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现代移动通信,究竟是如何崛起的?

2020-02-10
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引言
近两百年来,人类的通信技术经历了漫长的发展,也取得了瞩目的成就。
从最早的电报电话,到现在的智能手机,越来越便利的通信工具在影响着我们的生活,同时也推动着社会的进步。
近现代通信究竟是如何一步一步走到今天的?在整个发展过程中,究竟发生了哪些激动人心的故事?又有哪些伟大的历史时刻,值得我们铭记?
通过今天这篇文章,小枣君将带领大家找寻答案。


▋Part.1:电报电话,近现代通信的开篇

通信的历史,从人类文明诞生的那一天就开始了。


在原始社会,部落成员进行狩猎活动时,就会互相通信。不过当时的通信方式较为落后,“基本靠吼”。


随着历史车轮缓缓向前,人类社会组织规模不断扩大,出现了城邦甚至国家。通信技术也随之不断演进,引入了很多新颖的通信方式和工具。例如大家耳熟能详的烽火旗语、击鼓鸣金、驿站书信等等。


这些通信手段虽然落后,但是加强了社会组织之间的联系,也促进了人与人之间的情感交流,极大地推动了人类文明的进步。


到了19世纪,随着电磁理论的出现和成熟,通信技术终于迎来了跨越式的发展。


1837年,美国人塞缪尔·莫尔斯(Samuel Morse)发明了莫尔斯电码和有线电报。莫尔斯的发明具有划时代的意义——它让人类获得了一种全新的信息传递方式,这种方式“看不见”、“摸不着”、“听不到”,完全不同于以往。


塞缪尔·莫尔斯(1791-1872)


1839年,全球首条真正投入运营的电报线路在英国出现。这条线路长约20公里,由查尔斯·惠世通和威廉·库克发明。


39年后的1876年,美国人亚历山大·贝尔(Alexander Bell)申请了电话专利,成为了电话之父。虽然真正的电话之父应该是安东尼奥·穆齐(Antonio Meucci),但他当时一贫如洗,连申请专利的钱都没有,导致被贝尔捡漏。


亚历山大·贝尔(1847-1922)


1896年,意大利人伽利尔摩·马可尼(Guglielmo Marchese Marconi)实现了人类历史上首次无线电通信,通信距离为30米(次年达到2英里)。


伽利尔摩·马可尼(1874-1937)


至此,人类敲开了“无线”通信世界的大门。



▋Part.2:蓄力爬坡,为了更完美的绽放

进入20世纪之后,由于电子技术成熟度和材料工艺方面的限制,通信技术在很长的一段时间里发展缓慢。尤其是无线通信方面,通信距离、安全性、容量和稳定性的问题始终无法得到有效解决。

直到30年代末,终于有一个极具新意的通信工具出现,那就是步话机。

二战期间,美国军方意识到战场无线通信的重要性,牵头发明了世界第一台无线步话机SCR-194。后来,摩托罗拉公司参与了这个项目,研发了后续型号SCR-300和SCR-536,成为了那个时代的标志。
 

摩托罗拉公司SCR-300军用步话机

军用步话机是无线通信技术的一次重大创新。它的出现,让人们开始憧憬无线通信能够带来的美好生活。

二战结束后,有两个重要的事件,为通信技术的飞速发展奠定了基础。

第一个事件,是信息论的提出。

1948年至1949年间,在贝尔实验室工作的美国数学家克劳德·艾尔伍德·香农(Claude Elwood Shannon),先后发表了两篇划时代的经典论文——《通讯的数学原理(A Mathematical Theory of Communication)》和《噪声下的通信(Communication in the Presence of Noise)》。

克劳德·艾尔伍德·香农(1916-2001)

在论文中,香农详细且系统地论述了信息的定义,怎样数量化信息,怎样更好地对信息进行编码。香农同时提出了信息熵的概念,用于衡量消息的不确定性。香农还提出了香农公式,阐述了影响信道容量的相关因素。

这两篇论文宣告了信息论的诞生,也为后续信息和通信技术的发展打下了坚实的理论基础。正因为香农的杰出贡献,他被称为“信息论之父”,也被公认为通信行业的“祖师爷”。

第二个事件,是半导体晶体管的发明。

1947年,同样是来自贝尔实验室的威廉·肖克利(William Shockley)、约翰·巴丁 (John Bardeen)和沃尔特·布拉顿(Walter Brattain),共同发明了世界上第一个半导体晶体管。


晶体管的发明,开启了集成电路的时代。电子元器件的体积和性能,开始朝着摩尔定律的方向发展。

信息论和晶体管,彻底改变了人类社会的发展进程。对于通信技术来说,它们加速了第二次技术飞跃的“蓄力”过程,为移动通信大跨越提供了可靠保证。

1958年,苏联工程师列昂尼德.库普里扬诺维奇发明了ЛК-1型无线电话。这个电话虽然只能装在汽车上使用,但是已经有了移动电话的雏形。
  

列昂尼德·库普里扬诺维奇

到了60年代,以摩托罗拉和AT&T为代表的科技公司,非常看好民用小型无线通信设备的市场潜力,开始加大对移动电话的研发投入。

终于,进入70年代后,在半导体技术和计算机技术的共同刺激下,人类迎来了民用无线通信技术的大爆发。


▋Part.3:从1G到4G,波澜壮阔的通信技术跨越

1973年4月的一天,一名男子站在纽约街头,掏出一个约有两块砖头那么大的设备,并对它说话,兴奋得手舞足蹈,引得路人纷纷侧目。


这个人,就是马丁库帕,摩托罗拉公司的工程师。而他手上的设备,就是世界上第一个真正意义上的手机。

  

