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移动通信的渐进式创新发展历程

时间:2019-12-09 来源:张江评论
移动通信技术成长道路呈现出不断改进、不断完善、不断突破的渐进式创新特点,移动通信产业成为我国经济社会发展的重要支柱。
人类离不开各式各样的信息交流,沟通是人类亘古不变的梦想。移动通信的诞生和发展,让人与人信息交流的方式从单一的面对面一步步发展成为任何地点、任何时间和任何方式。随着无线电技术的不断发展和社会需求的日益增长,移动通信技术也得到了迅速的普及和产业化应用,是人们生活不可缺少的一部分,成为全面支撑国家经济社会发展的重要力量。
移动通信概念的诞生
通信就是由一个地方向另一个地方传递信息。人类最早的信息交换的时间很难回答,但有了人类就有了信息交换是可以肯定的。古代就有击鼓传声、烽火狼烟、鸿雁传书、驿站送信等通信形式,近代以来则有电报传递文字符号、电话传递声音、传真传送静止图像、电视传递活动图像加伴音、数据通信传递电子计算机处理的信息等。
 ●通信基本原理及特点
任何通信行为都可以看成是一个通信系统,主要包括信源、调制、信道、解调、信宿等5个部分。信源将信息转换成电信号,调制器对信息信号进行某种变换,使其适合在信道中传输至接收端,并通过解调器将接收到的信号进行与调制器相反的变换,还原为原始的信息,送给信息接收者即信宿。这就是通信系统的基本原理。无论是古代的烽火驿站通信、近代的电报电话通信,还是现代的移动数字通信,原理并无不同。古代驿站通信通过零星、散落的驿站来实现;近代电话通信通过电话线来实现;现代移动通信则是通过编制无形的网实现,每个手机只不过是庞大空中之网上的一个节点。维系着古代通信支点的是大量的人力、物力,支撑现代通信的是机器间快速高效的数据传输,外在的网变为内在的网,有形的网变为无形的网,支撑通信的“中继站”逐渐减少、退化,直至与接收者成为一体,成为通信网络中的一个点。
有意思的是,古代通信与现代移动通信有两个共同的特点。一是它们都是无线的。古代利用击鼓传声、烽火狼烟、手旗旗语等声音、火、光等信息载体实现消息的远距离传递,通过中继站层层传递,最终到达接收者。现代的移动通信则通过电磁波信息载体在空间传播,而不是像近代的电话、电报那样通过电流信息载体在金属电线内传递。手机等现代移动通信工具使人们彻底摆脱“线”的限制。 二是它们都是“实时”的。最早的信息交换是面对面的交流,是最为实时的信息交换。同样,当前的移动电话则极方便地实现了实时通信。随着CPU的运行速度、交换设备的信息转换速度、信源编解码速度、信道传输速度以及信道容量的提高,通信系统的“实时性”得到了极大提高。
●无线通信理论的突破
信号性质和传播是无线通信的基础。1865年,英国物理学家麦克斯韦(James Clerk Maxwell)预言了电磁波的存在。1888年,德国物理学家赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)证明了电磁波的存在。麦克斯韦关于电磁波的预言和赫兹的证实,为通信方式从有线到无线作了理论上和实验上的准备,奠定了通信技术产生的科学基础。麦克斯韦本人并没有提出无线电这个词,但他的理论确实指出电是可以无线传播的。赫兹也没有预见到无线电通信的可能性。1889年,他的一个朋友问能否利用电波进行通信时,他说:“若要用电磁波进行不同导线的通信,得有一个面积和欧洲大陆面积差不多大的巨型反射镜才行。”但是,赫兹的试验极大地鼓舞了各国的科学家,揭开了无线电通信技术的序幕。1893年,塞尔维亚裔美籍科学家特斯拉(Nikola Tesla)在美国密苏里州圣路易斯市首次公开展示了无线电通信,证明了无线电通信的可行性。1896年,意大利人马可尼(Guglielmo Marconi)在一艘缓慢行驶在大西洋上名为“圣保罗”号的邮轮上首次成功实现了远距离无线电通信。1901年,他完成无线电跨越大西洋的通信。1909年,马可尼获得了诺贝尔物理学奖,被世人称作“无线电之父”。
信号接收是无线通信的另一个关键环节。1901年,加拿大发明家费森登(Reginald Fessenden)提出了外差接收法的设想。1912年,美国电气工程师阿姆斯特朗(Armstrong Edwin Howard)在此基础上提出“超外差接收原理”,即本振频率始终比接收机的接收载波频率信号高出一个中频频率,而这一信号超出音频信号。后来,阿姆斯特朗对外差接收法作了重大改进,发明了超外差电路,使得接收器可以用于接收任何无线电波。通信技术的发展以及无线电接收原理从“外差法”发展到“超外差法”的突破,为以后的电视广播、微波通信、卫星通信的兴起创造了条件。
 ● 移动通信的诞生
移动通信是指通信双方有一方、双方或者多方处于运动状态的通信,包括陆地移动通信、航空通信、航海通信和卫星通信等多种形式。1896年,马克尼在漂移的大西洋轮船上远距离无线电通信实验的成功,被认为是“移动通信”的开始。事实上,现代意义的移动通信始于20世纪20年代。1928年,美国普渡大学学生发明了工作于2 MHz的“超外差式”车载无线电接收机,并很快在底特律的警察局投入使用,这是世界上陆地最早使用且可以有效工作的移动通信系统。
