从0G到5G,移动通信的百年沉浮

本文来自微信公众号:鲜枣课堂(ID:xzclasscom),作者:小枣君,题图来自:视觉中国

二战期间,摩托罗拉的SCR系列步话机在战场上屡建功勋,向全世界展示了无线通话的神奇魅力,也激起了人们将其应用于民用市场的渴望。

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SCR-300

战争结束后,1946年,美国AT&T公司将无线收发机与公共交换电话网(PSTN)相连,正式推出了面向民用的MTS(Mobile Telephone Service)移动电话服务。

在MTS中,如果用户想要拨打电话,必须先手动搜索一个未使用的无线频道,然后先与运营商接线员进行通话,请求对方通过PSTN网络进行二次接续。

整个通话采用半双工的方式,也就是说,同一时间只能有一方说话。说话时,用户必须按下电话上的“push-to-talk(按下通话)”开关。

MTS的计费方式也十分原始。接线员会全程旁听双方之间的通话,并在通话结束后手动计算费用,确认账单。

尽管MTS现在看来非常另类,但它确实是有史以来人类第一套商用移动电话系统。

等等!不是说移动电话发明于70年代嘛?怎么40年代就有了?

大家别慌,MTS所指的Mobile Telephone(移动电话),并不是手机,而是Mobile Vehicle Telephone(移动车载电话)更准确来说,是车载半双工手动对讲机。

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MTS系统(1946年)

以当时的电子技术和电池技术,是不可能发明出手机的。能造出车载电话,就已经非常不错了。

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汽车后备箱里庞大的信号收发装置

当时的“基站”也非常庞大,有点像广播电视塔,一座城市只有一个,位于市中心,覆盖方圆40公里,功率极高。

1947年12月,贝尔实验室的研究人员Douglas H. Ring(道格拉斯·H·瑞因),率先提出了“cellular(蜂窝)”的构想。

他认为,与其一味地提升信号发射功率,不如限制信号传输的范围,将信号控制在一个有限的区域(小区)内。

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这样一来,不同的小区可以使用相同的频率,互不影响,提升系统容量。

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道格拉斯当时的论文,标题为“移动电话——广域覆盖”

蜂窝通信的设想虽然很好,但是,同样受限于当时的电子技术(尤其是切换技术),无法实现。贝尔实验室只能将其束之高阁。

到了50年代,陆续有更多的国家开始建设车载电话网络。例如,1952年,西德(联邦德国)推出的A-Netz。

1961年,苏联工程师列昂尼德·库普里亚诺维奇(Leonid Kupriyanovich)发明了ЛК-1型移动电话,同样是安装在汽车上使用的。后来,苏联推出了Altai汽车电话系统,覆盖了本国30多个城市。

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列昂尼德和他的ЛК-1型便携移动电话

1969年,美国推出了改进型的MTS车载电话系统,称为IMTS(improved MTS)

IMTS支持全双工、自动拨号和自动频道搜索,可以提供了11个频道(后来为12个),相比MTS有了质的飞跃。

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IMTS移动电话(摩托罗拉)

1971年,芬兰推出了公共移动电话网络ARP(Auto Radio Puhelin,puhelin是芬兰语电话的意思),工作在150MHz频段,仍然是手动切换,主要为汽车电话服务。

不管是Altai,还是IMTS或ARP,后来都被称为“0G”或“Pre-1G(准1G)”移动通信技术。

1G

进入70年代后,随着半导体工艺的发展,手机的诞生条件终于成熟。

1973年,摩托罗拉的工程师马丁·库珀(Martin Cooper)和约翰·米切尔(John F.Mitchell)终于书写了历史,发明了世界上第一款真正意义上的手机(手持式个人移动电话)

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马丁·库珀(右)和约翰·米切尔(左)

这款手机被命名为DynaTAC(Dynamic Adaptive Total Area Coverage),高度22cm,重量1.28kg,可以持续通话20分钟,拥有一根醒目的天线。

