디지털 AMPS(Digital AMPS, D-AMPS), 흔히 TDMA라고 불리는 이 기술은 2세대 이동 통신(2G) 이동 전화 시스템으로, 1993년 첫 상용 네트워크가 구축된 이후 미국과 캐나다를 중심으로 한 아메리카 전역에서 널리 사용되었다. 과거 대규모 D-AMPS 네트워크를 운영했던 사업자로는 AT&T와 로저스 와이어리스가 있다. TDMA라는 명칭은 GSM을 포함한 대부분의 2G 표준에서 사용되는 일반적인 다중접속 기술인 시분할다중접속의 약자에서 유래했다. D-AMPS는 GSM 및 코드분할다중접속(CDMA) 기반 시스템과 경쟁했다. 현재는 기존 네트워크가 종료되고 GSM/GPRS 또는 CDMA2000 기술로 대체되면서 사실상 수명이 다한(end-of-life) 기술로 간주된다. D-AMPS 네트워크를 운영한 마지막 사업자는 U.S. 셀룰러로, 2009년 2월 10일에 서비스를 종료했다.
D-AMPS의 기술적 명칭은 IS-54와 그 후속인 IS-136이다. IS-54는 보안 기능이 마련된 최초의 이동 통신 시스템이자 시분할다중접속(TDMA) 기술을 채택한 최초의 시스템이었다. IS-136은 원래의 IS-54 사양에 문자 메시지(SMS), 회선 교환 데이터(CSD) 및 개선된 압축 프로토콜을 포함한 여러 기능을 추가했다. SMS와 CSD는 GSM 프로토콜의 일부로 제공되었으며, IS-136은 이를 거의 동일한 방식으로 구현했다.
D-AMPS는 북아메리카의 1세대 이동 통신(1G) 시스템인 AMPS를 발전시킨 것으로, 기존 AMPS 채널을 사용하여 동일한 구역 내에서 디지털과 아날로그 시스템 간의 원활한 전환을 가능하게 했다. 30kHz 채널 쌍을 3개의 타임 슬롯으로 분할(따라서 시분할)하고 음성 데이터를 디지털 방식으로 압축하여 이전 아날로그 설계보다 용량을 늘림으로써, 단일 셀에서 3배의 통화 용량을 확보했다. 아날로그 스캐너가 디지털 신호에 접근할 수 없었기에 초기에는 디지털 시스템을 통해 통화 보안성도 높아졌다. 통화는 CMEA를 사용하여 암호화되었는데, 이는 나중에 취약한 것으로 밝혀졌다.
역사
이동 통신의 발전은 북아메리카, 유럽, 일본이라는 세 가지 지리적 지역에서 시작되었다. 이 지역들에서 사용된 표준들은 서로 독립적이었다.
가장 초기의 이동 또는 무선 기술은 전적으로 아날로그 방식이었으며, 이를 통칭하여 1세대 이동 통신(1G) 기술이라 한다. 일본의 1G 표준으로는 일본전신전화(NTT)와 그 고용량 버전(Hicap)이 있었다. 유럽 전역에서 사용된 초기 시스템들은 서로 호환되지 않았으며, 당시에는 공통된 '유럽 연합'적 관점이나 기술 표준이라는 개념이 부재했다.
유럽에서 사용된 다양한 1G 표준으로는 C-Netz(독일 및 오스트리아), Comviq(스웨덴), 노르딕 모바일 텔레폰/450(NMT450) 및 NMT900(노르딕 국가들), NMT-F(NMT900의 프랑스 버전), TMA-450(NMT450의 스페인 버전), Radiocom 2000(RC2000)(프랑스), TACS(영국, 이탈리아, 아일랜드), TMA-900(TACS의 스페인 버전) 등이 있었다. 북아메리카 표준으로는 AMPS와 협대역 AMPS(N-AMPS)가 있었다.
노르딕 국가들의 협력에도 불구하고 유럽의 공학적 노력은 다양한 표준으로 분산되었으며, 일본 표준은 큰 주목을 받지 못했다. 1970년대 벨 연구소가 개발하여 1983년 미국에서 최초로 상용화된 AMPS는 미국에서 800 MHz 대역에서 작동하며 가장 널리 보급된 아날로그 셀룰러 표준이다. (1994년에 제정된 1900 MHz개인 휴대 통신 대역은 디지털 전용이다.) AMPS의 성공은 북아메리카의 이동 통신 시대를 열었다.
시장은 기존의 이동 통신 표준이 감당할 수 있는 것보다 더 높은 용량과 이동성을 요구했다. 예를 들어, 1970년대 벨 연구소의 시스템은 뉴욕 전체에서 한 번에 12건의 통화만 처리할 수 있었다. AMPS는 주파수 분할 다중 접속(FDMA)을 사용하여 각 셀 사이트가 서로 다른 주파수로 송신하게 함으로써, 많은 셀 사이트를 서로 근접하여 구축할 수 있게 했다.
