一、移动通信的发展史

从人类社会诞生以来,更加高效快捷的通讯就成为人类矢志不渝的追求。中国古代有飞鸽传书、烽火狼烟方式传递信息,这些传递信息的方式存在一定局限性。1844 年,美国人莫尔斯发明了莫尔斯电码,并在电报机上传递了第一条电报,开创了人类使用“电”来传递信息的先河。1864 年麦克斯韦从理论上证明了电磁波的存在,1876 年赫兹用实验证实了电磁波的存在,1896 年意大利人马可尼第一次用电磁波进行了长距离通讯实验,从此世界进入了无线电通信的新时代,即移动通讯。

 

现代移动通讯以 1986 年第一代通讯技术(1G)发明为标志,经过三十多年的爆发式增长,极大地改变了人们的生活方式,并成为推动社会发展的最重要动力之一。

 

1G:“大哥大”横行的年代

1986 年,第一代移动通信系统在美国芝加哥诞生。1G 时代是大哥大横行的时代,代表公司是美国的摩托罗拉。

 

1G 采用模拟讯号传输,即将电磁波进行频率调制后,将语音信号转换到载波电磁波上,载有信息的电磁波发布到空间后,由接收设备接收,并从载波电磁波上还原语音信息,完成一次通话。但各个国家的 1G 通信标准并不一致,使得第一代移动通讯并不能“全球漫游”,这大大阻碍了 1G 的发展。同时,由于 1G 采用模拟讯号传输,所以其容量非常有限,一般只能传输语音信号,且存在语音品质低、讯号不稳定、涵盖范围不够全面,安全性差和易受干扰等问题。

 

1G 标准制定于上世纪 80 年代,全球 1G 标准有: 

NMT:北欧国家、东欧以及俄罗斯 

AMPS:美国,72 多个国家地区采用 

TACS:英国,30 个国家地区采用(包括中国) 

JTAGS:日本移动电话系统 

C-Netz:西德移动电话系统 

Radiocom 2000:法国移动电话系统 

RTMI:意大利移动电话系统

 

中国的第一代模拟移动通信系统于 1987 年 11 月 18 日在广东第六届全运会上开通并正式商用,2001 年 12 月 31 日中国移动关闭 TACS 模拟移动通信网,1G 系统在中国的应用长达 14 年,用户数最高达到了 660 万。

 

2G:诺基亚崛起时代

1992 年,第二代移动通信技术标准开始了, 2G 采用的是数字调制技术,比 1G 多了数据传输的服务,这样手机就不仅可以接打电话,发短信就成为了时髦的交流方式。

 

1G 的技术标准各不相同,只有“国家标准”,没有“国际标准”,国际漫游是个大问题,第二代移动通信系统(2G)就是要解决这些问题。2G 技术研发制定过程中尝试了很多技术方式,如:时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)。

 

时分多址 TDMA 就是基站轮流和手机通信,但是循环非常快,人感觉就像一直在通信。时分多址 TDMA 的“址”就是轮流分得的发送时间。 

频分多址 FDMA 就是不同手机在不同的频率上给基站同时发送信号,各个频率互不干扰。频分多址 FDMA 的“址”就是分配给用户的不同车道。 

码分多址 CDMA 就是手机都在和基站通信,但是不同手机的信号前带有自身标签,基站接收到手机发来的信号后,通过标签就能分辨信号来自哪个手机。码分多址 CDMA 的“址”就是标识手机的标签码。

2G 通讯系统有: 

GSM:基于 TDMA,源于欧洲、已全球化 

IDEN:基于 TDMA,美国电信系统商 Nextell 使用 

IS-136(D-AMPS):基于 TDMA,源于美国

IS-95(CDMA One):基于 CDMA、源于美国 

PDC:基于 TDMA,仅在日本普及

 

