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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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890-905mhz,下行935-950mhz,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。
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。)
▉ 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。
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。
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!
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