从0G到5G,移动通信的百年沉浮。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。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。
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。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。
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。
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)。
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。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。1964–1974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。
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。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。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。
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。
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。
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。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。
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)。
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。
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。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。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!