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从1G到5G,一场人类与信息载体的斗争

时间:2020-06-27 12:49:52

  摘要: 从1G到5G的演进,这是一场人类与信息载体的长期斗争,其背后大国之间关于通信标准争夺较量,更是蕴含着数不清的暗流涌动。

  今天来聊一聊从1G到5G的演进,这是一场人类与信息载体的长期斗争,其背后大国之间关于通信标准争夺较量,更是蕴含着数不清的暗流涌动。让世界分裂,从前核武器能做到的,今天网络通信或许也能做到。从信息的生成、传输到接收,人类为了缩短世界的宽度,改变信息的传递方式,不断通过技术将有界限的一切变成趋近于无限。

  模拟之王摩托罗拉

  说起第一代移动通信系统,就不能不提摩托罗拉。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,无线通信主要应用于国家级的航天与国防工业,带有军事色彩。我们常在二战电影里看到美国通讯兵身上背的那个重达15公斤的玩意,就是摩托罗拉研发出的第一代跨时代的无线通信产品SCR-300。

  直到1973年,摩托罗拉工程师马丁·库珀发明了世界上第一台移动电话——大哥大。移动电话是造出来了,传输用什么网络?AT&T公司的贝尔实验室给出了一个沿用至今的答案,那就是蜂窝网络,也称为移动网络。

  蜂窝网络的原理是把移动电话的服务区分为一个个正六边形的小子区,每个子区设一个基站,这些基站形成了酷似“蜂窝”的结构,并受一个移动电话交换机的控制。在这个区域内任何地点的移动电话都可以和其他地域进行通信,同时,在两个或多个移动交换机之间,只要制式相同,还可以进行自动和半自动转接,从而扩大移动台的活动范围。

  1978年,贝尔实验室基于蜂窝网络开创了最早的移动通信标准——以模拟技术为基础的高级移动电话系统(AMPS,Advanced Mobile Phone System),这就是第一代移动通信系统(1G,1st Generation)。

  同年,国际无线电大会批准了800/900 MHz频段用于移动电话的频率分配方案。5年后,这套系统在芝加哥正式投入商用,许多国家陆续都开始建设基于频分复用技术(FDMA,Frequency Division Multiple Access)和模拟调制技术的第一代移动通信系统。

  同一时期,欧洲各国也不甘示弱,日本、加拿大等国也积极跟进,纷纷建立起自己的第一代移动通信标准。瑞典等北欧四国在1980年研制成功了NMT-450移动通信网并投入使用;联邦德国在1984年完成了C网络(C-Netz);英国则于1985年开发出频段在900MHz的全接入通信系统(TACS,Total Access Communications System)。这些网络实际上是美国AMPS的修改版本,主要是频段、频道间隔、频偏、信令速率不同,其他完全一致。

  当时,中国使用的是英国的TACS标准,中国自己的移动通信系统还是一片空白,固定网络设备也全靠进口。

  可以说,1G时代的王者非摩托罗拉莫属,它不仅在全球攻城略地垄断了移动电话市场,还是AMPS系统的设备供应商,全球超过70个国家应用AMPS标准。这也意味着美国把第一代移动通信标准牢牢把持在手中。

  TDMA与CDMA之争

  虽然美国制定了第一代标准,但是1G先天不足。

  首先AMPS它是一个模拟标准,很容易受到静电和噪音的干扰,而且也没有安全措施阻止扫描式的偷听,到了90年代,抄袭成为了工业界的流行病,一些偷听者采用特制的设备可以截取到移动电话的信息;其次,AMPS还存在容量有限、只能传输语音流量、系统太多、系统不兼容、通话质量差、设备昂贵、无法全球漫游等一箩筐缺点。

  为了提高通话质量,业界提出2G用数字通信替代模拟通信,提升容量主要有两种解决方案,时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA),当时欧洲和美国几乎所有的电信巨头都选择了TDMA,只有刚成立的高通在坚持CDMA。

  1G所采用的FDMA技术,一个用户在通话时占用一个信道。TDMA则可实现在单个信道内服务多个用户的能力,它将无线信道分成8个时隙,供8个用户得轮流使用,从而提升了容量。举个例子,用100Hz表示1,105Hz表示0,但是第1秒给甲用,第2秒给乙用,第3秒给丙用,只要轮换的好,5Hz的带宽就够3个手机用,就是延时严重点而已,这就是TDMA。

  从技术上来看,后来1989年CDMA被证明系统的容量是TDMA的10倍以上,CDMA在各自的信号前面加上序列码,再揉成一串发送,接收端按序列号只接受自己的信号,就好像快递员一次性送了一叠信过来,大家按照信封上的名字打开各自的信,只可惜,CDMA系统标准成熟得晚,错失了先机。

  标准这东西就是人多嗓门大、拳头硬的就赢了,总不能全世界就你一个人跟别人用不一样的。在2G时代,美国的CDMA输给了欧洲的TDMA,这也间接成为了摩托罗拉跌下神坛的起点。

  各国在TDMA上达成共识,接下来就要讨论标准,这时欧洲各国吸取了1G时代各自为政的失败教训,1982年,欧盟联合成立了GSM(GlobalSystem for Mobile communications)负责通信标准的研究,爱立信、诺基亚、西门子和阿尔卡特等电信巨头都加入了进来。

  最初GSM是法语移动专家组的缩写,后来这一缩写含义被改为全球移动通信系统,以此彰显欧洲人将GSM标准推广到全球的雄心。

  可以说,进入2G时代以后,移动通信的技术与应用有了惊人的进步。GSM易于部署,采用了全新的数字信号编码取代原来的模拟信号,除了语音,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,还能发送160字长度的短信。

