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移動通信的漸進式創新發展歷程
作者:張江評論  2019-12-09 10:46:51
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  移動通信技術成長道路呈現出不斷改進、不斷完善、不斷突破的漸進式創新特點,移動通信產業成為我國經濟社會發展的重要支柱。
  人類離不開各式各樣的信息交流,溝通是人類亙古不變的夢想。移動通信的誕生和發展,讓人與人信息交流的方式從單一的面對面一步步發展成為任何地點、任何時間和任何方式。隨著無線電技術的不斷發展和社會需求的日益增長,移動通信技術也得到了迅速的普及和產業化應用,是人們生活不可缺少的一部分,成為全面支撐國家經濟社會發展的重要力量。
  移動通信概念的誕生
  通信就是由一個地方向另一個地方傳遞信息。人類最早的信息交換的時間很難回答,但有了人類就有了信息交換是可以肯定的。古代就有擊鼓傳聲、烽火狼煙、鴻雁傳書、驛站送信等通信形式,近代以來則有電報傳遞文字符號、電話傳遞聲音、傳真傳送靜止圖像、電視傳遞活動圖像加伴音、數據通信傳遞電子計算機處理的信息等。
  ●通信基本原理及特點
  任何通信行為都可以看成是一個通信系統,主要包括信源、調制、信道、解調、信宿等5個部分。信源將信息轉換成電信號,調制器對信息信號進行某種變換,使其適合在信道中傳輸至接收端,并通過解調器將接收到的信號進行與調制器相反的變換,還原為原始的信息,送給信息接收者即信宿。這就是通信系統的基本原理。無論是古代的烽火驛站通信、近代的電報電話通信,還是現代的移動數字通信,原理并無不同。古代驛站通信通過零星、散落的驛站來實現;近代電話通信通過電話線來實現;現代移動通信則是通過編制無形的網實現,每個手機只不過是龐大空中之網上的一個節點。維系著古代通信支點的是大量的人力、物力,支撐現代通信的是機器間快速高效的數據傳輸,外在的網變為內在的網,有形的網變為無形的網,支撐通信的中繼站逐漸減少、退化,直至與接收者成為一體,成為通信網絡中的一個點。
  有意思的是,古代通信與現代移動通信有兩個共同的特點。一是它們都是無線的。古代利用擊鼓傳聲、烽火狼煙、手旗旗語等聲音、火、光等信息載體實現消息的遠距離傳遞,通過中繼站層層傳遞,最終到達接收者,F代的移動通信則通過電磁波信息載體在空間傳播,而不是像近代的電話、電報那樣通過電流信息載體在金屬電線內傳遞。手機等現代移動通信工具使人們徹底擺脫的限制。 二是它們都是實時的。最早的信息交換是面對面的交流,是最為實時的信息交換。同樣,當前的移動電話則極方便地實現了實時通信。隨著CPU的運行速度、交換設備的信息轉換速度、信源編解碼速度、信道傳輸速度以及信道容量的提高,通信系統的實時性得到了極大提高。
  ●無線通信理論的突破
  信號性質和傳播是無線通信的基礎。1865年,英國物理學家麥克斯韋(James Clerk Maxwell)預言了電磁波的存在。1888年,德國物理學家赫茲(Heinrich Rudolf Hertz)證明了電磁波的存在。麥克斯韋關于電磁波的預言和赫茲的證實,為通信方式從有線到無線作了理論上和實驗上的準備,奠定了通信技術產生的科學基礎。麥克斯韋本人并沒有提出無線電這個詞,但他的理論確實指出電是可以無線傳播的。赫茲也沒有預見到無線電通信的可能性。1889年,他的一個朋友問能否利用電波進行通信時,他說:若要用電磁波進行不同導線的通信,得有一個面積和歐洲大陸面積差不多大的巨型反射鏡才行。但是,赫茲的試驗極大地鼓舞了各國的科學家,揭開了無線電通信技術的序幕。1893年,塞爾維亞裔美籍科學家特斯拉(Nikola Tesla)在美國密蘇里州圣路易斯市首次公開展示了無線電通信,證明了無線電通信的可行性。1896年,意大利人馬可尼(Guglielmo Marconi)在一艘緩慢行駛在大西洋上名為圣保羅號的郵輪上首次成功實現了遠距離無線電通信。1901年,他完成無線電跨越大西洋的通信。1909年,馬可尼獲得了諾貝爾物理學獎,被世人稱作無線電之父。
