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一部波澜壮阔的移动通信史:1G→2G→3G→4G→5G(经典)

2017年10月11日 06:47    作者: 电子工程专辑

Symbian也建议过诺基亚在智能手机的开发上可以有更多其他的功能,无奈诺基亚就是听不进去。

此景彷若当时的摩托罗拉从模拟向数字手机转型,当时最赚钱、说话最大声的部门是有键盘、好接听的功能手机,触控式屏幕、甚至是最关键的APP生态系并不在Nokia高层的认知中。

在Windows Mobile与Symbian大乱斗,诺基亚依然一家独大的情形下,有一个角色正在偷偷地壮大势力,它的名字叫苹果。

2005年,苹果收购了一家叫FingerWorks的公司,这家公司自1999年起便开始研发手势识别、多点触控等技术,但在当时这样的应用并不为人们所看好,也没人猜到苹果买它来做什么。

 



苹果要做什么呢?

2007年1月9日,乔布斯发布了第一代iPhone。

 

iPhone1主打的 iTunes Music Store、Safari、Email、Camera 等应用,皆以图形化的方式呈现在简洁优美屏幕上,搭配多点触控屏幕技术,iPhone去除掉了键盘、单以一个 Home键和手指即可操作。

“最好的操作界面,就是我们的手指”,乔布斯在iPhone发布会上强调。

iPhone跨时代的创新并不止于此。

早期在手机中安装APP的方式,都是先从网页上下载、用接线传输到手机,再自行安装。

2008年苹果推出iOS 2,新增了最重要的应用商店 (App Store),可以在该平台上下载安装应用程序,开始了APP生态系统的新时代。

你不会利用手机去推销生态系统,只会利用生态系统去推销手机。Symbian一直在示好并鼓励第三方开发者,在 iPhone 发布时, Symbian平台上已有一万多款应用。

然而,Symbian整整花费了7年时间在APP生态系统上所取得的成绩,苹果在发布iOS第一版的一年多后就超越了。

苹果的迅速成功和Symbian的坎坷命运都是因为同一个原因:应用商店。

通过统一平台,苹果帮助使用者更方便地购买应用程序,只能说缺少应用商店是Symbian的一个致命失误──没有资源的人若想自行开发将会非常困难,而开发和维护成本也很高。

尽管智能手机不是苹果发明的,但现在一般认知中的智能手机中所包含的四大功能:

多点触控(multi-touch screen)

手机操作系统(Mobile Operating System)

应用程序下载平台(App Platform)

应用程序(App)

苹果成功地将过往各家大厂尝试的经验整合起来,一战成名。

真正有远见的企业家,是提早10年看到趋势并提早布局,最后在适当时机点推出产品,让市场爆发性成长。

3G的部署与网络速度的提升,早在2005年左右便已完工 (若非欧洲破产重整、美国牌照延迟, 早在2000年时3G技术已确立),同时,移动上网、应用程序(App)、手机操作系统也早已开展。

然而始终像一支蹩脚的足球队一样,缺乏临门一脚,以至于3G用户人数不多,始终无法普及。也因为资源早已备齐,所以才成就了iPhone的成功。

智能手机于2005-2007年间起步,2008-2012年爆发性成长,转折点在于iPhone。智能手机的轰动,也成功拉动3G用户暴增,进而迎来4G更高速上网时代。

4G

由OFDM引发的变局

随着智能手机的发展,移动流量需求上升,W-CDMA随后演进出3.5G的HSDPA、3.75G的HSUPA ,但其中的CDMA技术框架没有改变。而高通CDMA后续演进出的 1x EV-DO,于2001年被接受为3G技术标准之一。

本来照这样发展下去,以CDMA为核心的技术或许有可能一路称霸到4G,可惜事与愿违。

半途中有一号人物,杀进市场将一切计划打乱,这个家伙叫 Intel。

1 Intel的逆袭 – WIMAX

先简单介绍一下授权频谱那点事。1980年代以前,美国所有的无线设备都得经过频谱授权。后来美国通信委员会 (FCC) 将标准放宽,仅限于发射功率较大、容易产生信号干扰的无线设备需经过频谱授权,其他低发发射功率的设备可以使用未授权频谱。

