从0G到5G 移动通信历经了将近一个世纪的发展

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。

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。

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（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！

责任编辑：xj

原文标题：科普 | 从0G到5G移动通信的百年沉浮

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