  信號接收是無線通信的另一個關鍵環節。1901年,加拿大發明家費森登(Reginald Fessenden)提出了外差接收法的設想。1912年,美國電氣工程師阿姆斯特朗(Armstrong Edwin Howard)在此基礎上提出超外差接收原理,即本振頻率始終比接收機的接收載波頻率信號高出一個中頻頻率,而這一信號超出音頻信號。后來,阿姆斯特朗對外差接收法作了重大改進,發明了超外差電路,使得接收器可以用于接收任何無線電波。通信技術的發展以及無線電接收原理從外差法發展到超外差法的突破,為以后的電視廣播、微波通信、衛星通信的興起創造了條件。
  ● 移動通信的誕生
  移動通信是指通信雙方有一方、雙方或者多方處于運動狀態的通信,包括陸地移動通信、航空通信、航海通信和衛星通信等多種形式。1896年,馬克尼在漂移的大西洋輪船上遠距離無線電通信實驗的成功,被認為是移動通信的開始。事實上,現代意義的移動通信始于20世紀20年代。1928年,美國普渡大學學生發明了工作于2 MHz超外差式車載無線電接收機,并很快在底特律的警察局投入使用,這是世界上陸地最早使用且可以有效工作的移動通信系統。
  20世紀30年代末,比調幅制式更加有效的調頻制式的移動通信系統誕生。20世紀40年代,這種調頻制式的移動通信系統逐漸占據主流地位,實現了小容量專用移動通信系統,但這還僅僅是實驗意義上的工作。在第二次世界大戰期間,軍事上的需求才使得移動通信得到了快速發展,公眾移動通信系統應運而生。1946年,美國圣路易斯市首先研制出人工轉接的小容量汽車電話系統。1947年,美國貝爾實驗室提出蜂窩式的概念。20世紀50年代,美國和歐洲部分國家相繼成功研制了公用移動電話系統,在技術上實現了移動電話系統與公眾電話網絡的互通,并得到了廣泛的使用。
  20世紀60年代,移動通信技術逐步改進。1964年,美國研制出新的中容量汽車電話系統,每次呼叫都可以自動選擇頻道。1969年,美國移動電話自動化的性能已擴展到450MHz頻段,改進型移動電話系統IMTS)成為美國移動電話系統的標準。同年,日本也開始研制800MHz蜂窩狀大容量汽車電話系統HCMTS)。為了更加有效地利用有限的頻譜資源,美國貝爾實驗室提出了具有里程碑意義的小區制、蜂窩組網理論,為移動通信系統在全球的廣泛應用開辟了道路。1978年,美國貝爾實驗室開發了高級移動電話業務(Advanced Mobile Phone System,AMPS)系統,成為第一種真正意義上的具有隨時隨地通信能力的大容量的蜂窩移動通信系統,正式拉開了現代移動通信角逐的帷幕。
  1983年底,美國在芝加哥建立了大容量的AMPS,使移動通信進入一個新的發展階段。20世紀80年代中期以來,陸地蜂窩移動通信發展進入高峰階段,歐洲和日本也紛紛建立了自己的蜂窩移動通信。1985年,全世界使用蜂窩狀移動電話總共有55.3萬個用戶。到了19905月,用戶總數已超過822萬個,其中美國占47%。198510月,美國的移動電話用戶數是23.5萬個,到19905月已達到390萬個,增加了16.6倍,平均每月以6萬多個用戶的高速度遞增。歐洲各國蜂窩移動通信的發展也很快,用戶數占世界總數的33.1%。日本蜂窩系統已覆蓋90%的城市和70%的主要公路,平均年增長率是150%。
  移動通信技術的發展