2G 时代也是移动通信标准争夺的开始,主要通讯标准有以摩托罗拉为代表的 CDMA 美国标准,和以诺基亚为代表的 GSM 欧洲标准。最终随着 GSM 标准在全球范围更加广泛的使用,诺基亚击败摩托罗拉成为了全球移动手机行业的霸主。

 

中国从 1996 年引进 GSM 商用,中国主要使用 GSM-800, GSM-900, GSM-1800 频段一直到今天。2020 年 5 月工信部强调,要引导新增物联网终端不再使用 2G/3G 网络,同时推动存量 2G/3G 物联网业务向 NB-IoT/4G(Cat1)/5G 网络迁移。

 

由于 3G 是个相当浩大的工程,从 2G 到 3G 不可能一步到位,因此出现了中间过渡的 2.5G 技术。2.5G 的系统大致有:GPRS、EDGE、CDMA1X。2.5G 俗称 GPRS, EDGE 俗称 2.75G,在中国 2.5G 指的就是 GPRS。2.5G 时代的手机可以上网了,虽然数据传输的速度很慢,但文字信息的传输由此开始了,这成为移动互联网发展的基础。

 

3G:移动多媒体时代

2001 年,3G 正式登上了历史的舞台,2G 虽然相比 1G 大大提升了效率, 但是满足不了人们对的图片和视频传输的要求,因此 3G 应运而生。采用更宽的频带,传输的稳定性也大大提高,保证了速度和质量,移动通讯有更多样化的应用,因此 3G 被视为是开启移动通讯新纪元的重要关键。

 

1940 年,美国女演员海蒂•拉玛和她的作曲家丈夫乔治•安塞尔提出一个 Spectrum 频谱的技术概念,也称码分扩频技术。1942 年 8 月 11 日,这项技术在美国通过专利申请,美国国家专利局网站上的存档显示这个技术专利最初是用于军事用途的,二战结束后暂时失去了价值,美国军方封存了这项技术。1985 年,在美国的圣迭戈成立了一个名为“高通”的小公司,这个公司利用美国军方解禁的码分扩频技术开发出一个被名为“CDMA”的新技术, CDMA 就是 3G 的根本基础原理。在3G 时代,不管是那个国家的标准和技术都是基于高通 CDMA,高通的 CDMA 是核心专利,通信方面一定绕不过去,就像修楼房一定离不开钢筋水泥沙子一样,只要说用3G 网络,就一定会给高通交专利费,这就是行业人称的"高通"税。

 

这个阶段,移动通信出现了新的玩家,除了北美和欧洲,中国也开发了自己的标准。

 

3G 的标准有: 

美国 CDMA2000:高通为主导提出应用日韩北美 

欧洲 WCDMA:主要以 GSM 系统为主的欧洲厂商 

中国 TD-SCDMA:中国移动一家采用

 

三大标准之外,Intel 为首的一批厂商又推出了极具竞争力的 WiMAX 技术,由于中国和欧洲的通讯生产商都一起对付美国 WiMAX,连美国高通都不想生产 WiMAX 的支持设备和芯片,2010 年,WiMAX 标准的最大支柱 Intel 先撑不住了,宣布解散 WiMAX 部门。

 

2000 年 5 月, ITU(国际电信联盟)正式宣布三大 3G 国际标准,但中国标准 TD-SCDMA 的技术不成熟,运营商和终端芯片方案商都不支持,但最终国家主推,“中国标准关系到我国移动通信的发展方向,要举全国之力搞好 TD-SCDMA”,所以建设 TD-SCDMA 网的艰巨而又光荣的任务交给了中国移动,为防止运营商同时有两张 3G 牌照,会优先发展更成熟的 WCDMA 或 CDMA2000,导致 TD-SCDMA 会被边缘化,因此重新对运营商进行了重组合并,明确每个运营商只建设一张网。中国联通采用 WCDMA,中国电信采 CDMA2000,中国移动采用中国标准的 TD-SCDMA。

 

