从0G到5G，从1946到2020，带你一文看懂移动通信技术的百年沉浮

　　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。
　　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（AutoRadioPuhelin，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（DynamicAdaptive 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！