科普 | 從0G到5G移動通信的百年沉浮

轉自 | 鮮棗課堂

二戰(zhàn)期間，摩托羅拉的SCR系列步話機在戰(zhàn)場上屢建功勛，向全世界展示了無線通話的神奇魅力，也激起了人們將其應用于民用市場的渴望。

SCR-300

戰(zhàn)爭結束后，1946年，美國AT&T公司將無線收發(fā)機與公共交換電話網（PSTN）相連，正式推出了面向民用的MTS（Mobile Telephone Service）移動電話服務。

在MTS中，如果用戶想要撥打電話，必須先手動搜索一個未使用的無線頻道，然后先與運營商接線員進行通話，請求對方通過PSTN網絡進行二次接續(xù)。

整個通話采用半雙工的方式，也就是說，同一時間只能有一方說話。說話時，用戶必須按下電話上的“push-to-talk（按下通話）”開關。

MTS的計費方式也十分原始。接線員會全程旁聽雙方之間的通話，并在通話結束后手動計算費用，確認賬單。

盡管MTS現(xiàn)在看來非常另類，但它確實是有史以來人類第一套商用移動電話系統(tǒng)。

等等！不是說移動電話發(fā)明于70年代嘛？怎么40年代就有了？

大家別慌，MTS所指的Mobile Telephone（移動電話），并不是手機，而是Mobile Vehicle Telephone（移動車載電話）。更準確來說，是車載半雙工手動對講機。

MTS系統(tǒng)（1946年）

以當時的電子技術和電池技術，是不可能發(fā)明出手機的。能造出車載電話，就已經非常不錯了。

汽車后備箱里龐大的信號收發(fā)裝置

當時的“基站”也非常龐大，有點像廣播電視塔，一座城市只有一個，位于市中心，覆蓋方圓40公里，功率極高。

1947年12月，貝爾實驗室的研究人員Douglas H. Ring（道格拉斯·H·瑞因），率先提出了“cellular（蜂窩）”的構想。

他認為，與其一味地提升信號發(fā)射功率，不如限制信號傳輸?shù)姆秶?，將信號控制在一個有限的區(qū)域（小區(qū)）內。

這樣一來，不同的小區(qū)可以使用相同的頻率，互不影響，提升系統(tǒng)容量。

道格拉斯當時的論文，標題為“移動電話——廣域覆蓋”

蜂窩通信的設想雖然很好，但是，同樣受限于當時的電子技術（尤其是切換技術），無法實現(xiàn)。貝爾實驗室只能將其束之高閣。

到了50年代，陸續(xù)有更多的國家開始建設車載電話網絡。例如，1952年，西德（聯(lián)邦德國）推出的A-Netz。

1961年，蘇聯(lián)工程師列昂尼德·庫普里亞諾維奇（Leonid Kupriyanovich）發(fā)明了ЛК-1型移動電話，同樣是安裝在汽車上使用的。后來，蘇聯(lián)推出了Altai汽車電話系統(tǒng)，覆蓋了本國30多個城市。

列昂尼德和他的ЛК-1型便攜移動電話

1969年，美國推出了改進型的MTS車載電話系統(tǒng)，稱為IMTS（improved MTS）。

IMTS支持全雙工、自動撥號和自動頻道搜索，可以提供了11個頻道（后來為12個），相比MTS有了質的飛躍。

IMTS移動電話（摩托羅拉）

1971年，芬蘭推出了公共移動電話網絡ARP（Auto Radio Puhelin，puhelin是芬蘭語電話的意思），工作在150MHz頻段，仍然是手動切換，主要為汽車電話服務。

不管是Altai，還是IMTS或ARP，后來都被稱為“0G”或“Pre-1G（準1G）”移動通信技術。

進入70年代后，隨著半導體工藝的發(fā)展，手機的誕生條件終于成熟。

1973年，摩托羅拉的工程師馬丁·庫珀（Martin Cooper）和約翰·米切爾（John F.Mitchell）終于書寫了歷史，發(fā)明了世界上第一款真正意義上的手機（手持式個人移動電話）。

馬丁·庫珀（右）和約翰·米切爾（左）

這款手機被命名為DynaTAC（Dynamic Adaptive Total Area Coverage），高度22cm，重量1.28kg，可以持續(xù)通話20分鐘，擁有一根醒目的天線。