这个阶段,一个重要的公司上线了——苹果,同时一代巨头诺基亚黯然离场。第一代 iPhone 的发布,使得智能手机的浪潮席卷全球,以前在电脑上才可以使用的网络服务,现在在手机上有了更好的体验,触屏操控,各类应用软件开始了不断更新迭代,人类正式步入移动多媒体时代。

 

2008 年以后,以苹果手机为首的智能机开始大卖。移动只能跟着眼红,却无计可施。因为高通不愿生产 TD-SCDMA 芯片,所以苹果手机根本不支持 TD-SCDMA 网络(直到后来,才勉强支持)。就这样移动眼睁睁看着用户不断流失,市场份额下降,但是也为后续中国通信标准奠定了基础。

 

4G:移动互联网时代

2008 年发布的第四代网络 4G,中国成为标准的制定者之一。4G 是在 3G 基础上发展起来的,采用更加先进通讯协议的第四代移动通讯网络。对于用户而言,2G、3G、4G 网络最大的区别在于传速速度不同,4G 网络作为最新一代通讯技术,在传输速度上有着非常大的提升,理论上网速度是 3G 的 50 倍,实际体验也都在 10 倍左右,上网速度可以媲美 20M 家庭宽带,4G 网络可以满足游戏服务,高清移动电视,视频会议。

 

4G 有两大技术根基:LTE 和 IEEE802.16m(WiMax2),LTE 是 Long Term Evolution 长期演进,就是在3G 基础上通过技术迭代慢慢达到4G。

 

2009 年 10 月,ITU 共计征集到了六个候选技术,六个技术可以分为两大类,一是基于 3GPP 的 LTE-Advanced 的技术;另外一类是基于 IEEE802.16m(WiMax2 )的技术,中国提交的候选技术作为 LTE-Advanced 的一个组成部分。

 

六个候选技术分别是: 

北美标准化组织 IEEE 的 802.16m(WiMax2) 

日本 3GPP 的 FDD-LTE-Advance 

韩国(基于 802.16m) 

中国(TD-LTE-Advanced)(LTE-TDD) 

欧洲标准化组织 3GPP(FDD-LTE-Advance)

 

4G 时代,各种各样的新型移动互联网公司如雨后春笋般争相出现,人们的生活被彻底改变,生活越来越便捷,4G 使人类进入了移动互联网的时代。

 

5G:万物互联的时代

随着每个人平均拥有的移动设备的增多,随着越来越多的设备接入云端,网络拥堵已经成为了我们所需要面对的问题。而针对 4G 网络阻塞时因为信息的传输率大于信道容量,5G 带来的解决方法就是加大带宽,利用毫米波,大规模多输入多输出,3D 波束成形,小基站等技术,实现比 4G 更快的速度,更低的时延和更大的带宽,可以同时链接千亿个设备。

 

5G 网络的主要优势数据传输速率高,最高可达 10Gbit/s,比先前的 4G LTE 蜂窝网络快 100 倍。另一个优点是较低的网络延迟,低于 1 毫秒,而 4G 的延迟为 30-70 毫秒。

 

5G 的标准还未完全确立,在 5G 阶段,3GPP 组织把接入网(5G NR)和核心网(5G Core)拆开了,要各自独立演进到 5G 时代,这是因为 5G 不仅是为移动宽带设计,它要面向 eMBB(增强型移动宽带)、URLLC(超可靠低时延通信)、mMTC(大规模机器通信)三大场景。简单说就是5G 不只是把速度搞上去就行,还得解决延迟、承受大规模机器同时通信,

 

提到 5G,有一个词汇双模、双载波,包含了目前 5G 最为大家讨论关心的两个方面:

(1)双模指 5G 网络的两种部署方式 NSA(非独立组网)、SA(独立组网) 用最简单的话说就是:SA 需要新建 5G 基站和 5G 核心网,NSA 就是利用 4G 基站或核心网