马丁库帕和他发明的手机


马丁库帕当时拨出的第一通手机电话,打给的是他在贝尔实验室的一位竞争对手。对方当时也在研制移动电话,但尚未成功。库帕后来回忆道:“我打电话给他说:‘乔,我现在正在用一部便携式蜂窝电话跟你通话。’我听到听筒那头的‘咬牙切齿’——虽然他已经保持了相当的礼貌。


手机的发明,标志着1G时代的开始,也标志着移动通信时代的开始。


1G时代,处于行业领导地位并且拥有话语权的,是美国的摩托罗拉公司和AT&T公司(当时贝尔实验室属于AT&T公司)。


1978年,贝尔实验室在芝加哥完成了先进移动电话系统AMPS(Advanced Mobile Phone System)的实验,并且在1983年投入运营。AMPS 就是世界上第一批1G通信系统。它采用的是频分多址(FDMA)技术,基于蜂窝结构组网,可以支持手机在整个服务覆盖区域内自动接入公用电话网。


在AMPS之后,陆续有多个国家和地区推出了自己的1G标准,例如北欧的NMT、英国的TACS、西德的C-Netz,还有日本的JTAGS。这些都是国家标准,并没有进一步形成国际标准。


1987年11月18日,在第六届全运会开幕前夕,我国第一个TACS模拟蜂窝移动电话系统在广东建成并投入商用(采用的是瑞典爱立信的设备),实现了我国移动电话“零”的突破。


中国第一个无线基站


虽然1G在很多国家开花结果,但是事实上,它并不是一个成熟可靠的技术。主要是因为它采用的是模拟信号技术,这种技术导致通信系统的保密性差,容量低,通话质量差,信号不稳定等一系列问题。


80年代后期,随着大规模集成电路、微处理器与数字信号处理技术的更进一步发展和成熟,人们开始研究将数字技术引入到移动通信系统中。


于是,很快我们就迎来了2G。


1982年,为了改变美国在通信标准领域一家独大的现状,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”的法语缩写是GroupeSpécialMobile。后来,这一缩写的含义被改为“全球移动通信系统”(Global System for Mobilecommunications),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,并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,GSM系统正式在欧洲开通运行,标志着移动通信正式步入了2G时代。


此后,全球多个国家和地区都基于GSM技术建立起自己的移动通信网络,GSM变成国际上最受欢迎的移动通信标准。


与此同时,另一个2G通信标准也被逐渐发展起来,那就是CDMA。


CDMA所基于的扩频技术其实在二战时期就已经出现了。当时的好莱坞女星海蒂·拉玛和钢琴师乔治·安太尔合作,发明并申请了扩频通信的专利。海蒂拉玛也被后人称为“CDMA之母”。


海蒂·拉玛


但是扩频通信当时并没有引起美国官方的重视,只是在二战之后的冷战期间,被用于军用保密通信。


到了80年代,美国高通公司发现了扩频通信的商业价值,并在此基础上发明了CDMA通信技术。


高通创始人埃尔文·雅各布(Irwin Jacobs)


1991年,高通正式开展了CDMA系统的现场试验。1993年,CDMA被作为美国数字蜂窝移动通信标准IS-95A。1995年,CDMA系统在香港、韩国首先入网使用,然后在美国等国家和地区进行推广。


此时,全球移动通信领域就形成了GSM和CDMA进行全面竞争的局面。


GSM的核心是TDMA(时分多址)技术。CDMA的核心是码分多址。从技术的层面来说,CDMA比GSM更为优秀。它的容量更大,抗干扰性更好,安全性更高。 


但是,CDMA起步较晚,GSM已经在全球占据了大部分的市场份额,是事实上的全球主流标准。再加上使用高通的CDMA,需要缴纳巨额的专利授权费。所以,虽然同属2G标准,CDMA的影响力和市场规模和GSM无法相提并论。


1993年9月,我国在浙江嘉兴正式开通了国内第一套GSM移动通信系统,设备由上海贝尔公司和阿尔卡特公司提供。


GSM开通典礼现场


此后,全国各地都采用GSM技术和设备进行移动通信网络建设。


1999年,国家启动CDMA网络的建设。2002年1月8日,联通CDMA网络正式开通。至此,我们国家就有了GSM和CDMA两种2G网络。


在2G高速发展时期,还有一件重要的事情发生,那就是互联网的爆发。


80年代,计算机技术日益成熟,计算机网络技术也随之得到蓬勃发展,相关基础理论逐渐完善,并最终催生出强大的互联网(Internet)。


互联网崛起之后,数据通信的需求呈爆炸式增长。


在互联网出现之前,人们通信的主要传输内容为话音。互联网出现之后,通信网络的主要传输内容开始变成了计算机数据报文。这些数据报文,也就是图像、音频、视频等多媒体文件的载体。


