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。

 

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。

 

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。

 

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。

 

 

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。

 

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。

 

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。

 

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)。

 

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。

 

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。

 

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。

 

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。

 

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。

 

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。

 

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。)

 

 

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。

 

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。

 

 

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!