하지만 AMPS에는 많은 단점도 있었다. 무엇보다도 이동 통신 수요의 지속적인 증가를 뒷받침할 능력이 부족했다. 각 셀 사이트는 많은 수의 통화를 처리할 수 있는 용량이 크지 않았다. AMPS는 보안 시스템이 취약하여 사람들이 휴대폰의 일련번호를 훔쳐 불법 통화를 할 수 있었다. 이 모든 것이 더 뛰어난 시스템을 찾는 계기가 되었다.
그 결과로 미국 최초의 2G 표준인 IS-54가 등장했다. 1990년 3월, 북아메리카 셀룰러 네트워크는 북미 최초의 듀얼 모드 디지털 셀룰러 표준인 IS-54B를 채택했다. 이 표준은 음성 채널을 30kHz에서 10kHz로 줄여 용량을 늘린 모토로라의 N-AMPS 아날로그 방식을 제치고 승리했다. 반면, IS-54는 TDMA 프로토콜을 사용하는 디지털 방식으로 용량을 늘렸다. 이 방식은 개별 대화의 일부를 같은 주파수에 시간 순서대로 배치하여 통화를 구분한다. TDMA는 통화 용량을 3배로 늘렸다.
IS-54를 사용하면 셀룰러 사업자는 시스템의 아날로그 음성 채널을 디지털로 변환할 수 있었다. 듀얼 모드 휴대폰은 디지털 채널이 사용 가능한 곳에서는 디지털 채널을 사용하고, 그렇지 않은 곳에서는 일반 AMPS를 사용한다. IS-54는 아날로그 셀룰러와 하위 호환성이 있었으며, 실제로 AMPS와 동일한 무선 채널에서 공존했다. 아날로그 고객이 소외되는 일은 없었으며, 단지 그들은 IS-54의 새로운 기능에 접근할 수 없었을 뿐이다. IS-54는 또한 사기 방지를 돕는 인증 기능을 지원했다.
기술 사양
IS-54는 AMPS와 동일한 30kHz 채널 간격과 주파수 대역(824-849 및 869-894MHz)을 사용한다. 이전 아날로그 설계보다 각 30kHz 채널 쌍을 3개의 타임 슬롯으로 분할하고 음성 데이터를 디지털로 압축하여 용량을 늘림으로써, 단일 셀에서 3배의 통화 용량을 확보했다. 디지털 시스템은 아날로그 스캐너가 디지털 신호에 접근할 수 없으므로 통화 보안성도 강화했다.
IS-54 표준은 84개의 제어 채널을 지정하며, 그중 42개는 AMPS와 공유된다. 기존 AMPS 셀룰러 전화 시스템과의 호환성을 유지하기 위해, IS-54 셀룰러 시스템의 기본 순방향 및 역방향 제어 채널은 AMPS와 동일한 신호 방식과 변조 방식(바이너리 FSK)을 사용한다. AMPS/IS-54 인프라는 아날로그 AMPS 휴대폰이나 D-AMPS 휴대폰을 모두 지원할 수 있다.
IS-54에 사용된 접속 방식은 TDMA(시분할다중접속)로, 미국에서 개발된 최초의 디지털 표준이다. 1992년 TIA에서 채택되었다. TDMA는 각 30kHz AMPS 채널을 3개의 풀레이트(full-rate) TDMA 채널로 분할하며, 각 채널은 하나의 음성 통화를 지원할 수 있다. 나중에 이 풀레이트 채널들은 각각 2개의 하프레이트(half-rate) 채널로 세분화되어, 필요한 코딩과 압축을 거쳐 각기 음성 통화를 지원할 수 있게 되었다. 따라서 TDMA는 AMPS 트래픽 채널보다 3~6배의 용량을 제공할 수 있었다. TDMA는 초기에 IS-54 표준으로 정의되었으며, 현재는 EIA/TIA의 IS-13x 사양 시리즈에 지정되어 있다.
반송파를 디지털 방식으로 변조하기 위한 채널 전송 비트 전송률은 48.6kbit/s이다. 각 프레임에는 6.67ms 지속 시간의 6개 타임 슬롯이 있다. 각 타임 슬롯은 324비트의 정보를 전달하며, 그중 260비트는 13kbit/s 풀레이트 트래픽 데이터용이다. 나머지 64비트는 오버헤드인데, 28비트는 동기화용이며 프레임 정렬을 설정하기 위해 모든 수신기가 알고 있는 특정 비트 시퀀스를 포함한다. 또한 GSM과 마찬가지로, 이 알려진 시퀀스는 적응형 등화기를 초기화하기 위한 훈련 패턴으로 작동한다.