  通信技術從原始的烽火通信等發展到現代的數字移動通信,走過了極其漫長的道路。移動通信技術成長道路呈現出不斷改進、不斷完善、不斷突破的漸進式創新特點。
  ●技術的迭代升級
  AMPS的出現標志著移動通信技術進入1G時代。第一代移動通信系統脫胎于軍事專用通信網絡的民用移動通信技術系統,典型頻段為800/900 MHz,主要用途是打電話。因此,其本質上是一種語音傳輸技術,1G也常常被稱為語音時代。198711月,廣州開通了我國第一個蜂窩移動通信系統。隨后,深圳、珠海、上海、北京、沈陽、秦皇島和天津等城市也相繼建立蜂窩移動通信系統,珠江三角洲地區率先聯網運行。1G主要采用的是模擬技術和頻分多址(FDMA)技術,缺點是語音品質低、信號不穩定、涵蓋范圍不夠全面,安全性也存在較大的問題。
  第二代移動通信技術(2G)發端于20世紀90年代初期。2G克服了模擬移動通信系統的弱點,提高話音質量、保密性,實現了省內、省際自動漫游,從模擬技術轉變為數字技術,除語音通話外還可以傳輸數據。2G技術基本可被劃分為兩種:一是基于時分多址(TDMA)所發展出來的,以全球移動通信系統(GSM)為代表;二是碼分多址(CDMA)技術,復用形式的一種。全球以GSM制式為主,到1998年底我國GSM的用戶占國內市場97%。由于CDMA制式具有抗多徑延遲擴展、抗窄帶干擾、抗多徑干擾、抗人為干擾的能力,同時具有提高蜂窩系統的通信容量和便于模擬與數字制式的共存與過渡等優點,美國高通公司的CDMA技術在商業領域中占據絕對領先地位。盡管2G有諸多優點,后來又增加了收發電子郵件、瀏覽互聯網等新功能,但是2G仍存在傳輸速度較慢、頻率資源已近枯竭、語音質量不高等缺點。
  第三代移動通信技術(3G)始于21世紀初。3G是一種支持高速數據傳輸的蜂窩移動通信技術。3G的基礎是一種分組交換的網絡,能夠把無線通信與國際互聯網等多媒體通信結合在一起,主要特點是速度更快、容量更大,能實現聲音、圖像等數據信息的同時傳送。第三代移動通信系統的通信標準共有WCDMA、CDMA2000TD-SCDMA三大分支,但第三代移動通信系統還存在系統不兼容、頻譜利用率低、速率仍然不高等諸多問題。
第四代移動通信系統其技術測試始于2007年。早在2010年,德國就在歐洲開始捆綁式拍賣4G牌照,其后4G開始在西歐、北美、日本和韓國等國家(地區)陸續投入商用。很快,全球移動通信系統進入4G時代。第四代移動通信技術是基于IP協議的高速移動通信網絡,是移動通信技術發展史上的一次重大變革。它比3G的傳輸容量大、速率更快,并且具備了長期演進語音承載(VoLTE)通信技術,實現了系統向寬帶無線化和無線寬帶化的演進。國際電信聯盟在2012年無線電通信全會全體會議上,正式審議通過了IMT-Advanced國際標準,全球開始掀起建設4G網絡的熱潮,標志著移動通信技術進入4G時代。2012年和2013年新投入商用的4G網絡已分別達到100個和114個,覆蓋了全球發達國家和各主要大洲的發展中國家。2013124日,我國工業和信息化部正式向中國移動、中國電信和中國聯通三大運營商頒發了“TD-LTE”經營許可,我國正式拉開4G移動通信時代的大幕。4G通信在圖片、視頻傳輸上能夠實現原圖、原視頻高清傳輸,其傳輸質量與電腦畫質不相上下。應用程序、文件、圖片、音視頻下載的速度最高可達到每秒幾十兆,這是3G通信技術無法實現的?傊,4G系統具有更高的數據傳輸率、安全性、智能性、靈活性以及更高的業務質量和服務質量。
