y su versión de alta capacidad ( Hicap ). Los primeros sistemas utilizados en Europa no eran compatibles entre sí, lo que significa que la idea posterior de un punto de vista o estándar tecnológico común de la Unión Europea estaba ausente en ese momento.

Los distintos estándares 1G utilizados en Europa incluían C-Netz (en Alemania y Austria), Comviq (en Suecia), Nordic Mobile Telephones /450 (NMT450) y NMT900 (ambos en países nórdicos), NMT-F (versión francesa de NMT900), TMA-450 (versión española de NMT450), Radiocom 2000 (RC2000) (en Francia), TACS (Total Access Communication System) (en el Reino Unido , Italia e Irlanda ) y TMA-900 (versión española de TACS). Los estándares norteamericanos eran Advanced Mobile Phone System (AMPS) y Narrow-band AMPS (N-AMPS).

A pesar de la cooperación entre los países nórdicos , los esfuerzos de ingeniería europeos se dividieron entre los distintos estándares, y los estándares japoneses no recibieron mucha atención . Desarrollado por Bell Labs en la década de 1970 y utilizado comercialmente por primera vez en Estados Unidos en 1983, AMPS opera en la banda de 800 MHz en Estados Unidos y es el estándar celular analógico de mayor distribución. (La banda PCS de 1900 MHz , establecida en 1994, es exclusivamente para operación digital). El éxito de AMPS impulsó la era de la telefonía móvil en Norteamérica.

El mercado mostró una demanda creciente debido a que ofrecía mayor capacidad y movilidad que las que permitían los estándares de comunicación móvil vigentes en aquel entonces. Por ejemplo, el sistema de Bell Labs en la década de 1970 solo podía gestionar 12 llamadas simultáneas en toda la ciudad de Nueva York . AMPS utilizaba Acceso Múltiple por División de Frecuencia (FDMA), lo que permitía que cada estación base transmitiera en diferentes frecuencias, posibilitando la construcción de numerosas estaciones base muy cerca unas de otras.

AMPS también presentaba muchas desventajas. Principalmente, no podía soportar la creciente demanda de comunicaciones móviles. Cada estación base tenía poca capacidad para gestionar un mayor número de llamadas. Además, su sistema de seguridad era deficiente, lo que permitía robar el código de serie de un teléfono para realizar llamadas ilegales. Todo esto impulsó la búsqueda de un sistema más eficaz.

La búsqueda dio como resultado IS-54 , el primer estándar 2G estadounidense. En marzo de 1990, la red celular norteamericana incorporó el estándar IS-54B, el primer estándar celular digital de modo dual de Norteamérica. Este estándar superó a Narrowband AMPS o N-AMPS de Motorola , un sistema analógico que aumentaba la capacidad reduciendo los canales de voz de 30  kHz a 10  kHz. IS-54, por otro lado, aumentaba la capacidad digitalmente mediante protocolos TDMA . Este método separa las llamadas por tiempo, colocando partes de conversaciones individuales en la misma frecuencia, una tras otra. TDMA triplicó la capacidad de llamadas.

Mediante IS-54, un operador de telefonía móvil podía convertir cualquiera de los canales de voz analógicos de su sistema a digitales . Un teléfono de modo dual utilizaba canales digitales cuando estaban disponibles y, en caso contrario, recurría a AMPS. IS-54 era compatible con la telefonía móvil analógica e incluso coexistía en los mismos canales de radio que AMPS. Ningún cliente analógico se vio perjudicado; simplemente no podían acceder a las nuevas funciones de IS-54. IS-54 también admitía la autenticación , lo que ayudaba a prevenir el fraude.

IS-54 utiliza el mismo  espaciado de canales de 30 kHz y las mismas bandas de frecuencia (824-849 y 869-894  MHz) que AMPS. La capacidad se incrementó con respecto al diseño analógico anterior dividiendo cada  par de canales de 30 kHz en tres intervalos de tiempo y comprimiendo digitalmente los datos de voz, lo que triplicó la capacidad de llamadas en una sola celda. Un sistema digital también mejoró la seguridad de las llamadas, ya que los escáneres analógicos no podían acceder a las señales digitales.

El estándar IS-54 especifica 84 canales de control, 42 de los cuales se comparten con AMPS. Para mantener la compatibilidad con el sistema de telefonía celular AMPS existente, los canales de control primarios de avance y retroceso en los sistemas celulares IS-54 utilizan las mismas técnicas de señalización y esquema de modulación (FSK binario) que AMPS. Una infraestructura AMPS/IS-54 puede admitir el uso de teléfonos analógicos AMPS o teléfonos D-AMPS.

