电子通讯

堪比春秋五霸、战国七雄的5G通信发展史

2020-02-13 19:24

 

  如果说一部手机的公开价格超过两万元,再加上大几千元的选号费,那这部手机的主人即使在今天也能算是的壕了,更何况是在30多年前了……

  当广东人徐峰在1987年11月21日以几万元的价格买到中国第一部移动电线这个手机号码的时候,中国还处在从计划转向市场的经济体制中期。那一年的十三届一中全会上,中央正式明确提出了我国已经处于社会主义初级阶段的理论。

  继1980年设立深圳、珠海经济特区以来,广东省也要为即将回归的、澳门做好对接准备。就是在这样的历史大下,广东省在1987年率先建设了900MHz模拟移动电话通讯网络,以便逐步实现与港澳地区的接轨。而作为当时通讯设备老大,摩托罗拉也开始在设立了办事处,推销移动电话。

  横空出世的移动电线年发明了第一代移动电线年开始将其投入商用。当时每一部移动电线美元,而这个价格已经完全可以购买一辆家用轿车了。

  最初的移动通讯采用的还是模拟通讯技术,简单说就是一部双信道的对讲机。将固定频段划分为多个频点后,通话双方通过交换机设定的频点收发音频信号。这种通讯方案在技术上也可以称之为FDMA频分多址(Frequency Division Multiple Access)。由于模拟通讯技术只是简单的声电转换,因此当时的手机就存在保密性差、抗干扰性差的缺点,比如容易串台……

  针对模拟技术的弊端,包括爱立信、诺基亚、西门子、阿尔卡特在内的欧洲通讯设备商共同制定了基于数字技术的GSM全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications) 。和模拟通讯技术相比,数字通信技术最大的优势在于可以将语音信号为数字编码后进行传输。通过对数字编码的压缩,GSM手机给用户最大的好处就是除了语音通话外,还可以收发短信。

  然而在技术上,数字通信的最大优势就是可以在同一频点上同时传输多组用户的信号,确切的说就是将同一频点在时间维度上划分为多个时帧,一般每帧长度大约4.6毫秒,然后再将每帧为8个时隙,每个时隙大约0.58毫秒,这就意味着在FDMA的频分多址技术上,可以有8组用户共同使用一个频点。因此这种技术也被称之为TDMA时分多址(Time Division Multiple Access)技术。

  CDMA技术最早起源于二战期间军方加密通讯用途,为了避免通讯被和干扰,CDMA将传输信号转码后在整个固定频段内输出,尽管多信号占用同一频段,但只有编码一致的接收机才能接收到信号。随着民用移动电线年将这一技术到民用移动通信领域,并在1995年实现商用。

  当时在美国,10个移动通信运营公司中有7家选用CDMA,而日本韩国更是几乎放弃了GSM而将重心全部转向了CDMA。然而与此同时,刚刚利用数字技术了美国的欧洲人显然不甘心自己主导建立的GSM标准被,于是很快ETSI(欧洲电信标准委员会)在GSM的基础上提出了GPRS通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的概念并从1999年开始在全球范围内推广。

  不过当时的中国移动已经拥有从135到139的六个号段,而中国联通还只有一个130号段,不过在CDMA网络之前,移动和联通除了手机号码和资费略有区别之外,中国手机用户几乎是没有太多选择的,而手机款式也较为单调,几乎就是摩托罗拉、诺基亚和爱立信几个品牌。然而随着CDMA和GPRS的相继,移动电话的性质可是发生变化了,因为人们发现手机也能上网了……

  如果说GSM让人学会了用电话发短信,那么CDMA和GPRS就不只是从短信到彩信的区别了,收发邮件、网页浏览、玩游戏、QQ聊天等等都预示着3G网络的出现。3G是第三代移动通信技术(3rd-Generation)的简称在此之前,似乎没有人提到过1G和2G,而用模拟和数字对两种不同的技术加以区分。

  虽然CDMA和GPRS都相比GSM有了很大的提升,但似乎还算不上是根本性的变化,因此传统意义上两者大多被称之为2.5G。甚至就连后来在GPRS基础上发展起来的EDGE增强型数据速率GSM演进技术(Enhanced Data Rate for GSM Evolution)也只是被人称为2.75G。

  最早爱立信于1997年向ETSI提出了EDGE的概念,2003年美国电信运营商Cingular Wireless在印第安那州的印第安那波利斯市首次了商用EDGE网络。作为GPRS的升级版本,EDGE的理论峰值网速可以达到384kb/s,在实际使用中大概可以达到160kb/s左右,可以说超越CDMA和GPRS网络速度。

  如果进行简单的数据对比,GPRS的理论峰值网速仅为171.2 kb/s,实际网速在50-60kb/s,略微落后于第一代CDMA one的64 kb/s。升级版的CDMA 1X从某种意义上,可以视为EDGE的同级对手,理论最高速度307.2 kb/s,实际153.6 kb/s。而2G早期的GSM最大数据传输速度仅为9.6kb/s,但也大约相当于1G模拟技术的3倍了。

  而与此同时,原邮电部电信科学技术研究院也就是后来的大唐电信科技股份有限公司也在西门子研发的TD-CDMA时分-码分多址技术基础上提出了属于中国自有知识产权的TD-SCDMA时分-同步码分多址(Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access)技术。

