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二戰(zhàn)期間,摩托羅拉的SCR系列步話機(jī)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(yīng)用于民用市場的渴望。
SCR-300
戰(zhàn)爭結(jié)束后,1946年,美國AT&T公司將無線收發(fā)機(jī)與公共交換電話網(wǎng)(PSTN)相連,正式推出了面向民用的MTS(Mobile Telephone Service)移動電話服務(wù)。
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(jìn)行通話,請求對方通過PSTN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(guān)。
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(jié)束后手動計算費用,確認(rèn)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(jī),而是Mobile Vehicle Telephone(移動車載電話)。更準(zhǔn)確來說,是車載半雙工手動對講機(jī)。
MTS系統(tǒng)(1946年)
以當(dāng)時的電子技術(shù)和電池技術(shù),是不可能發(fā)明出手機(jī)的。能造出車載電話,就已經(jīng)非常不錯了。
汽車后備箱里龐大的信號收發(fā)裝置
當(dāng)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(gòu)想。
他認(rèn)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(nèi)。
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(dāng)時的論文,標(biāo)題為“移動電話——廣域覆蓋”
蜂窩通信的設(shè)想雖然很好,但是,同樣受限于當(dāng)時的電子技術(shù)(尤其是切換技術(shù)),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(shè)車載電話網(wǎng)絡(luò)。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(jìn)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(zhì)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(wǎng)絡(luò)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(wù)。
不管是Altai,還是IMTS或ARP,后來都被稱為“0G”或“Pre-1G(準(zhǔn)1G)”移動通信技術(shù)。
進(jìn)入70年代后,隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展,手機(jī)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(jī)(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(jī)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(zhǔn)了部分無線電頻譜,用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的試驗。然而,試驗一直拖到1977年才正式開始。
當(dāng)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(quán)。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(jī)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(diào)制,信令速率為10kbps。
由于當(dāng)時并沒有無線移動系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化組織,AT&T公司就給HCMTS制定了自己的標(biāo)準(zhǔn)。后來,電子工業(yè)協(xié)會(EIA)將這個系統(tǒng)命名為暫定標(biāo)準(zhǔn)3(Interim Standard 3,IS-3)。
1976年,HCMTS換了一個新名字——AMPS(Advanced Mobile Phone Service,先進(jìn)移動電話服務(wù))。
AT&T就是采用AMPS技術(shù),在芝加哥和紐瓦克進(jìn)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(shù),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(shù),進(jìn)行技術(shù)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(jìn)行試驗。
就在他們還在慢悠悠地進(jìn)行試驗的時候,別的國家已經(jīng)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(rèn)為是全球第一個1G商用網(wǎng)絡(luò)。
當(dāng)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(yù)。
系統(tǒng)采用FDMA技術(shù),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(wǎng)絡(luò)——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(wǎng)絡(luò)。
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(wǎng)絡(luò)。
1983年9月,摩托羅拉發(fā)布了全球第一部商用手機(jī)——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(dá)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(shù),在芝加哥推出了全美第一張1G網(wǎng)絡(luò)。
當(dāng)時的第一個用戶,Dave Meilhan
這張網(wǎng)絡(luò)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(jī),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(yuǎn)遠(yuǎn)超過了AMPS網(wǎng)絡(luò)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(shù),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(kuò)充容量。
除了NMT和AMPS之外,另一個被廣泛應(yīng)用的1G標(biāo)準(zhǔn)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(dá)豐的前身)這兩家公司將以AMPS技術(shù)為基礎(chǔ),建設(shè)TACS移動通信網(wǎng)絡(luò)。
1985年1月1日,沃達(dá)豐正式推出TACS服務(wù)(從愛立信買的設(shè)備),當(dāng)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(nóng)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(jī)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(bǔ)充了一些頻段(10MHz),變成ETACS(Extended TACS)。日本NTT在TACS基礎(chǔ)上,搞出了JTACS。