(2)双载波 这个术语说的是 5G 的两个频段区间 一种是 6GHz 以下,又称 Sub-6GHz,跟目前 2、3、4G 差不多在一个频段 一种是在 24GHz 以上,高频毫米波(mmWave)

2019 年 6 月 6 日,工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放 5G 商用牌照。

 

历代移动通信的发展,都以典型的技术特征为代表,同时诞生出新的业务和应用场景。而 5G 将不同于传统的几代移动通信,5G 不再由某项业务能力或者某个典型技术特征所定义,它不仅是更高速率、更大带宽、更强能力的技术,而且是一个多业务多技术融合的网络,更是面向业务应用和用户体验的智能网络,最终打造以用户为中心的信息生态系统。最终实现“信息随心至,万物触手及”。尽管目前来说 5G 未规模商用,但所有人对即将到来的 5G 时代是充满向往与期待的。

 

二、中国移动通信技术的发展

技术

通信技术基本保持着十年一代,但每一代都有新面孔出现,也有老面孔消失。1G 有摩托罗拉,2G 有诺基亚、爱立信和西门子,3G 有高通、苹果,而 4G 和 5G 则出现了华为。中国移动通信技术,1G 空白、2G 跟随、3G 突破、4G 同步,到了 5G 终于看到了更具创新性的苗头了,不过这样引起部分国家的打压,可能地主收租习惯了,担心未来得向富裕起来的贫农交租,领导地位被挑战。关注微信公众号 嵌入式系统 获取更多信息。

 

运营商

为了发展 3G,尤其是支持中国标准 TD_SCDMA,根据国家六网合三政策,中国运营商进行了拆分、重组、合并。2008 年电信业重组之前,中国移动和中国联通主要经营移动业务(GSM、CDMA 手机业务)、中国电信、中国网通、中国铁通经营固网业务(固定电话、宽带),中国卫通涉足航空航天和卫星通信。

 

2008 年重新组合后 

移动+铁通=新移动,主要经营固网+2G(GSM)+3G(TD-SCDMA); 

中国联通和中国网通合并成为联合网络公司(联通+网通=新联通)主要经营固网+2G(GSM)+3G(WCDMA); 

电信收购原联通的 CDMA 网络,和部分中国卫通,中国电信主要经营固网+2G(CDMA)+3G(CDMA2000)。 

三家运营商都可以提供固网宽带业务和移动通信业务。

 

在 5G 时代,又新增了中国广电。目前现状:

中国移动 主要运营 GSM、TD-SCDMA、TD-LTE 网络和固网。 

中国联通 主要运营 GSM、WCDMA、FDD-LTE,固网。 

中国电信 主要运营 CDMA、CDMA2000、FDD-LTE、TD-LTE 网络和固网。 

中国广电 主要经营互联网国内数据传送业务、国内通信设施服务业务。

 

三、物联网与移动通信网

物联网设备主要具备如下大特点:

1、设计简单:系统复杂度低能保证 IoT 设备在恶劣环境下正常工作 

2、成本低廉:IoT 设备一般都是成本低 

3、大覆盖范围:要保证弱信号区域网络数据能传输 

4、低功耗:大部分应用场景都需要使用电池功能

5、低速率:传输数据量小,速率低 

6、海量设备接入:小范围存在大量终端设备入网。

尽管用于物联网的通讯技术很多,但没有哪个技术有一统江湖的趋势。

 

工信部提出建立 NB-IoT(窄带物联网)、4G(含 LTE-Cat1,即速率类别 1 的 4G 网络)和 5G 协同发展的移动物联网综合生态体系,在深化 4G 网络覆盖、加快 5G 网络建设的基础上,以 NB-IoT 满足大部分低速率场景需求,以 LTE-Cat1(以下简称 Cat1)满足中等速率物联需求和话音需求,以 5G 技术满足更高速率、低时延联网需求。

 

简单的可以理解为,国家推荐的是 NB-IoT 和 LTE-Cat1,不建议 GSM/GPRS。对应大部分物联网来说,目前低功耗且低成本的 4G 才是主流,简称 NB 和 cat1 网络。

 

那什么是 Cat.1?它和 NB-IoT、eMTC 有什么关系呢?Cat.M1 和 Cat.NB-1 又是什么?

