從0G到5G，移動通信的百年沉浮

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(yùn)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(fèi)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(fèi)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(diǎn)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，不如限制信號傳輸的范圍，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)。

1G

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(diǎn)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)?832 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(diǎn)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。）

2G

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)。

2.5G

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(diǎn)。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。

2.75G

GPRS 技術(shù)推出之后，電信運(yùn)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?E，就是 EDGE

EDGE 最大的特點(diǎn)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(yùn)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。

3G

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）。

3.75G

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(yùn)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。

4G&5G

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)。

2009 年 12 月 14 日，全球首個面向公眾的 LTE 服務(wù)網(wǎng)絡(luò)（以 4G 的名義），在瑞典首都斯德哥爾摩和挪威首都奧斯陸開通。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分別來自愛立信和華為，而用戶終端則來自三星。

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！