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第一代DynaTAC

1974年,美国联邦通信委员会(FCC)批准了部分无线电频谱,用于蜂窝网络的试验。然而,试验一直拖到1977年才正式开始。

当时参与试验的,是AT&T和摩托罗拉这两个死对头。

AT&T在1964年被美国国会“剥夺”了卫星通信商业使用权。无奈之下,他们在贝尔实验室组建了移动通信部门,寻找新的机会。

1964年~1974年期间,贝尔实验室开发了一种叫作HCMTS(大容量移动式电话系统)的模拟系统。该系统的信令和话音信道均采用30kHz带宽的FM调制,信令速率为10kbps。

由于当时并没有无线移动系统的标准化组织,AT&T公司就给HCMTS制定了自己的标准。后来,电子工业协会(EIA)将这个系统命名为暂定标准3(Interim Standard 3,IS-3)

1976年,HCMTS换了一个新名字——AMPS(Advanced Mobile Phone Service,先进移动电话服务)

AT&T就是采用AMPS技术,在芝加哥和纽瓦克进行FCC的试验。

再来看看摩托罗拉。

在早期的时候,摩托罗拉搞了一个RCCs(无线电公共载波)技术,赚了不少钱。所以,他们一直极力反对FCC给蜂窝通信发放频谱,以免影响自己的RCCs市场。但与此同时,他们也在拼命研发蜂窝通信技术,进行技术储备。这才有了前面DynaTAC的诞生。

FCC发放频谱后,摩托罗拉基于DynaTAC,在华盛顿进行试验。

就在他们还在慢悠悠地进行试验的时候,别的国家已经捷足先登了。

1979年,日本电报电话公司(Nippon Telegraph and Telephone,NTT)在东京大都会地区推出了世界首个商用自动化蜂窝通信系统。这个系统后来被认为是全球第一个1G商用网络。

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当时,系统拥有88个基站,支持不同小区站点之间的全自动呼叫切换,不需要人工干预。

系统采用FDMA技术,信道带宽25KHz,处于800MHz频段,双工信道总数为600个。

两年后,1981年,北欧国家挪威和瑞典建立了欧洲的首个1G移动网络——NMT( Nordic Mobile Telephones,北欧移动电话)。不久后,丹麦和芬兰也加入了他们。NMT成为全球第一个具有国际漫游功能的移动电话网络。

再后来,沙特阿拉伯、俄罗斯和其它一些波罗的海和亚洲国家也引入了NMT。

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NMT电话(爱立信制造)

1983年,后知后觉的美国终于想起来要搞自己的1G商用网络。    

1983年9月,摩托罗拉发布了全球第一部商用手机——DynaTAC 8000X,重量1kg,可以持续通话30分钟,充满电需要10小时,售价却高达3995美元。

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DynaTAC 8000X

1983年10月13日,Americitech移动通信公司(来自AT&T)基于AMPS技术,在芝加哥推出了全美第一张1G网络。

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当时的第一个用户,Dave Meilhan

这张网络既可以使用车载电话,也可以使用DynaTAC 8000X。

FCC在800MHz频段为AMPS分配了40MHz带宽。借助这些带宽,AMPS承载了666个双工信道,单个上行或下行信道的带宽为30KHz。后来,FCC又追加分配了10MHz带宽。因此,AMPS的双工信道总数变为832个。

商用第一年,Americitech卖出了大约1200部DynaTAC 8000X手机,累积了20万用户。五年后,用户数变成200万。

迅猛增长的用户数量远远超过了AMPS网络的承受能力。后来,为了提升容量,摩托罗拉推出的窄带版AMPS技术,即NAMPS。它将现有的30KHz语音信道分成三个10KHz信道(信道总数变成2496个),以此节约频谱,扩充容量。

除了NMT和AMPS之外,另一个被广泛应用的1G标准是TACS(Total Access Communication Systems),首发于英国。

1983年2月,英国政府宣布,BT(英国电信)和Racal Millicom(沃达丰的前身)这两家公司将以AMPS技术为基础,建设TACS移动通信网络。

1985年1月1日,沃达丰正式推出TACS服务(从爱立信买的设备),当时只有10个基站,覆盖整个伦敦地区。

TACS的单个信道带宽是25KHz,上行使用890MHz~905MHz,下行935MHz~950MHz,一共有600个信道用于传输语音和控制信号。

TACS系统主要是由摩托罗拉开发出来的,实际上是AMPS系统的修改版本。两者之间除了频段、频道间隔、频偏和信令速率不同,其它完全一致。

和北欧的NMT相比,TACS的性能特点有明显的区别。NMT适合北欧国家(斯堪的纳维亚半岛)人口稀少的农村环境,采用的是450MHz(后来改成800MHz)的频率,小区范围更大,