El método de acceso utilizado para IS-54 es el Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA), que fue el primer estándar digital estadounidense desarrollado. Fue adoptado por la TIA en 1992. TDMA subdivide cada uno de los  canales AMPS de 30 kHz en tres canales TDMA de velocidad completa, cada uno de los cuales puede soportar una llamada de voz. Posteriormente, cada uno de estos canales de velocidad completa se subdividió en dos canales de media velocidad, cada uno de los cuales, con la codificación y compresión necesarias, también podía soportar una llamada de voz. De esta manera, TDMA podía proporcionar de tres a seis veces la capacidad de los canales de tráfico AMPS. TDMA fue definido inicialmente por el estándar IS-54 y ahora está especificado en la serie de especificaciones IS-13x de la EIA/TIA.

La velocidad de transmisión del canal para la modulación digital de la portadora es de 48,6  kbit/s. Cada trama tiene seis intervalos de tiempo de 6,67 ms de duración. Cada intervalo de tiempo transporta 324 bits de información, de los cuales 260 bits corresponden a los datos de tráfico a velocidad completa de 13 kbit/s. Los 64 bits restantes son de sobrecarga; 28 de ellos se utilizan para la sincronización y contienen una secuencia de bits específica conocida por todos los receptores para establecer la alineación de la trama. Además, al igual que en GSM, la secuencia conocida actúa como un patrón de entrenamiento para inicializar un ecualizador adaptativo.

El sistema IS-54 tiene secuencias de sincronización diferentes para cada una de las seis ranuras de tiempo que componen la trama, lo que permite que cada receptor se sincronice con sus propias ranuras de tiempo preasignadas. Doce bits adicionales en cada ranura de tiempo se destinan a la información de control del sistema (SACCH). El código de color de verificación digital (DVCC) es el equivalente al tono de audio de supervisión utilizado en el sistema AMPS. Existen 256 códigos de color diferentes de 8 bits, protegidos por un código Hamming (12, 8, 3). Cada estación base tiene su propio código de color preasignado, por lo que se pueden ignorar las señales interferentes entrantes de celdas distantes.

El esquema de modulación para IS-54 es la modulación por desplazamiento de fase cuaternaria diferencial 7C/4 (DQPSK), también conocida como 4-PSK diferencial 7t/4 o π/4 DQPSK. Esta técnica permite una velocidad de bits de 48,6  kbit/s con  un espaciado de canales de 30 kHz, lo que proporciona una eficiencia de ancho de banda de 1,62 bit/s/Hz. Este valor es un 20 % superior al de GSM. La principal desventaja de este tipo de modulación lineal es su bajo consumo energético, lo que se traduce en un dispositivo portátil más pesado y, aún más inconveniente, en un menor tiempo entre recargas de batería.

Los bits de datos de una conversación conforman el campo DATA. Seis ranuras componen una trama IS-54 completa. Los datos en las ranuras 1 y 4, 2 y 5, y 3 y 6 conforman un circuito de voz. DVCC significa código de color de verificación digital, una terminología técnica para un valor de código único de 8 bits asignado a cada celda. G significa tiempo de guarda, el período entre cada ranura de tiempo. RSVD significa reservado. SYNC representa la sincronización, un campo de datos TDMA fundamental. Cada ranura en cada trama debe estar sincronizada con todas las demás y con un reloj maestro para que todo funcione correctamente.

Las ranuras de tiempo para la comunicación de móvil a base se construyen de forma diferente a las de base a móvil. Si bien transmiten la misma información, su organización es distinta. Cabe destacar que la comunicación de móvil a base incluye un tiempo de rampa de 6 bits para que el transmisor alcance su máxima potencia, y una banda de guarda de 6 bits durante la cual no se transmite nada. Estos 12 bits adicionales en la comunicación de base a móvil están reservados para uso futuro.

Cuando entra una llamada, el móvil cambia a un par de frecuencias diferente; un canal de radio de voz que el operador del sistema ha configurado como analógico o digital. Este par transmite la llamada. Si se detecta una señal IS-54, se le asigna un canal de tráfico digital si hay alguno disponible. El canal de asociación rápida (FACCH) realiza traspasos durante la llamada, sin necesidad de que el móvil vuelva al canal de control. En caso de ruido intenso, el FACCH integrado en el canal de tráfico digital anula la carga útil de voz, degradando la calidad del habla para transmitir información de control. El objetivo es mantener la conectividad. El canal de control asociado lento (SACCH) no realiza traspasos, pero transmite información como la intensidad de la señal a la estación base.