  由于TD-SCDMA和W-CDMA一样也是基于GSM网络基础,因此随后TD-SCDMA也被3GPP接纳为UMTS标准之中。由于3GPP中包括了欧洲电信标准协会(ETSI)、日本电信技术委员会(TTC)、中国通信标准化协会(CCSA)、美国电信行业解决方案联盟(ATIS)、日本无线工业及商贸联合会(ARIB)、韩国电信技术协会(TTA)和印度电信标准开发协会(TSDSI)7家重量级的,因此3GPP很快在无线通信领域占据了很强的线年,美国TIA、日本的ARIB、日本的TTC、韩国的TTA四个标准化组织另起炉灶的成立了3GPP2,并在高通公司的CDMA技术基础提出了CDMA 2000标准,而美国主导的CDMA 2000随后也和欧洲主导的W-CDMA,以及中国主导的TD-SCDMA成为了国际电信联盟ITU的IMT-2000标准中三种最为主流的3G标准。

  当时有人曾经对网速进行过非的测试,联通的WCDMA速度最快,大约在220-230 kb/s,相比电信CDMA2000的150-160 kb/s和移动TD-SCDMA的120-130 kb/s还是具有较大的优势。不过由于TD-SCDMA属于中国自主知识产权,所以国家扶持力度较大,而W-CDMA在全球通用型最广,因此CDMA 2000的处境就相对比较。

  同样从全球市场的发展来看,CDMA 2000的应用并没有UMTS那样广泛。鉴于CDMA 2000的市场萎缩,高通公司也不得不放弃了从CDMA向4G的的演进线也逐渐边缘化,与此同时3GPP则变得更加壮大。

  不过严格来说,LTE仅仅只能被看做是准4G(或者说是3.9G)。直到后来3GPP根据4G的标准推出了升级版的LTE Advanced,才真正满足了国际电信联盟对4G的要求,因此理论上来讲LTE-A才能线G。

  在LTE大框架之下,其实还分为了FDD频双工(Frequency Division Duplex)和TDD时分双工(Time Division Duplex)两个阵营。两者的主要区别在于数据传输时,区分上下行数据的方式。FDD频分双工就是为来往的数据开辟两条车道,各走各的谁也不会妨碍谁。而TDD时分双工就是只有一条车道,来往数据靠时间分隔。

  其实说起来,这样也是从3G时代遗留下来的历史问题。前面提到的3G三大派系中,WCDMA和CDMA2000都属于FDD频分双工,好处在于传输速率快,但相对资源占用大。而TD-SCDMA从名字上就能看出属于TDD时分双工,TDD虽然在传输速率提升的空间上比较有限,但考虑到中国市场频谱资源相对紧张的现实情况,也并非没有可取之处。

  基于中国的市场,2005年6月以大唐移动为主导的中国厂家向3GPP提出了TD-SCDMA的演进方案LTE-TDD(商用名称为TD-LTE)。而该方案也在2007年正式被加入3GPP标准中,和由W-CDMA衍生的FDD-LTE共同成为成为LTE框架下的两个主流分支。

  然而截止2013年4月,全球布821款支持LTE的用户终端设备,其中166款为TD-LTE终端,655款FDD-LTE终端。由此可见,4G产业链上的芯片商和终端制造商仍然将重心放在了FDD-LTE标准。在当时除了中国移动外,只有日本软银、沙特Mobily、波兰Aero2、印度的Bharti Airtel、的NBN和Optus以及南非的Telkom Mobile等电信公司采用TD-LTE。

  为了TD-LTE的顺利推广,中国工业和信息化部在2013年12月4日正式向三大运营商发布4G牌照,中国移动、中国电信和中国联通均获得TD-LTE牌照。这也就意味着,无论是设备运营商还是用户终端供应商,如果打算进入中国市场就必须共同发展TD-LTE标准。

  尽管FDD-LTE和TD-LTE从编解码、帧格式、空口、信令,到网络架构,都不一样,但同属LTE标准下的两个分支之间的差异相对也并不是很大,其频谱传送率的相似度达90%以上。因此融合两种方案的最好解决办法就是通过混合组网来发挥各自的优势。为了能够让中国联通和中国电信更好地将WCDMA和CDMA2000演进到4G,2015年2月27日,工业和信息化部又向中国联通和中国电信发放了可以FDD-LTE网络的经营许可。

  经过了从模拟到4G的30年演变后,2013年也就是摩托罗拉发明第一款移动电线年后,三星宣布已率先开发出了首个基于5G核心技术的移动传输网络,并表示将在2020年之前进行5G网络的商业推广。2016年8月4日,诺基亚与电信传媒公司贝尔在完成了5G信号的测试,在测试中数据传输速度达到了现有4G网络的6倍。

  不过在步入5G时代的同时,最让人感到欣慰的是,中国通信行业也正在全球标准的制定中起到了越来越重要的。如果说1G、2G时代中国的通信技术还是一片空白的线G时代的TD-SCDMA和4G时代的TD-LTE就中国不断参与全球标准制定的过程,而随着5G时代的来临,华为、中兴已经完全可以在全球领域占据一定话语权了。