從0G到5G，移動通信的百年沉浮

轉自丨鮮棗課堂

作者丨小棗君

二戰期間，摩托羅拉的SCR系列步話機在戰場上屢建功勳，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於民用市場的渴望。

SCR-300

戰爭結束後，1946年，美國AT&T;公司將無線收發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，如果用户想要撥打電話，必須先手動搜索一個未使用的無線頻道，然後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。

整個通話採用半雙工的方式，也就是説，同一時間只能有一方説話。説話時，用户必須按下電話上的“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，並在通話結束後手動計算費用，確認賬單。

儘管MTS現在看來非常另類，但它確實是有史以來人類第一套商用移動電話系統。

等等！不是説移動電話發明於70年代嘛？怎麼40年代就有了？

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

MTS系統（1946年）

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

汽車後備箱裏龐大的信號收發裝置

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，位於市中心，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射功率，不如限制信號傳輸的範圍，將信號控制在一個有限的區域（小區）內。

這樣一來，不同的小區可以使用相同的頻率，互不影響，提升系統容量。

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，同樣受限於當時的電子技術（尤其是切換技術），無法實現。貝爾實驗室只能將其束之高閣。

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

1961年，蘇聯工程師列昂尼德·庫普里亞諾維奇（Leonid Kupriyanovich）發明了ЛК-1型移動電話，同樣是安裝在汽車上使用的。後來，蘇聯推出了Altai汽車電話系統，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，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（後來為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，後來都被稱為“0G”或“Pre-1G（準1G）”移動通信技術。

進入70年代後，隨着半導體工藝的發展，手機的誕生條件終於成熟。

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）終於書寫了歷史，發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，可以持續通話20分鐘，擁有一根醒目的天線。

第一代DynaTAC

1974年，美國聯邦通信委員會（FCC）批准了部分無線電頻譜，用於蜂窩網絡的試驗。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”了衞星通信商業使用權。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，貝爾實驗室開發了一種叫作HCMTS（大容量移動式電話系統）的模擬系統。該系統的信令和話音信道均採用30kHz帶寬的FM調製，信令速率為10kbps。

由於當時並沒有無線移動系統的標準化組織，AT&T;公司就給HCMTS制定了自己的標準。後來，電子工業協會（EIA）將這個系統命名為暫定標準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;就是採用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，他們也在拼命研發蜂窩通信技術，進行技術儲備。這才有了前面DynaTAC的誕生。

FCC發放頻譜後，摩托羅拉基於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）在東京大都會地區推出了世界首個商用自動化蜂窩通信系統。這個系統後來被認為是全球第一個1G商用網絡。

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

系統採用FDMA技術，信道帶寬25KHz，處於800MHz頻段，雙工信道總數為600個。

兩年後，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）。不久後，丹麥和芬蘭也加入了他們。NMT成為全球第一個具有國際漫遊功能的移動電話網絡。

再後來，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（愛立信製造）

1983年，後知後覺的美國終於想起來要搞自己的1G商用網絡。    

1983年9月，摩托羅拉發佈了全球第一部商用手機——DynaTAC 8000X，重量1kg，可以持續通話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;）基於AMPS技術，在芝加哥推出了全美第一張1G網絡。

當時的第一個用户，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。藉助這些帶寬，AMPS承載了666個雙工信道，單個上行或下行信道的帶寬為30KHz。後來，FCC又追加分配了10MHz帶寬。因此，AMPS的雙工信道總數變為832個。

商用第一年，Americitech賣出了大約1200部DynaTAC 8000X手機，累積了20萬用户。五年後，用户數變成200萬。

迅猛增長的用户數量遠遠超過了AMPS網絡的承受能力。後來，為了提升容量，摩托羅拉推出的窄帶版AMPS技術，即NAMPS。它將現有的30KHz語音信道分成三個10KHz信道（信道總數變成2496個），以此節約頻譜，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），首發於英國。

1983年2月，英國政府宣佈，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。

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

TACS系統主要是由摩托羅拉開發出來的，實際上是AMPS系統的修改版本。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別。NMT適合北歐國家（斯堪的納維亞半島）人口稀少的農村環境，採用的是450MHz（後來改成800MHz）的頻率，小區範圍更大，