  近年來,隨著各種智能終端的普及和各類高寬帶應用的涌現,4G移動通信技術逐漸難以滿足系統對更高頻譜效率、更大容量、更多連接以及更低時延的總體需求。因此,許多組織已經開始了對5G移動通信的研究工作,F階段,社會各界對第五代移動通信技術并沒有提出一個具體的概念與技術標準,仍處在技術的探索與開發階段。我國IMT-20205G)推進組已經定義了5G的主要部署場景:連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠。5G網絡不再僅僅指傳統意義上的移動網絡,而是與互聯網及物聯網深度融合,將人與人之間的連接拓展至萬物互聯,可以為用戶提供個性化和智能化的服務,是一個真正意義上的融合網絡
  ●標準的激烈競爭
  誰掌握了標準,誰就掌握了本行業的制高點。一個國家在行業標準中有了話語權就意味著這個國家在這個行業中擁有了產業鏈先發優勢。移動通信與人類生活關系密切,移動通信標準也因此引發了不同國家、不同企業之間的激烈競爭;旧厦扛10年就會出現新一代通信標準。所謂移動通信標準,簡單地講就是一系列技術度量的選擇,如常見的關于信令的設置、信道的分配、時分復用或碼分復用等。
第一代移動通信主流技術標準就是20世紀80年代美國制定的AMPS,商用的國家和地區超過了72個。同時,英國的TACS制式也有超過30個國家和地區使用。因此,第一代移動通信不同標準之間相互獨立難以兼容互通,所以第一代移動通信標準只是一個區域性標準,參與爭奪1G標準主導權的國家主要有美國、日本、英國、法國和加拿大。第二代移動通信技術國際主流標準有3種:歐盟的GSM、美國的CDMA和日本的PHS。3種標準都是在各自區域內的第一代通信技術的演進,有著各自的技術特點。參與爭奪2G標準主導權的主要有美國、歐洲和日本。第三代移動通信標準出現了三足鼎立之競爭態勢,主要有中國主推的TD-SCDMA、歐盟主推的WCDMA和美國主推的CDMA2000。中國的TD-SCDMA是一項全新的標準,它是中國第一次擁有自主知識產權的通信技術標準,在用戶數量、終端數量、運營地區上與WCDM、CDMA2000有一定的差距。第四代移動通信標準主要有TD-LTEFDD-LTE兩種,爭奪4G標準主導權的主要有中國和歐洲。
  ●中國有了自己的話語權
  在移動通信標準領域,中國實現了話語權的從無到有。在1G2G時代,中國的移動通信行業還很落后。20世紀80年代美國的AMPS已經商用,而1987年中國才剛剛建立了第一個蜂窩移動通信系統,使用的是英國的TACS。當第二代移動通信標準GMS在世界范圍內廣泛應用的時候,1992年中國的第二代移動通信在浙江嘉興地區才開始組建GMS試驗網。1994年,中國聯通的成立標志中國2G網絡建設的正式開始。1995年,中國聯通引進了美國的CDMA技術,2002CDMA技術正式商用,成為全球唯一的同時擁有GMSCDMA網的運營商。200112月,中國移動在全國啟動了數字網絡,同時關閉模擬移動電話網,標志著中國正式進入2G時代。在1G2G時代,中國自己的核心技術幾乎為零,基本上完全是國外的技術和標準,中國通信行業不僅需要支付巨額的標準專利使用費,同時在移動終端市場上國內的廠商幾乎沒有競爭優勢,核心的手機芯片需要從國外的公司進口,并支付巨額的專利使用費。
  2009年,中國政府向中國移動、中國聯通和中國電信分別頒發TD-SCDMA、WCDMACDMA2000牌照。中國聯通和中國電信獲得的是相對優質的國際主流3G技術標準,而中國移動獲得的是相對落后的國產3G技術標準。TD-SCDMA作為中國第一個自己的移動通信標準,希望在政策的扶持下通過中國移動強大的市場份額促進TD-SCDMA的快速產業化和商業化,實現整個TD產業鏈的發展;厥字袊3G時期,中國整個移動通信在市場的競爭環境下取得了巨大的發展。中國移動通信用戶從2008年底的4.8億個上升至2014年的12.9億個,大大加速了中國移動通信技術的4G化進程。