第一代DynaTAC

1974年，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）批準了部分無線電頻譜，用于蜂窩網絡的試驗。然而，試驗一直拖到1977年才正式開始。

當時參與試驗的，是AT&T和摩托羅拉這兩個死對頭。

AT&T在1964年被美國國會“剝奪”了衛(wèi)星通信商業(yè)使用權。無奈之下，他們在貝爾實驗室組建了移動通信部門，尋找新的機會。

1964–1974年期間，貝爾實驗室開發(fā)了一種叫作HCMTS（大容量移動式電話系統(tǒng)）的模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)的信令和話音信道均采用30kHz帶寬的FM調制，信令速率為10kbps。

由于當時并沒有無線移動系統(tǒng)的標準化組織，AT&T公司就給HCMTS制定了自己的標準。后來，電子工業(yè)協(xié)會（EIA）將這個系統(tǒng)命名為暫定標準3(Interim Standard 3，IS-3)。

1976年，HCMTS換了一個新名字——AMPS（Advanced Mobile Phone Service，先進移動電話服務）。

AT&T就是采用AMPS技術，在芝加哥和紐瓦克進行FCC的試驗。
再來看看摩托羅拉。

在早期的時候，摩托羅拉搞了一個RCCs（無線電公共載波）技術，賺了不少錢。所以，他們一直極力反對FCC給蜂窩通信發(fā)放頻譜，以免影響自己的RCCs市場。但與此同時，他們也在拼命研發(fā)蜂窩通信技術，進行技術儲備。這才有了前面DynaTAC的誕生。

FCC發(fā)放頻譜后，摩托羅拉基于DynaTAC，在華盛頓進行試驗。

就在他們還在慢悠悠地進行試驗的時候，別的國家已經捷足先登了。

1979年，日本電報電話公司（Nippon Telegraph and Telephone，NTT）在東京大都會地區(qū)推出了世界首個商用自動化蜂窩通信系統(tǒng)。這個系統(tǒng)后來被認為是全球第一個1G商用網絡。

當時，系統(tǒng)擁有88個基站，支持不同小區(qū)站點之間的全自動呼叫切換，不需要人工干預。

系統(tǒng)采用FDMA技術，信道帶寬25KHz，處于800MHz頻段，雙工信道總數(shù)為600個。

兩年后，1981年，北歐國家挪威和瑞典建立了歐洲的首個1G移動網絡——NMT（ Nordic Mobile Telephones，北歐移動電話）。不久后，丹麥和芬蘭也加入了他們。NMT成為全球第一個具有國際漫游功能的移動電話網絡。

再后來，沙特阿拉伯、俄羅斯和其它一些波羅的海和亞洲國家也引入了NMT。

NMT電話（愛立信制造）

1983年，后知后覺的美國終于想起來要搞自己的1G商用網絡。

1983年9月，摩托羅拉發(fā)布了全球第一部商用手機——DynaTAC 8000X，重量1kg，可以持續(xù)通話30分鐘，充滿電需要10小時，售價卻高達3995美元。

DynaTAC 8000X

1983年10月13日，Americitech移動通信公司（來自AT&T）基于AMPS技術，在芝加哥推出了全美第一張1G網絡。

當時的第一個用戶，Dave Meilhan

這張網絡既可以使用車載電話，也可以使用DynaTAC 8000X。

FCC在800MHz頻段為AMPS分配了40MHz帶寬。借助這些帶寬，AMPS承載了666個雙工信道，單個上行或下行信道的帶寬為30KHz。后來，F(xiàn)CC又追加分配了10MHz帶寬。因此，AMPS的雙工信道總數(shù)變?yōu)?32個。

商用第一年，Americitech賣出了大約1200部DynaTAC 8000X手機，累積了20萬用戶。五年后，用戶數(shù)變成200萬。

迅猛增長的用戶數(shù)量遠遠超過了AMPS網絡的承受能力。后來，為了提升容量，摩托羅拉推出的窄帶版AMPS技術，即NAMPS。它將現(xiàn)有的30KHz語音信道分成三個10KHz信道（信道總數(shù)變成2496個），以此節(jié)約頻譜，擴充容量。