而TACS的优势是容量,而非覆盖距离。TACS系统发射机功率较小,适合英国这样人口密度高、城市面积大的国家。

随着用户数量的增加,后来TACS补充了一些频段(10MHz),变成ETACS(Extended TACS)。日本NTT在TACS基础上,搞出了JTACS。

值得一提的是,1987年中国在广州建设的第一个移动通信基站,采用的就是TACS技术,合作厂商是摩托罗拉。

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中国第一个基站(广州)

除了AMPS,TACS和NMT之外,1G技术还包括德国的C-Netz、法国的Radiocom 2000和意大利的RTMI等。这些百花齐放的技术,宣告了移动通信时代的到来。(事实上,当时并没有1G这样的叫法,只是2G技术出现后,才把它们称为1G,以作区分。)

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2G

1982年,欧洲邮电管理委员会成立了“移动专家组”,专门负责通信标准的研究。

这个“移动专家组”,法语缩写是GroupeSpécialMobile,后来这一缩写的含义被改为“全球移动通信系统”(Global System for Mobile communications),也就是大名鼎鼎的GSM。

GSM的成立宗旨,是要建立一个新的泛欧标准,开发泛欧公共陆地移动通信系统。他们提出了高效利用频谱、低成本系统、手持终端和全球漫游等要求。

随后几年,欧洲电信标准组织(ETSI)完成了GSM 900MHz和1800MHz(DCS)的规范制定。

1991年,芬兰的Radiolinja公司(现为ELISA Oyj的一部分)在GSM标准的基础上,推出了全球首个2G网络。

众所周知,2G采用数字技术取代1G的模拟技术,通话质量和系统稳定性大幅提升,更加安全可靠,设备能耗也大幅下降。

除了GSM之外,另一个广为人知的2G标准就是美国高通公司推出的CDMA。准确来说,是IS-95或cdmaOne。

IS-95有两个版本,分别是IS-95A和IS-95B。前者可以支持高达14.4kbps的峰值数据速率,而后者则达到115kbps。

除了IS-95之外,美国还搞出过IS-54(North America TDMA Digital Cellular)和IS-136(1996年)

其实,2G并不是只有GSM和CDMA。

美国蜂窝电话工业协会(Cellular Telephone Industries Association)基于AMPS技术搞出了一个数字版的AMPS,叫做D-AMPS(Digit-AMPS),其实也算是2G标准。1990年,日本推出的PDC(Personal Digital Cellular),也属于2G标准。

2.5G

20世纪末,随着互联网的大爆发,人们对移动上网提出了强烈的需求。于是,GPRS(General Packet Radio Service,通用分组无线业务)开始出现。

我们可以把GPRS看作是GSM的一个“插件”。在GPRS的帮助下,网络可以提供最高114Kbps的数据业务速率。

GPRS最早在1993年提出,1997年出台了第一阶段的协议。它的出现,是蜂窝通信历史的一个转折点。因为它意味着数据业务开始崛起,成为移动通信的主要发展方向。

2.75G

GPRS技术推出之后,电信运营商还搞出了速率更快的技术,名字叫做Enhanced Data-rates for GSM Evolution(GSM演进的增强速率),也就是很多人可能比较熟悉的EDGE。

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手机信号边上经常看到的E,就是EDGE

EDGE最大的特点就是在不替换设备的情况下,可以提供两倍于GPRS的数据业务速率。因为得到了部分运营商的青睐。世界上首个EDGE网络,是美国AT&T公司于2003年在自家GSM网络上部署的。

3G

1996年,欧洲成立UMTS(Universal Mobile Telecommunications System,通用移动通信系统)论坛,专注于协调欧洲3G的标准研究。以诺基亚、爱立信、阿尔卡特为代表的欧洲阵营,清楚地认识到CDMA的优势,于是,开发出了原理相类似的W-CDMA系统。