  高通的铜墙铁壁

  但是高通不死心,不得不说,高通确实是个狠角色,在CDMA上孤注一掷。

  为了证明CDMA比GSM好用,高通花了数年时间进行实地实验、驱动测试以及行业演示,高通不仅要做标准,还要做芯片。

  当所有人的注意力还在TMDA上时,高通围绕着功率控制、同频复用、软切换等技术构建了专利墙,几乎申请了与CDMA应用所有的相关专利,从一开始他们就打算独享利润,掐死下游公司的脖子。

  高通雇佣了一个无比庞大的律师团,律师团们负责申请专利、谈专利价格、控告侵权,通过并购、控告对手专利侵权等法律战,将所有CDMA相关专利收拢过来,使核心专利牢牢掌握在自己手里,这也是高通“专利流氓”绰号的来源。

  欧洲的GSM是开放的,当时是欧洲运营商和爱立信,诺基亚等设备商共享知识产权,不收专利费。但高通是一家公司,他们还把CDMA的演算法嵌入集成芯片,只要使用CDMA技术的手机,就必须按销售价向高通交纳一笔5%-10%的专利费,这个专利费不是一次性的,是按生产了多少部手机来算,可以说是一个霸王条款,当前中国的小米、OPPO、VIVO等品牌到现在还在交这笔费用。

  1994年,高通与摩托罗拉合作在香港建立起全球第一个“小白鼠”CDMA网,但效果和服务质量都太差,更别提欧洲运营商对CDMA的质疑,高通的“保护费”根本没地方收,这也是早期CDMA干不过GSM的重要原因。

  随着技术的成熟,高通迎来转机。1990年,高通和电子通信研究院签署有关CDMA技术转移协定,高通答应把每年在韩国收取专利费的20%交给韩国电子通信研究院、协助其研究,韩国政府也宣布CDMA为韩国唯一的2G移动通信标准,并全力支持韩国三星、LG等投入CDMA技术的商用化。

  1996年底,韩国的CDMA用户达到一百万,第一次向市场证明CDMA正式商用的可能性,让美国一些运营商及设备厂商对CDMA技术开始恢复信心,也让韩国厂商在CDMA市场上初露头角。这之后,美国的朗讯、摩托罗拉,加拿大的北方电讯都成了高通的支持者,CDMA在北美登堂入室,运营商Verizon是CDMA的最大支持者,1996年建成了美国第一个CDMA网络。

  美国政府还极力向中国推销CDMA,要求中国引进高通的CDMA技术。据原国家计委副主任张国宝回忆,“美国政府向中国施加了不小的压力,理由是说中国与美国之间有贸易逆差,要求中国买美国的技术。”

  “三国”斗法

  到了90年代,数据量越来越大,2G玩不转了。

  随着全球手机用户快速增长,GSM网络容量有限的缺点不断被暴露,在网络用户过载时,就不得不构建更多的网络设施。在此背景下,必须要把通信技术进行升级到3G,3G最大的优点是更快的网速,2G的下载速度约仅9600bps-64kbps,而3G初期的速度则为300k-2Mbps,足足提升了30几倍。

  在当时,没有一种技术被证明优于CDMA。爱立信、诺基亚、阿尔卡特等实力雄厚的欧洲厂商深知TDMA难敌CDMA的优势,TDMA更难以作为3G核心技术,但谁也不想接受高通霸道的方案。

  为了绕开高通的铁壁铜墙,1998年,爱立信、诺基亚、阿尔卡特联合欧洲各国厂商成立了一个叫3GPP(3rdGeneration Partnership Project)的组织,商讨措施负责制定全球第三代通信标准。

  3GPP小心翼翼地参考CDMA技术,最终开发出了3G标准——通用移动通信系统(UMTS,UniversalMobile Telecommunications System),采用W-CDMA技术,就是宽带CDMA的意思。虽然还是绕不开高通的底层技术,专利费是交定了,就是多少的问题,

  W-CDMA不断扩展着自己的版图,1999年开始,欧洲国家基于WCDMA标准,发了不少3G牌照,英国单单通过拍卖5张3G执照而获得近225亿英镑收入。

  这可吓坏了高通,高通赶紧与韩国联合组成3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2) 与3GPP抗衡,推出了CDMA2000。

  与此同时,在经历了1G空白、2G追随之后,目光这时候来到了中国,中兴、华为、巨龙、大唐几家通讯设备商逐渐发展起来了。起初中国是支持欧洲W-CDMA的,在吃了闭门羹之后,这时候中国也想在3G上争夺一些话语权,天无绝人之路,中国找到了一个突破口:TDD技术。

  实际上,无线电通信大会给3G分配的频率的时候就有FDD(频分双工)和TDD(时分双工)两种。由于欧洲地广人稀,基站数量不多,欧洲的W-CDMA是基于FDD技术的,在相同频率相同功率的条件下,FDD比TDD能提供更好的覆盖。但是中国人口稠密,基站本来就建得多,所以无人问津的TDD成了中国的突破口。更重要的是,国外厂商关注TDD比较少,中国在TDD领域提自己的标准,成功的希望要大一些。

  1998年6月,以大唐电信为主的研发团队提出了中国自己的TD-SCDMA标准。2000年5月,在国家信息产业部、中国移动和中国联通等运营商的强硬表态支持下,国际电信联盟正式宣布将中国提交的TD-SCDMA,与欧洲主导的WCDMA、美国主导的CDMA2000并列为三大3G标准。

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编辑:大米
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