除了NMT和AMPS之外，另一個被廣泛應用的1G標準是TACS（Total Access Communication Systems），首發(fā)于英國。

1983年2月，英國政府宣布，BT（英國電信）和Racal Millicom（沃達豐的前身）這兩家公司將以AMPS技術為基礎，建設TACS移動通信網絡。

1985年1月1日，沃達豐正式推出TACS服務（從愛立信買的設備），當時只有10個基站，覆蓋整個倫敦地區(qū)。

TACS的單個信道帶寬是25KHz，上行使用890-905MHz，下行935-950MHz，一共有600個信道用于傳輸語音和控制信號。

TACS系統(tǒng)主要是由摩托羅拉開發(fā)出來的，實際上是AMPS系統(tǒng)的修改版本。兩者之間除了頻段、頻道間隔、頻偏和信令速率不同，其它完全一致。

和北歐的NMT相比，TACS的性能特點有明顯的區(qū)別。NMT適合北歐國家（斯堪的納維亞半島）人口稀少的農村環(huán)境，采用的是450MHz（后來改成800MHz）的頻率，小區(qū)范圍更大，

而TACS的優(yōu)勢是容量，而非覆蓋距離。TACS系統(tǒng)發(fā)射機功率較小，適合英國這樣人口密度高、城市面積大的國家。

隨著用戶數(shù)量的增加，后來TACS補充了一些頻段（10MHz），變成ETACS（Extended TACS）。日本NTT在TACS基礎上，搞出了JTACS。

值得一提的是，1987年中國在廣州建設的第一個移動通信基站，采用的就是TACS技術，合作廠商是摩托羅拉。

中國第一個基站（廣州）

除了AMPS，TACS和NMT之外，1G技術還包括德國的C-Netz、法國的Radiocom 2000和意大利的RTMI等。這些百花齊放的技術，宣告了移動通信時代的到來。（事實上，當時并沒有1G這樣的叫法，只是2G技術出現(xiàn)后，才把它們稱為1G，以作區(qū)分。）

1982年，歐洲郵電管理委員會成立了“移動專家組”，專門負責通信標準的研究。

這個“移動專家組”，法語縮寫是GroupeSpécialMobile，后來這一縮寫的含義被改為“全球移動通信系統(tǒng)”（Global System for Mobile communications），也就是大名鼎鼎的GSM。

GSM的成立宗旨，是要建立一個新的泛歐標準，開發(fā)泛歐公共陸地移動通信系統(tǒng)。他們提出了高效利用頻譜、低成本系統(tǒng)、手持終端和全球漫游等要求。

隨后幾年，歐洲電信標準組織（ETSI）完成了GSM 900MHz和1800MHz（DCS）的規(guī)范制定。

1991年，芬蘭的Radiolinja公司（現(xiàn)為ELISA Oyj的一部分）在GSM標準的基礎上，推出了全球首個2G網絡。

眾所周知，2G采用數(shù)字技術取代1G的模擬技術，通話質量和系統(tǒng)穩(wěn)定性大幅提升，更加安全可靠，設備能耗也大幅下降。

除了GSM之外，另一個廣為人知的2G標準就是美國高通公司推出的CDMA。準確來說，是IS-95或cdmaOne。

IS-95有兩個版本，分別是IS-95A和IS-95B。前者可以支持高達14.4kbps的峰值數(shù)據(jù)速率，而后者則達到115kbps。

除了IS-95之外，美國還搞出過IS-54（North America TDMA Digital Cellular）和IS-136（1996年）。

其實，2G并不是只有GSM和CDMA。

美國蜂窩電話工業(yè)協(xié)會（Cellular Telephone Industries Association）基于AMPS技術搞出了一個數(shù)字版的AMPS，叫做D-AMPS（Digit-AMPS），其實也算是2G標準。1990年，日本推出的PDC（Personal Digital Cellular），也屬于2G標準。

20世紀末，隨著互聯(lián)網的大爆發(fā)，人們對移動上網提出了強烈的需求。于是，GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務）開始出現(xiàn)。