这些未授权频谱早期无人重视,直到IEEE开始进行短距离无线传输的研究。

WiFi设备就是在IEEE的规定下发射功率不能超过100mW,实际的发射功率可能也就在60到70mW。

为了能让各家厂商能根据同一个标准生产兼容的设备,让通讯器材能有互通性,1999年,IEEE分别推出了802.11b与802.11a两种WiFi标准,分别使用 2.4GHz和5GHz频段,彼此标准不相容。

(所以我们才会常常在连WiFi时,看到2.4G和5G两种频段)

2003 年,IEEE引入正交频分复用技术 (OFDM),推出802.11b的改进版802.11g使传输速度从原先的11Mbps提升至54Mbps。

现在我们使用的WiFi主要为802.11n, 与 802.11a、802.11b、802.11g皆兼容,并采用MIMO技术,使传输速度及距离都有所提升,速度甚至可达600Mbps。

OFDM+MIMO技术,解决了多径干扰,提升了频谱效率,大幅地增加系统吞吐量及传送距离。这两种技术的结合,使得WiFi取得了极大的成功。

随著版图不断扩大,IT业巨头们开始觊觎起蜂窝移动通信市场大饼——4G。

WiFi标准是IEEE 802.11,IT巨头进军电信业的标准是802.16 ,称作WiMax。

2005年,Intel和诺基亚、摩托罗拉共同宣布发展802.16标准,进行移动终端设备、网络设备的互通性测试。

 

有Intel领头的WiMax来势汹汹,电信产业这边却是几家欢喜几家愁。

OFDM说起来也不是新技术,早在1960年代贝尔实验室发明OFDM后,技术框架约在1980年代便已建立完成。

然而当时能支持OFDM的硬件不成熟,CDMA又由高通领军一时红火,便淘汰在3G标准之外。

简单来说就是CDMA太红,如果 Intel和 IT大厂没有在WiFi上将OFDM技术发扬光大,电信业没有一家注意到早期不被重视的OFDM。

由于WiMax的关系,OFDM才又重新进入电信业和学术界的视野中。

耶!终于可以不用再被高通的CDMA技术揩油了。

OFDM 不但能有效消除多径干扰,复杂度也比CDMA小了很多,相较于CDMA事实上更有优势。

此时,除了高通以外,众家电信巨头都欢乐了起来:终于不用再看高通面子、缴高额的高通税了!

若能有效将4G传输速率提升,又能绕过高通的CDMA专利陷阱,那是大好不过了!3GPP组织立即看风向转向。(承相~起风了~~)

2008年时,3GPP提出了长期演进技术 (Long Term Evolution, LTE) 作为3.9G技术标准。

又在2011年提出了长期演进技术升级版 (LTE-Advanced) 作为4G技术标准,准备把W-CDMA汰换掉,转而采用OFDM。

至于高通这边当然也看到了OFDM的发展前景。

为了不落人后,在2005年WiMax进军移动通信业时,高通耗费了六亿美元,战略性收购了专门研发OFDM技术的Flarion公司。

并在2007年提出了UMB(Ultra-Mobile Broadband) 计划,把CDMA和OFDM、MIMO都整入UMB标准中,想继续维持CDMA的优势。

可惜各家厂商都怕了高通,以前让你一人称山大王四处为虐,现在看你有倾颓之势还不墙倒众人推。

况且全球覆盖率最高的基站正是W-CDMA,因此,各大运营商无不纷纷决定采用LTE-Advanced当作第四代通信技术标准。

UMB因为没人支持而迅速式微了下去,隔年高通就把UMB停掉、宣布加入3GPP的LTE阵营了。

解决了高通这个难缠的对手后,那WiMax呢?

不用3GPP打WiMax,这个阵营就先自己出了乱脚。

既然WiMax是由WiFi演进过来的技术,那么WiMax到底是IT网络还是电信网络?