值得一提的是,1987年中國在廣州建設(shè)的第一個移動通信基站,采用的就是TACS技術(shù),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(shù)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(shù),宣告了移動通信時代的到來。(事實上,當(dāng)時并沒有1G這樣的叫法,只是2G技術(shù)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(fù)責(zé)通信標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn),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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,推出了全球首個2G網(wǎng)絡(luò)。
眾所周知,2G采用數(shù)字技術(shù)取代1G的模擬技術(shù),通話質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性大幅提升,更加安全可靠,設(shè)備能耗也大幅下降。
除了GSM之外,另一個廣為人知的2G標(biāo)準(zhǔn)就是美國高通公司推出的CDMA。準(zhǔn)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(dá)14.4kbps的峰值數(shù)據(jù)速率,而后者則達(dá)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(shù)搞出了一個數(shù)字版的AMPS,叫做D-AMPS(Digit-AMPS),其實也算是2G標(biāo)準(zhǔn)。1990年,日本推出的PDC(Personal Digital Cellular),也屬于2G標(biāo)準(zhǔn)。
20世紀(jì)末,隨著互聯(lián)網(wǎng)的大爆發(fā),人們對移動上網(wǎng)提出了強(qiáng)烈的需求。于是,GPRS(General Packet Radio Service,通用分組無線業(yè)務(wù))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(wǎng)絡(luò)可以提供最高114Kbps的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(zhuǎn)折點。因為它意味著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)開始崛起,成為移動通信的主要發(fā)展方向。
GPRS技術(shù)推出之后,電信運營商還搞出了速率更快的技術(shù),名字叫做Enhanced Data-rates for GSM Evolution(GSM演進(jìn)的增強(qiáng)速率),也就是很多人可能比較熟悉的EDGE。
手機(jī)信號邊上經(jīng)??吹降腅,就是EDGE
EDGE最大的特點就是在不替換設(shè)備的情況下,可以提供兩倍于GPRS的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率。因為得到了部分運營商的青睞。世界上首個EDGE網(wǎng)絡(luò),是美國AT&T公司于2003年在自家GSM網(wǎng)絡(luò)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(diào)歐洲3G的標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)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(dá)到5MHz,比CDMA2000的1.25MHz更寬。
很多人搞不清楚UMTS和WCDMA的關(guān)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。
為了能夠和美國抗衡,歐洲ETSI還聯(lián)合日本、中國等共同成立了3GPP組織(3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴計劃),合作制定全球第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)。
反觀北美陣營這邊,內(nèi)部意見存在分歧。
以朗訊、北電為代表的企業(yè),支持WCDMA和3GPP。而以高通為代表的另一部分勢力,聯(lián)合韓國,組成了3GPP2組織,與3GPP抗衡。他們推出的標(biāo)準(zhǔn),是基于CDMA 1X(IS-95)發(fā)展起來的CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)。
CDMA2000雖然是3G標(biāo)準(zhǔn),但一開始的峰值速率并不高,只有153kbps。后來,通過演進(jìn)到EVDO(EVolution Data Optimized),數(shù)據(jù)速率有了明顯的提升,可以提供高達(dá)14.7Mbps的峰值下載速度和5.4Mbps的峰值上傳速度。
中國在這一時期,也推出了自己的3G標(biāo)準(zhǔn)候選方案(也就是大家熟知的TD-SCDMA),共同參與國際競爭。
經(jīng)過激烈的角逐和博弈,最終,ITU國際電信聯(lián)盟確認(rèn)了全球3G的三大標(biāo)準(zhǔn),分別是歐洲主導(dǎo)的WCDMA,美國主導(dǎo)的CDMA2000,還有中國的TD-SCDMA。
在3G商用進(jìn)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(wǎng)絡(luò)(基于WCDMA)。
在UMTS的基礎(chǔ)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(jìn)型HSPA+)。這些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(dāng)時有一些運營商(例如美國T-Mobile),沒有立刻啟動LTE的建設(shè),而是將現(xiàn)有的HSPA網(wǎng)絡(luò)升級為HSPA+。我們國家的中國聯(lián)通,當(dāng)時也有類似的想法。
1999年,IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會成立了一個工作組,專門制定無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。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(fù)用)等先進(jìn)技術(shù),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(chǔ)上,加緊推出了LTE(同樣引入了MIMO和OFDM),與WiMAX進(jìn)行競爭。后來,又持續(xù)演進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。
經(jīng)過激烈的產(chǎn)業(yè)大戰(zhàn),LTE最終戰(zhàn)勝WiMAX,獲得全球范圍的擁護(hù)和認(rèn)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(jīng)將近一個世紀(jì)的發(fā)展,移動通信網(wǎng)絡(luò)從無到有,從弱到強(qiáng)。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!
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