  201312月,中國政府向中國三大運營商頒發了TD-LTE4G牌照。4G時代,在標準的國際化方面中國終于取得了質的飛躍,從TD-SCDMA演進而來的TD-LTE作為中國自主知識產權的標準已經成為國際電信聯盟確定的主流4G標準之一。在中國移動的大力推廣下,TD-LTE的全球化取得重大進展。20112月,在世界移動通信大會上,中國移動聯合日本軟銀、印度巴帝電信等6家國際電信運營商成立了TD-LTE國際發展平臺GTI。截至20177月,GTI已經擁有127個運營商、130多家產業鏈合作伙伴,而且在美國、歐洲、日本等國家和地區建立的國際TD-LTE網絡超過100張。雖然TD-LTE相比于FDD-LTE的市場份額和國際普及度還有一定的差距,但可以說中國的標準是4G標準中重要的組成者。
  手機的問世與發展
  手機是繼報紙、雜志、廣播、固定電話、電視、網絡之后的第七種大眾媒介,正在改變人們的生活、消費和娛樂方式。
  20世紀40年代,美國最大的通信公司貝爾實驗室造出世界上第一個戰地移動通話工具,由于體積大、攜帶不便,被遺忘在實驗室,沒有資料證明它曾通過電話。1957年,蘇聯杰出的工程師庫普里揚諾維奇(Leonid Kupriyanovich)發明了ЛК-1型移動電話,質量達3千克。直到197343日,美國摩托羅拉公司總設計師庫帕(Martin Cooper)終于發明了作為移動通信工具的世界上第一部手機Dyna TAC,手機開始走進人們的生活,實現了人類第一次個人自由通信的夢想。198363日,摩托羅拉公司推出名為Dyna TAC 8000X的世界上第一臺便攜式商用手機。這款笨重厚實的手機質量達794克,長為33厘米,被美國人稱為鞋機,中國人稱其為大哥大。它的售價是3 995美元,最長通話1小時,可儲存30個電話號碼。20世紀90年代,第一臺折疊手機摩托羅拉StarTAC問世,俗稱掌中寶。1999年,諾基亞公司推出世界上第一款內置天線手機諾基亞3210,推動了內置天線設計的普及。同年,摩托羅拉公司還推出第一款智能手機摩托羅拉A6188,是現在發展迅速的智能手機的真正鼻祖,能無線上網,有觸摸屏。同時,它還是第一部中文手寫識別輸入的手機。2000年,第一款MP3手機三星SGH-M18出現。2007年,諾基亞公司又推出第一款GPS手機諾基亞N95,能提供音樂、視頻,有500萬像素自動對焦攝像頭。2007年,蘋果公司推出iPhone,把智能手機開發到了極致,為用戶提供了更為方便的服務。2010年后,智能手機已經成為主流。
  1993年,南京熊貓公司推出中國第一款國產手機,這是中國自主品牌的第一款手機。20世紀90年代末,波導、夏新、TCL等國產手機蜂擁而現。到了2003年,國產品牌手機的國內市場份額首次超過50%。后來,遭遇核心技術缺失、產品同質化嚴重、缺乏創新等問題的國產手機,在諾基亞、三星、摩托羅拉、索尼愛立信、LG等國際巨頭的不斷反擊與圍剿下,市場占有率從2003年的半壁江山跌至2005年的30%左右。20092月,華為公司在西班牙舉行的世界移動通信大會上首次展示了其首款安卓智能手機。OPPO、步步高、金立、聯想、康佳、華為、中興等品牌成為當時國產手機品牌的一線陣營。
  技術作為一把雙刃劍存在于人們的生活世界,一方面推動人類社會不斷進步,另一方面也是給人類帶來傷害的異己力量。人類在享受手機帶來美好場景的同時,卻渾然不知自己已經成為手機的奴隸。特別是智能手機出現以來,人類生活對手機的依賴亦是達到了史無前例的程度。但是,無論未來通信技術如何發展,為人類提供更好服務、使用更加便利仍是通信技術發展的大趨勢。
 
 
 
 
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