El codificador de voz IS-54 utiliza la técnica denominada codificación de predicción lineal excitada por suma vectorial (VSELP). Este es un tipo especial de codificador de voz dentro de una amplia clase conocida como codificadores de predicción lineal excitada por código (CELP). La tasa de codificación de voz de 7,95  kbit/s logra una calidad de voz reconstruida similar a la del sistema analógico AMPS mediante modulación de frecuencia. La señal de 7,95 kbit/s se pasa luego a través de un codificador de canal que aumenta la tasa de bits hasta 13  kbit/s. El nuevo estándar de codificación de media tasa reduce la tasa de bits total para cada llamada a 6,5  ​​kbit/s, y debería proporcionar una calidad comparable a la de la tasa de 13 kbit/s. Esta media tasa proporciona una capacidad de canal seis veces mayor que la del AMPS analógico.

La explicación de un sistema de comunicación no estará completa sin un ejemplo. Se describe un teléfono celular de modo dual, según lo especificado por la norma IS-54. Un teléfono de modo dual puede operar en una celda analógica o en una celda de modo dual. Tanto el transmisor como el receptor admiten esquemas de FM analógica y acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) digital. Se prefiere la transmisión digital, por lo que cuando un sistema celular tiene capacidad digital, a la unidad móvil se le asigna primero un canal digital. Si no hay canales digitales disponibles, el sistema celular asignará un canal analógico. El transmisor convierte la señal de audio en una frecuencia de radio (RF), y el receptor convierte una señal de RF en una señal de audio. La antena enfoca y convierte la energía de RF para su recepción y transmisión en el espacio libre. El panel de control funciona como un mecanismo de entrada/salida para el usuario final; incluye un teclado, una pantalla, un micrófono y un altavoz. El coordinador sincroniza las funciones de transmisión y recepción de la unidad móvil. Un teléfono celular de modo dual consta de lo siguiente:

• Transmisor
• Conjunto de antena
• Receptor
• Panel de control
• Coordinador

Para 1993, la telefonía celular estadounidense volvía a quedarse sin capacidad, a pesar de la amplia adopción del estándar IS-54. El negocio de la telefonía celular en Estados Unidos continuó en auge. El número de suscriptores pasó de un millón y medio en 1988 a más de trece millones en 1993. Existía espacio para que otras tecnologías atendieran al creciente mercado. Las tecnologías que sucedieron al IS-54 se mantuvieron fieles a la infraestructura digital que este había establecido.

AT&T Mobility , el mayor operador estadounidense compatible con D-AMPS (al que denomina "TDMA"), había desactivado su red existente para liberar el espectro para sus plataformas GSM y UMTS en 19 mercados inalámbricos, a partir del 30 de mayo de 2007, y posteriormente en otras áreas durante junio y julio. La red TDMA en estos mercados operaba en la  frecuencia de 1900 MHz y no coexistía con una red AMPS. El servicio en los  mercados TDMA restantes de 850 MHz se interrumpió junto con el servicio AMPS el 18 de febrero de 2008, excepto en las áreas donde el servicio era proporcionado por Dobson Communications . La red TDMA y AMPS de Dobson se desactivó el 1 de marzo de 2008.

Rogers Wireless en Canadá eliminó toda  la banda IS-136 de 1900 MHz en 2003, e hizo lo mismo con su  espectro de 800 MHz a medida que los equipos fallaban. El 31 de mayo de 2007, Rogers Wireless desmanteló sus redes D-AMPS (junto con AMPS) y trasladó a los clientes restantes de estas redes antiguas a su red GSM.

Alltel , que utilizaba principalmente la tecnología CDMA2000 pero adquirió una red TDMA de Western Wireless , cerró sus redes TDMA y AMPS en septiembre de 2008. US Cellular , que para entonces también utilizaba principalmente la tecnología CDMA2000 , cerró su red TDMA el 10 de febrero de 2009, la última en Estados Unidos.

• Artículo sobre CMEA archivado el 19/10/2013 en Wayback Machine.

• Estructura de franjas horarias para IS-136 e IS-54