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

隨着用户數量的增加，後來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，採用的就是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，當時並沒有1G這樣的叫法，只是2G技術出現後，才把它們稱為1G，以作區分。）

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，後來這一縮寫的含義被改為“全球移動通信系統”（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，開發泛歐公共陸地移動通信系統。他們提出了高效利用頻譜、低成本系統、手持終端和全球漫遊等要求。

隨後幾年，歐洲電信標準組織（ETSI）完成了GSM 900MHz和1800MHz（DCS）的規範制定。

1991年，芬蘭的Radiolinja公司（現為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採用數字技術取代1G的模擬技術，通話質量和系統穩定性大幅提升，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。準確來説，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的峯值數據速率，而後者則達到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並不是只有GSM和CDMA。

美國蜂窩電話工業協會（Cellular Telephone Industries Association）基於AMPS技術搞出了一個數字版的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），也屬於2G標準。

20世紀末，隨着互聯網的大爆發，人們對移動上網提出了強烈的需求。於是，GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線業務）開始出現。

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的數據業務速率。

GPRS最早在1993年提出，1997年出台了第一階段的協議。它的出現，是蜂窩通信歷史的一個轉折點。因為它意味着數據業務開始崛起，成為移動通信的主要發展方向。

GPRS技術推出之後，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。

手機信號邊上經常看到的E，就是EDGE

EDGE最大的特點就是在不替換設備的情況下，可以提供兩倍於GPRS的數據業務速率。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;公司於2003年在自家GSM網絡上部署的。

3G

1996年，歐洲成立UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動通信系統）論壇，專注於協調歐洲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的優勢，於是，開發出了原理相類似的W-CDMA系統。

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的關係。其實，UMTS是歐洲那邊對3G的統稱。WCDMA是UMTS的一種實現，一般特指無線接口部分。待會我們提到的TD-SCDMA，也屬於UMTS。

為了能夠和美國抗衡，歐洲ETSI還聯合日本、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準。

反觀北美陣營這邊，內部意見存在分歧。

以朗訊、北電為代表的企業，支持WCDMA和3GPP。而以高通為代表的另一部分勢力，聯合韓國，組成了3GPP2組織，與3GPP抗衡。他們推出的標準，是基於CDMA 1X（IS-95）發展起來的CDMA2000標準。

CDMA2000雖然是3G標準，但一開始的峯值速率並不高，只有153kbps。後來，通過演進到EVDO（EVolution Data Optimized），數據速率有了明顯的提升，可以提供高達14.7Mbps的峯值下載速度和5.4Mbps的峯值上傳速度。

中國在這一時期，也推出了自己的3G標準候選方案（也就是大家熟知的TD-SCDMA），共同參與國際競爭。

經過激烈的角逐和博弈，最終，ITU國際電信聯盟確認了全球3G的三大標準，分別是歐洲主導的WCDMA，美國主導的CDMA2000，還有中國的TD-SCDMA。

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（基於WCDMA）。

3.75G

在UMTS的基礎上，ETSI和3GPP又開發出了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），沒有立刻啓動LTE的建設，而是將現有的HSPA網絡升級為HSPA+。我們國家的中國聯通，當時也有類似的想法。

4G&5G

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佈，後來發展為IEEE 802.16m。

IEEE 802.16，也就是後來廣為人知的WiMAX（全球微波互聯接入）。

WiMAX引入了MIMO（多天線）、OFDM（正交頻分複用）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。

於是，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。後來，又持續演進出了LTE-Advanced（2009年），速率有了數倍的提升。

2008年，ITU國際電信聯盟發佈了4G標準應該遵循的要求，並將之命名為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。也就是説，它們是真正的4G標準。

2009年12月14日，全球首個面向公眾的LTE服務網絡（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。網絡設備分別來自愛立信和華為，而用户終端則來自三星。

經過激烈的產業大戰，LTE最終戰勝WiMAX，獲得全球範圍的擁護和認可。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）

再往後，3GPP推出5G（IMT-2020），一統天下。這裏面的故事，就不用我多説什麼了吧？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！