IS-54 시스템은 프레임을 구성하는 6개의 타임 슬롯 각각에 대해 서로 다른 동기화 시퀀스를 가지고 있어, 각 수신기가 자신에게 할당된 타임 슬롯에 동기화할 수 있도록 한다. 모든 타임 슬롯의 추가 12비트는 SACCH(시스템 제어 정보)용이다. 디지털 검증 컬러 코드(DVCC)는 AMPS 시스템에서 사용되는 감독용 오디오 톤에 해당한다. 256개의 서로 다른 8비트 컬러 코드가 있으며, 이는 (12, 8, 3) 해밍 코드로 보호된다. 각 기지국은 고유의 미리 할당된 컬러 코드를 가지고 있어, 먼 셀로부터 들어오는 간섭 신호는 무시할 수 있다.
IS-54의 변조 방식은 7C/4 차분 4위상 편이 변조(DQPSK)이며, 이는 차분 7t/4 4-PSK 또는 π/4 DQPSK로도 알려져 있다. 이 기술을 사용하면 30kHz 채널 간격으로 48.6kbit/s의 비트 전송률을 제공하여 1.62 bit/s/Hz의 대역폭 효율을 얻을 수 있다. 이 수치는 GSM보다 20% 더 우수하다. 이러한 유형의 선형 변조 방식의 주요 단점은 전력 효율이 낮다는 점이며, 이는 휴대용 단말기가 더 무거워지고 더 불편하게도 배터리 재충전 주기가 짧아지는 결과로 이어진다.
통화 처리
대화의 데이터 비트가 DATA 필드를 구성한다. 6개의 슬롯이 하나의 완전한 IS-54 프레임을 구성한다. 슬롯 1과 4, 2와 5, 3과 6의 DATA가 음성 회로를 구성한다. DVCC는 디지털 검증 컬러 코드의 약자로, 각 셀에 할당된 고유 8비트 코드 값을 의미하는 전문 용어이다. G는 가드 시간(guard time)으로, 각 타임 슬롯 사이의 기간이다. RSVD는 예약됨(reserved)을 의미한다. SYNC는 동기화(synchronization)를 나타내며, 중요한 TDMA 데이터 필드이다. 모든 것이 작동하려면 프레임 내의 각 슬롯이 다른 모든 슬롯 및 마스터 클록과 동기화되어야 한다.
단말기에서 기지국 방향의 타임 슬롯은 기지국에서 단말기 방향과 다르게 구성된다. 본질적으로 동일한 정보를 전달하지만 구성 방식이 다르다. 단말기에서 기지국 방향은 송신기가 최대 출력에 도달할 시간을 확보하기 위한 6비트 램프 타임과, 아무것도 전송되지 않는 6비트 가드 밴드가 있다는 점에 주목하라. 기지국에서 단말기 방향의 이 12개 추가 비트는 향후 사용을 위해 예약되어 있다.
통화가 들어오면 단말기는 다른 주파수 쌍으로 전환하는데, 시스템 사업자가 아날로그 또는 디지털로 만든 음성 무선 채널이다. 이 쌍이 통화를 전달한다. IS-54 신호가 감지되면 사용 가능한 경우 디지털 트래픽 채널이 할당된다. 고속 연관 채널(FACCH)은 단말기가 제어 채널로 돌아갈 필요 없이 통화 중에 핸드오프를 수행한다. 노이즈가 심할 경우, 디지털 트래픽 채널 내에 삽입된 FACCH가 음성 페이로드를 무시하고 통화 품질을 저하시키면서 제어 정보를 전달한다. 목적은 연결성을 유지하는 것이다. 저속 연관 제어 채널(SACCH)은 핸드오프를 수행하지 않지만 기지국에 신호 강도 정보 등을 전달한다.
IS-54 음성 코더는 벡터 합 여기 선형 예측(VSELP) 코딩이라는 기술을 사용한다. 이는 코드 여기 선형 예측(CELP) 코더라고 알려진 거대한 범주 내의 특수한 유형의 음성 코더이다. 7.95kbit/s의 음성 코딩 속도는 주파수 변조를 사용하는 아날로그 AMPS 시스템과 유사한 복원 음성 품질을 달성한다. 7.95-kbit/s 신호는 비트 전송률을 13kbit/s로 높이는 채널 코더를 통과한다. 새로운 하프레이트 코딩 표준은 각 통화의 전체 비트 전송률을 6.5kbit/s로 줄이며, 13-kbit/s 속도와 비슷한 품질을 제공해야 한다. 이 하프레이트는 아날로그 AMPS의 6배에 달하는 채널 용량을 제공한다.