传统的2G网络,以语音业务为主,无法满足用户对数据业务的需求。为了改变这一局面,让用户可以用手机上网,整个通信行业加紧了对3G的研发。


1996年,欧洲成立通用移动通信系统(UMTS)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TDMA不是CDMA的对手。于是,他们开始抛弃TDMA,拥抱CDMA,开发出了原理相类似的W-CDMA系统。


为了能够和美国抗衡,欧洲还联合日本等采用GSM标准的国家和地区共同成立了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-95A)发展起来的CDMA2000标准。


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。这是有史以来我们国家第一次在世界通信领域提出自己的标准。


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。


 

从名字也看出来了,三大技术都和CDMA有密切的关系,都是基于码分多址(CDMA)技术的。


在码分多址(CDMA)技术的加持下,3G网络的速率相比2G有了大幅的提升,达到了14.4Mbps(WCDMA理论下行速率),可以满足基本的多媒体业务需求。


虽然3G标准被很快被确定下来,但是并没有得到大规模的应用和建设。究其原因,有两个方面:一方面是因为2000年左右的全球金融危机,互联网泡沫破碎,很多IT和通信企业元气大伤,要么倒闭要么裁员,无力进行3G的建设。另一方面,是因为当时用户对3G的需求并不强烈。那个时候,普通用户手里的手机基本上以功能机为主。这些功能机,根本用不到那么高的网速。


终于,到了2007年,乔布斯带领下的苹果公司成功推出了iPhone智能手机,打破了僵局。Iphone的高清触摸屏,还有App Store(应用商店),让所有手机用户耳目一新。谷歌公司紧随其后推出的安卓操作系统,也进一步刺激了智能手机的普及。


智能手机需要更高的网速,于是,3G开始走出低谷,成为各国运营商争相建设的“香馍馍”。智能手机+3G网络,开启了移动互联网时代,我们的生活开始随之发生巨变。


从某种意义上来说,iPhone拯救了3G,也拯救了当时的通信行业。


智能手机的发展速度实在太快。没过多久,人们就发现,即便是3G,也不足以满足网速需求。于是,4G标准的制定,也就被提上了议事日程。


大家现在都知道,我们目前全球使用的4G,基本上都是LTE技术。但是,LTE成为4G全球标准的过程,并不是一帆风顺的。


2003年,负责制定Wi-Fi标准的IEEE(电气和电子工程师协会),引入OFDM(正交频分复用技术),推出了802.11g标准,大幅提升了Wi-Fi的传输速率(达到了54Mbps),获得了巨大的成功。


于是,以英特尔为代表的IT厂商们,针对蜂窝移动通信市场,推出了802.16标准,意图和已有3G标准进行竞争。这个802.16,就是当年火遍全球的WiMAX。


面对WiMAX的挑战,以3GPP为代表的传统通信行业感受到了很大的压力。于是,他们在3G基础上,加紧了技术研究和标准开发。


2008年,3GPP提出了长期演进技术 (Long Term Evolution, LTE) 作为3.9G技术标准。后来,在2011年,3GPP又提出了长期演进技术升级版 (LTE-Advanced) 作为4G技术标准。不管是LTE还是LTE-A,都采用了OFDM技术,也算是师夷长技。


各个网络制式的速率对比

 

就在3GPP大力发展LTE的同时,以高通为首的3GPP2也没闲着。


2007年,高通提出了UMB(Ultra-Mobile Broadband)计划,作为CDMA2000的下一代演进。但是因为高通在3G时期的专利实在太过昂贵,所以UMB并没有得到多少企业的支持。大部分运营商和设备商都投入到3GPP的LTE阵营。


后来,因为UMB实在无人问津,所以高通干脆停掉了这个项目,自己也加入了3GPP。


前面说的挑战者WiMAX,后来也因为产业链和兼容性等等原因,发展过程遭受了巨大的挫折,最终整个阵营分崩离析,树倒猕猴撒。


于是,经过激烈的角逐,LTE笑到了最后,成为了世界上最主流的4G移动通信标准。这一局面,一直持续到今天。



▋ 篇后语


从电报到4G,我们经历了将近两百年的时间。正如前文所说,这是一个漫长而曲折的过程。


从用户的角度来看,通信的内容从文字到语音,再到多媒体数据。通信设备越来越小巧方便,通信的资费也越来越低廉。


从技术的角度来说,通信实现了从有线到无线,从模拟到数字,从频分到时分,再到码分、正交频分,从语音交换到数据交换。移动通信系统的容量不断提升,安全性和稳定性也不断提升。


不积跬步,无以至千里。所有这些成果和进步,都是无数通信人一点一点努力奋斗换来的。


如今,我们处于一个通信极为便利的时代,移动互联彻底改变了我们每一个人的生活,也极大地推送了整个社会的进步和发展。


接下来,通信又将走向何方?万众期待的5G,能不能延续通信的荣耀和辉煌?让我们拭目以待!



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