WiMax论坛 (WiMax Forum) 的组成份子复杂,各怀鬼胎,在毫无共识的情况下产业发展整个乱了套。

除此之外最关键的问题还是电信设备的兼容性。

如同高通败在W-CDMA基站的广覆盖上,LTE可兼容WCDMA,且利用现有基站配套设备,而WiMax基站却要从头建起。

更何况LTE从头到尾就是电信业主导的通信标准,轮不到让Intel这种IT巨头分这块饼。

此时此刻的高通已无法复制3G时代的荣景,4G已经没有再使用CDMA技术了。(不过由于布局广,就算曾经的命脉CDMA被大幅削弱重要性,在OFDM上还是能收很多专利费)

Intel也在2010年宣布放弃WiMax,加入LTE阵营。

 



5G

改变社会

2G实现从1G的模拟时代走向数字时代,3G实现从2G语音时代走向数据时代,4G实现IP化,数据速率大幅提升。

5G将会给我们带来怎样的改变?5G最大的改变就是实现从人与人之间的通信走向人与物、物与物之间的通信,实现万物互联,推动社会发展。

速率方面:从4G的100Mbps为单位,5G可高达10Gps,比 4G 快达100倍,轻松看3D影片或4K电影。

容量与能耗方面:为了物联网(IoT)、智慧家庭等应用,5G网络将能容纳更多设备连接、同时维持低功耗的续航能力;

低时延方面:工业4.0智慧工厂、车联网、远程医疗等应用,都必须超低时延。

5G的容量是4G的1000倍,峰值速率10Gbps-20Gbps,意味着采用更高的频段,建设更多的基站,并引入Massive MIMO等关键技术。

低时延和大规模物联网连接,意味着网络能提供多样化的服务,这就需要网络更加灵活和分布,从而需要基于NFV/SDN向软件化/云化转型,用IT的方式重构网络,实现网络切片。

而虚拟化打通了开源平台,让更多的第三方和合作伙伴参与进来,从而在已运行多年的成熟的电信网络上激发更多的创新和价值。

5G是商业模式的转型,也是生态系统的融合。

正如NGMN所定义的:

5G是一个端到端的生态系统,它将打造一个全移动和全连接的社会。5G主要包括三方面:生态、客户和商业模式。它交付始终如一的服务体验,通过现有的和新的用例,以及可持续发展的商业模式,为客户和合作伙伴创造价值。

5G的诞生,将进一步改变我们的生活和社会,推动一场新的信息革命。就要到来,让我们拭目以待。

 

---END---

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现代生活离不开移动通信,从信息的生成、传输到接收,网络通信的背后蕴含着数不清的闪光智慧。从1G到5G的演进,时代的转换一幕接一幕,其背后关于通信标准的江湖纷争也是波诡云谲、激烈异常,最终汇出了一部波澜壮阔的移动通信史。

1G

模拟之王——摩托罗拉

讲到双向无线通信,就不能不提摩托罗拉 (Motorola)。如果说当年AT&T是有线通信之王,摩托罗拉就是移动通信的开创者。

最初,无线通信技术主要应用于国家级的航天与国防工业,带有军方色彩,摩托罗拉的发展也是如此。

摩托罗拉创立于1928年,二战时与美国陆军部签订合约、协助其研发无线通讯工具。1941 年,摩托罗拉研发出了第一款跨时代产品 SCR-300,至今仍是电影中美国通讯大兵最经典的形象。

 

虽然 SCR-300重达16公斤,甚至需要一个专们背负的通信兵、或安装在车辆和飞机上,然而由于 SCR-300使用了FM调频技术,使通话距离达到了前所未有的12.9公里,足以让炮兵观察员联系到炮兵阵地,也能让地面部队跟陆军航空兵通讯。

无论是二战期间的通信设备,之后第一款彩色电视机、半导体芯片、DSP通讯手机芯片,和1980年发明的“大哥大”、建立了AMPS (Advanced Mobile Phone System) 电话系统…

摩托罗拉作为模拟通信技术的佼佼者,在移动通信及电脑处理器领域中都是市场先锋,更在1989年被选为世界上最具前瞻力的公司之一。

可惜的是,一代巨头终究未能随市场趋势转型,最终轰然倒下。

2G

GSM与CDMA之争

由于1G模拟通信的通话质量和保密性差、信号不稳定,人们开始着手研发新型移动通信技术。1980年代后期,随着大规模集成电路、微处理器与数字信号的应用更加成熟,当时的移动运营商逐渐转向了数字通信技术,移动通信进入2G时代。