之所以叫做W-CDMA(Wide-CDMA),是因为它的信道带宽达到5MHz,比CDMA2000的1.25MHz更宽。

很多人搞不清楚UMTS和WCDMA的关系。其实,UMTS是欧洲那边对3G的统称。WCDMA是UMTS的一种实现,一般特指无线接口部分。待会我们提到的TD-SCDMA,也属于UMTS。

为了能够和美国抗衡,欧洲ETSI还联合日本、中国等共同成立了3GPP组织(3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴计划),合作制定全球第三代移动通信标准。

反观北美阵营这边,内部意见存在分歧。

以朗讯、北电为代表的企业,支持WCDMA和3GPP。而以高通为代表的另一部分势力,联合韩国,组成了3GPP2组织,与3GPP抗衡。他们推出的标准,是基于CDMA 1X(IS-95)发展起来的CDMA2000标准。

CDMA2000虽然是3G标准,但一开始的峰值速率并不高,只有153kbps。后来,通过演进到EVDO(EVolution Data Optimized),数据速率有了明显的提升,可以提供高达14.7Mbps的峰值下载速度和5.4Mbps的峰值上传速度。

中国在这一时期,也推出了自己的3G标准候选方案(也就是大家熟知的TD-SCDMA),共同参与国际竞争。

经过激烈的角逐和博弈,最终,ITU国际电信联盟确认了全球3G的三大标准,分别是欧洲主导的WCDMA,美国主导的CDMA2000,还有中国的TD-SCDMA。

在3G商用进度方面,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张商用3G网络(基于WCDMA)

3.75G

在UMTS的基础上,ETSI和3GPP又开发出了HSPA(High Speed Packet Access,高速分组接入)、HSPA+、dual-carrier HSPA+(双载波HSPA+), 以及HSPA+ Evolution(演进型HSPA+)。这些网络技术的速率明显超过传统3G,人们将其称为3.75G。

正因为HSPA+的速率很快,甚至超过了早期的LTE和WiMAX。所以,当时有一些运营商(例如美国T-Mobile),没有立刻启动LTE的建设,而是将现有的HSPA网络升级为HSPA+。我们国家的中国联通,当时也有类似的想法。

4G&5G

1999年,IEEE标准委员会成立了一个工作组,专门制定无线城域网标准。2001年,IEEE 802.16的第一个版本正式发布,后来发展为IEEE 802.16m。

IEEE 802.16,也就是后来广为人知的WiMAX(全球微波互联接入)

WiMAX引入了MIMO(多天线)、OFDM(正交频分复用)等先进技术,下载速率得到极大提升,给3GPP带来了很大的压力。

于是,3GPP在UMTS的基础上,加紧推出了LTE(同样引入了MIMO和OFDM),与WiMAX进行竞争。后来,又持续演进出了LTE-Advanced(2009年),速率有了数倍的提升。

2008年,ITU国际电信联盟发布了4G标准应该遵循的要求,并将之命名为IMT-Advanced。真正符合要求的,只有3GPP的LTE-Advanced,IEEE的802.16m,以及中国工信部提交的TD-LTE-Advanced。也就是说,它们是真正的4G标准。

2009年12月14日,全球首个面向公众的LTE服务网络(以4G的名义),在瑞典首都斯德哥尔摩和挪威首都奥斯陆开通。网络设备分别来自爱立信和华为,而用户终端则来自三星。

经过激烈的产业大战,LTE最终战胜WiMAX,获得全球范围的拥护和认可。WiMAX迅速失势,被打入冷宫。(大家有兴趣的话,可以看看这篇文章:《WiMAX的坑爹史》

再往后,3GPP推出5G(IMT-2020),一统天下。这里面的故事,就不用我多说什么了吧?我们每个人,都是新历史的见证者。

从0G到5G,移动通信的百年沉浮

时光荏苒,岁月蹉跎。历经将近一个世纪的发展,移动通信网络从无到有,从弱到强。它推动了历史的车轮,也加速了社会的变迁。

未来的移动通信将何去何从,让我们拭目以待!

本文来自微信公众号:鲜枣课堂(ID:xzclasscom),作者:小枣君