我們可以把GPRS看作是GSM的一個“插件”。在GPRS的幫助下，網絡可以提供最高114Kbps的數(shù)據(jù)業(yè)務速率。

GPRS最早在1993年提出，1997年出臺了第一階段的協(xié)議。它的出現(xiàn)，是蜂窩通信歷史的一個轉折點。因為它意味著數(shù)據(jù)業(yè)務開始崛起，成為移動通信的主要發(fā)展方向。

GPRS技術推出之后，電信運營商還搞出了速率更快的技術，名字叫做Enhanced Data-rates for GSM Evolution（GSM演進的增強速率），也就是很多人可能比較熟悉的EDGE。

手機信號邊上經?？吹降腅，就是EDGE

EDGE最大的特點就是在不替換設備的情況下，可以提供兩倍于GPRS的數(shù)據(jù)業(yè)務速率。因為得到了部分運營商的青睞。世界上首個EDGE網絡，是美國AT&T公司于2003年在自家GSM網絡上部署的。

1996年，歐洲成立UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動通信系統(tǒng)）論壇，專注于協(xié)調歐洲3G的標準研究。以諾基亞、愛立信、阿爾卡特為代表的歐洲陣營，清楚地認識到CDMA的優(yōu)勢，于是，開發(fā)出了原理相類似的W-CDMA系統(tǒng)。

之所以叫做W-CDMA（Wide-CDMA），是因為它的信道帶寬達到5MHz，比CDMA2000的1.25MHz更寬。

很多人搞不清楚UMTS和WCDMA的關系。其實，UMTS是歐洲那邊對3G的統(tǒng)稱。WCDMA是UMTS的一種實現(xiàn)，一般特指無線接口部分。待會我們提到的TD-SCDMA，也屬于UMTS。

在3G商用進度方面，走在前面的又是日本NTT。

1998年10月1日，NTT Docomo在日本推出了世界上第一張商用3G網絡（基于WCDMA）。

在UMTS的基礎上，ETSI和3GPP又開發(fā)出了HSPA（High Speed Packet Access，高速分組接入）、HSPA+、dual-carrier HSPA+（雙載波HSPA+）, 以及HSPA+ Evolution（演進型HSPA+）。這些網絡技術的速率明顯超過傳統(tǒng)3G，人們將其稱為3.75G。

正因為HSPA+的速率很快，甚至超過了早期的LTE和WiMAX。所以，當時有一些運營商（例如美國T-Mobile），沒有立刻啟動LTE的建設，而是將現(xiàn)有的HSPA網絡升級為HSPA+。我們國家的中國聯(lián)通，當時也有類似的想法。

1999年，IEEE標準委員會成立了一個工作組，專門制定無線城域網標準。2001年，IEEE 802.16的第一個版本正式發(fā)布，后來發(fā)展為IEEE 802.16m。

IEEE 802.16，也就是后來廣為人知的WiMAX（全球微波互聯(lián)接入）。

WiMAX引入了MIMO（多天線）、OFDM（正交頻分復用）等先進技術，下載速率得到極大提升，給3GPP帶來了很大的壓力。

于是，3GPP在UMTS的基礎上，加緊推出了LTE（同樣引入了MIMO和OFDM），與WiMAX進行競爭。后來，又持續(xù)演進出了LTE-Advanced（2009年），速率有了數(shù)倍的提升。

2008年，ITU國際電信聯(lián)盟發(fā)布了4G標準應該遵循的要求，并將之命名為IMT-Advanced。真正符合要求的，只有3GPP的LTE-Advanced，IEEE的802.16m，以及中國工信部提交的TD-LTE-Advanced。也就是說，它們是真正的4G標準。

經過激烈的產業(yè)大戰(zhàn)，LTE最終戰(zhàn)勝WiMAX，獲得全球范圍的擁護和認可。WiMAX迅速失勢，被打入冷宮。（大家有興趣的話，可以看看這篇文章：WiMAX的坑爹史）

再往后，3GPP推出5G（IMT-2020），一統(tǒng)天下。這里面的故事，就不用我多說什么了吧？我們每個人，都是新歷史的見證者。

時光荏苒，歲月蹉跎。歷經將近一個世紀的發(fā)展，移動通信網絡從無到有，從弱到強。它推動了歷史的車輪，也加速了社會的變遷。

未來的移動通信將何去何從，讓我們拭目以待！