由于通信产业为国家战略产业,通信标准之争的背后是国与国、联盟之间的综合角力,一旦输了的一方则须持续向对方联盟缴纳高额专利费,且更容易被对方掌握产业主动权。

摩托罗拉垄断了1G,也意味著第一代通信标准把持在美国人手里。

在数字通信刚起步时,欧洲各国意识到:单打独斗在技术上将难以和美国抗衡。

二十年来,欧盟始终不甘落后于美国,若各自搞出一个不同的标准、很难在世界上占主导优势 (标准这东西就是人多、说话大声拳头硬的就赢了;总不能全世界只你一个人跟别人用不一样的)。

它们吸取了各自为政的失败教训、加强内部联盟,终于在2G时代超越了美国。

1982年起欧洲邮电管理委员会成立了“移动专家组”负责通信标准的研究。

GSM的名字即是移动专家组(法语: Groupe Spécial Mobile)的缩写,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),以向全世界推广GSM。

GSM的技术核心是时分多址技术 (TDMA),其特点是将一个信道平均分给八个通话者,一次只能一个人讲话、每个人轮流用 1/8的信道时间。

GSM的缺陷是容量有限,当用户过载时,就必须建立更多的基站。不过,GSM的优点也突出:易于部署,且采用了全新的数字信号编码取代原来的模拟信号;还支持国际漫游、提供SIM卡方便用户在更换手机时仍能储存个人资料;能发送160字长度的短信。

可以说,移动通信的技术与应用在2G时期有了惊人的进步。

1991年,爱立信和诺基亚率先在欧洲大陆上架设了第一个GSM网络。短短十年内, 全世界有162个国家建成了GSM网络,使用人数超过1亿、市场占有率高达75%。

在欧洲人野心勃勃地想要超越美国称霸世界时,美国人同一时间却搞出了三套通信系统。其中两套同样是基于TDMA 技术的、第三套则是高通推出的码分多址技术(CDMA)。

TDMA的信道一次仅供一个人使用、八个用户得轮流使用,容量有限;然而CDMA采用加密技术、让所有人同时讲话也不会被其他人听到(好比编号1只能与编号1通话、编号2只能与编号2通话,互不干扰),容量大幅提升。

从技术上来看,CDMA系统的容量是GSM的10倍以上。

从1950年代起,CDMA就是美军军方的通信技术之一。在创始人Irwin Jacobs和Andrew Viterbi领军下,高通在1989年成功将CDMA 应用在移动通信上。

 

然而高通没有实际的手机制造经验,欧洲的运营商们也对它的知识产权不感兴趣。即使是在美国也只有极少数的运营商愿意使用该系统。

早期有关CDMA的报导都是相当消极的,基站不能达到预期的性能,CDMA手机也无处可买。总体而言就是雷声大,雨点小。

与此同时,欧洲大力投资GSM,短短数年内建立了国际漫游标准,在全球广布GSM基站。

自然,CDMA起步较GSM晚了一步,加之美国国内资源又被分散,CDMA失去了大半江山。

在2G时代,CDMA 是个失败者。另一方面,美国在通信标准之争上的失败,间接也影响了摩托罗拉手机的竞争力。

当数字移动电话渐渐取代模拟移动电话时,摩托罗拉仍在模拟移动电话市场有40%的份额,但数字移动电话却不到二成。

对于数字通信的威胁,摩托罗拉错估了模拟手机的寿命,当时其高管表示:4300万个模拟手机用户,错不了的!

如同AT&T当初不愿砸钱在无线电话部门上一般,摩托罗拉当中最赚钱、说话也最大声的模拟手机部门更不可能让资源流到数字手机部门里。

同样的故事也可见于而后的诺基亚与智能手机之争。企业巨头的倒下很少是源于单一的外在因素,多是由于企业内耗、导致技术推进缓慢。

1997年,摩托罗拉终于走下神坛,其全球移动电话市场份额从1997年的50%暴跌到17%。持续了20年辉煌的摩托罗拉终于被一家之前还在造纸、1992年才推出第一部数字手机的公司——诺基亚击垮。

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