 

3GPP 组织制定 LTE 标准,支持为不同用户提供不同等级的网络服务能力。在 LTE 里提出了重要的 QoS(Quality of Service,服务质量)概念。不同的业务,对于不同的 QoS,网络提供不同的带宽和接入优先级。

 

除了网络之外,3GPP 还打算给用户终端(包括手机、可穿戴设备、物联网设备等)也做个分类。2009 年 3 月,3GPP 发布 Release8 版本、正式提出 LTE 的时候,同步推出了 LTE Cat.1、Cat.2、Cat.3、Cat.4、Cat.5 一共 5 个终端类别。后来,又在 R10 版本定义了 Cat.6、Cat.7、Cat.8。在 R11 定义了 Cat.9、Cat.10、Cat.11、Cat.12。在 R12 定义了 Cat.13、Cat.14、Cat.15。

 

cat 是英文单词 Category 的缩写。意思是类别、种类,不同的 Cat 表示不同的速率

在 LTE 发展初期,Cat.1 并没有被业界所关注。随着可穿戴设备的逐渐普及,Cat.1 才逐渐被业界重视。但是,Cat.1 终端需要使用 2 根天线,对体积敏感度极高的可穿戴设备来说仍然“要求过高”(一般只配备 1 根天线)。所以,在 R12/R13 中,3GPP 多次针对物联网进行优化。

 

首先是在 R12 中增加了新终端等级 Cat.0,放弃了对 MIMO(多天线)的支持,简化为半双工,峰值速率降低为 1Mbit/s,终端复杂度降低为普通 LTE 终端的 40%。这样一来,初步达到了物联网的成本要求。

 

但是,虽然 Cat.0 终端的信道带宽降至 1.4MHz,但射频的接收带宽仍为 20MHz(太大)。于是,3GPP 在 R13 中又新增 Cat.M1 等级的终端,信道带宽和射频接收带宽均为 1.4MHz,终端复杂度进一步降低。而 Cat.M1,也就是我们之前常说的 eMTC(enhanced Machine-Type Communication,增强型机器类型通信)。

 

此外,3GPP 在 R13 中同时新增了一个 Cat.NB-1,它的接收带宽仅 180kHz。这个 Cat.NB-1,就是我们的 NB-IoT(Narrow Band Internet of Things,窄带物联网)。

 

eMTC 还有一个名字,叫做 LTE-M,LTE-Machine-to-Machine,LTE- 机器到机器。也就是说,是机器之间用 LTE 通信,非常直白了,适用于物联的 LTE 网络。

 

可见,Cat.1、Cat.M1(eMTC)和 Cat.NB-1(NB-IoT),这三兄弟都是 3GPP 定义用于物联网的。

 

三兄弟里面,NB-IoT 的速率是最慢的,eMTC 次之,Cat.1 最快(也就 5Mbps)。它们和其它 Cat 的定位如下图:

 

随着 2G/3G 的加速退网,运营商们开始积极引导行业用户使用 NB-IoT 和 Cat.1 终端模组,也是目前 Cat.1 日益火热的原因之一。

 

NB-IoT 适合低速、数据量小的场景,当初设计的按 APN 分配休眠唤醒机制以及对接受运营商主导,对传统的 tcp 长连接存在一定硬伤,数据响应和功耗方面不如 Cat1。eMTC 国内目前未组网,Cat.1 基于现有的 LTE 网络,不需要增加额外投资。Cat.1 芯片及模组方案成熟,价格便宜,未来 cat1 可能会成为国内低成本物联网的主流。