시스템 예시
통신 시스템에 대한 논의는 시스템 예시의 설명 없이는 완성될 수 없다. IS-54 표준에 지정된 듀얼 모드 셀룰러 폰이 설명된다. 듀얼 모드 폰은 아날로그 전용 셀 또는 듀얼 모드 셀에서 작동할 수 있다. 송신기와 수신기 모두 아날로그 FM 및 디지털 시분할다중접속(TDMA) 방식을 지원한다. 디지털 전송이 선호되므로 셀룰러 시스템이 디지털 기능을 갖춘 경우 단말기는 디지털 채널을 우선 할당받는다. 디지털 채널을 사용할 수 없는 경우, 셀룰러 시스템은 아날로그 채널을 할당한다. 송신기는 오디오 신호를 무선 주파수(RF)로 변환하고, 수신기는 RF 신호를 오디오 신호로 변환한다. 안테나는 자유 공간으로의 수신 및 송신을 위해 RF 에너지를 집중시키고 변환한다. 제어 패널은 최종 사용자를 위한 입출력 메커니즘 역할을 하며, 키패드, 디스플레이, 마이크 및 스피커를 지원한다. 조정기(coordinator)는 단말기의 전송 및 수신 기능을 동기화한다.
듀얼 모드 셀룰러 폰은 다음으로 구성된다.
송신기
안테나 어셈블리
수신기
제어 패널
조정기
후속 기술
1993년까지 미국 셀룰러 산업은 IS-54로의 광범위한 움직임에도 불구하고 다시 용량이 부족해졌다. 미국 셀룰러 사업은 계속 호황을 누렸다. 가입자는 1988년 150만 명에서 1993년 1,300만 명 이상으로 증가했다. 성장하는 시장에 대응하기 위해 다른 기술이 들어설 여지가 있었다. IS-54를 뒤따른 기술들은 IS-54가 마련한 디지털 기반을 유지했다.
IS-136
IS-54를 개선하기 위한 실용적인 노력이 시작되었고, 이는 결국 IS-54 하이브리드 설계에 추가 채널을 추가하게 되었다. IS-54와 달리 IS-136은 음성 및 제어 채널 전송 모두에 시분할 다중화를 활용한다. 디지털 제어 채널은 주거 및 건물 내 커버리지, 대폭 향상된 배터리 대기 시간, 다양한 메시징 애플리케이션, 무선 활성화 및 확장된 데이터 애플리케이션을 가능하게 한다. IS-136 시스템은 IS-54와 IS-136이 고려되기 전에 설계 및 제조된 수백만 대의 AMPS 휴대폰을 지원해야 했다. IS-136은 문자 메시지, 회선 교환 데이터(CSD) 및 개선된 압축 프로토콜을 포함한 여러 기능을 원래의 IS-54 사양에 추가했다. IS-136 TDMA 트래픽 채널은 24.3-킬로보 채널 속도에서 π/4-DQPSK 변조를 사용하며, 30kHz 채널 내의 1개 프레임을 구성하는 6개의 타임 슬롯 전반에 걸쳐 유효 48.6kbit/s 데이터 속도를 제공한다.
미국과 캐나다에서의 D-AMPS 서비스 종료
D-AMPS(이를 "TDMA"라고 부름)를 지원하는 미국 최대 사업자인 AT&T 모빌리티는 2007년 5월 30일부터 19개 무선 시장에서 기존 네트워크를 종료하고 해당 주파수를 GSM 및 UMTS 플랫폼으로 전환하기 시작했으며, 다른 지역들도 6월과 7월에 뒤를 이었다. 이들 시장의 TDMA 네트워크는 1900MHz 주파수에서 작동했으며 AMPS 네트워크와 공존하지 않았다. 나머지 850MHz TDMA 시장의 서비스는 돕슨 커뮤니케이션스(Dobson Communications)가 제공한 지역을 제외하고 2008년 2월 18일 AMPS 서비스와 함께 중단되었다. Dobson의 TDMA 및 AMPS 네트워크는 2008년 3월 1일에 종료되었다.
캐나다의 로저스 와이어리스는 2003년에 모든 1900MHz IS-136을 제거했으며, 장비가 고장남에 따라 800MHz 주파수에서도 동일하게 처리했다. 2007년 5월 31일, 로저스 와이어리스는 D-AMPS(및 AMPS) 네트워크를 폐쇄하고 기존 네트워크에 남아 있던 고객들을 GSM 네트워크로 이전했다.
주로 CDMA2000 기술을 사용했지만 웨스턴 와이어리스(Western Wireless)로부터 TDMA 네트워크를 인수한 Alltel은 2008년 9월에 TDMA 및 AMPS 네트워크를 종료했다. 당시 이미 주로 CDMA2000 기술을 사용하던 U.S. 셀룰러는 미국에서 마지막으로 2009년 2월 10일에 TDMA 네트워크를 종료했다.