20世纪30年代末,比调幅制式更加有效的调频制式的移动通信系统诞生。20世纪40年代,这种调频制式的移动通信系统逐渐占据主流地位,实现了小容量专用移动通信系统,但这还仅仅是实验意义上的工作。在第二次世界大战期间,军事上的需求才使得移动通信得到了快速发展,公众移动通信系统应运而生。1946年,美国圣路易斯市首先研制出人工转接的小容量汽车电话系统。1947年,美国贝尔实验室提出“蜂窝式”的概念。20世纪50年代,美国和欧洲部分国家相继成功研制了公用移动电话系统,在技术上实现了移动电话系统与公众电话网络的互通,并得到了广泛的使用。
20世纪60年代,移动通信技术逐步改进。1964年,美国研制出新的中容量汽车电话系统,每次呼叫都可以自动选择频道。1969年,美国移动电话自动化的性能已扩展到450MHz频段,“改进型移动电话系统”(IMTS)成为美国移动电话系统的标准。同年,日本也开始研制800MHz蜂窝状“大容量汽车电话系统”(HCMTS)。为了更加有效地利用有限的频谱资源,美国贝尔实验室提出了具有里程碑意义的小区制、蜂窝组网理论,为移动通信系统在全球的广泛应用开辟了道路。1978年,美国贝尔实验室开发了高级移动电话业务(Advanced Mobile Phone System,AMPS)系统,成为第一种真正意义上的具有随时随地通信能力的大容量的蜂窝移动通信系统,正式拉开了现代移动通信角逐的帷幕。
1983年底,美国在芝加哥建立了大容量的AMPS,使移动通信进入一个新的发展阶段。20世纪80年代中期以来,陆地蜂窝移动通信发展进入高峰阶段,欧洲和日本也纷纷建立了自己的蜂窝移动通信。1985年,全世界使用蜂窝状移动电话总共有55.3万个用户。到了1990年5月,用户总数已超过822万个,其中美国占47%。1985年10月,美国的移动电话用户数是23.5万个,到1990年5月已达到390万个,增加了16.6倍,平均每月以6万多个用户的高速度递增。欧洲各国蜂窝移动通信的发展也很快,用户数占世界总数的33.1%。日本蜂窝系统已覆盖90%的城市和70%的主要公路,平均年增长率是150%。
移动通信技术的发展
通信技术从原始的烽火通信等发展到现代的数字移动通信,走过了极其漫长的道路。移动通信技术成长道路呈现出不断改进、不断完善、不断突破的渐进式创新特点。
●技术的迭代升级
AMPS的出现标志着移动通信技术进入1G时代。第一代移动通信系统脱胎于军事专用通信网络的民用移动通信技术系统,典型频段为800/900 MHz,主要用途是打电话。因此,其本质上是一种语音传输技术,1G也常常被称为语音时代。1987年11月,广州开通了我国第一个蜂窝移动通信系统。随后,深圳、珠海、上海、北京、沈阳、秦皇岛和天津等城市也相继建立蜂窝移动通信系统,珠江三角洲地区率先联网运行。1G主要采用的是模拟技术和频分多址(FDMA)技术,缺点是语音品质低、信号不稳定、涵盖范围不够全面,安全性也存在较大的问题。
第二代移动通信技术(2G)发端于20世纪90年代初期。2G克服了模拟移动通信系统的弱点,提高话音质量、保密性,实现了省内、省际自动漫游,从模拟技术转变为数字技术,除语音通话外还可以传输数据。2G技术基本可被划分为两种:一是基于时分多址(TDMA)所发展出来的,以全球移动通信系统(GSM)为代表;二是码分多址(CDMA)技术,复用形式的一种。全球以GSM制式为主,到1998年底我国GSM的用户占国内市场97%。由于CDMA制式具有抗多径延迟扩展、抗窄带干扰、抗多径干扰、抗人为干扰的能力,同时具有提高蜂窝系统的通信容量和便于模拟与数字制式的共存与过渡等优点,美国高通公司的CDMA技术在商业领域中占据绝对领先地位。尽管2G有诸多优点,后来又增加了收发电子邮件、浏览互联网等新功能,但是2G仍存在传输速度较慢、频率资源已近枯竭、语音质量不高等缺点。
第三代移动通信技术(3G)始于21世纪初。3G是一种支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术。3G的基础是一种分组交换的网络,能够把无线通信与国际互联网等多媒体通信结合在一起,主要特点是速度更快、容量更大,能实现声音、图像等数据信息的同时传送。第三代移动通信系统的通信标准共有WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大分支,但第三代移动通信系统还存在系统不兼容、频谱利用率低、速率仍然不高等诸多问题。
第四代移动通信系统其技术测试始于2007年。早在2010年,德国就在欧洲开始捆绑式拍卖4G牌照,其后4G开始在西欧、北美、日本和韩国等国家(地区)陆续投入商用。很快,全球移动通信系统进入4G时代。第四代移动通信技术是基于IP协议的高速移动通信网络,是移动通信技术发展史上的一次重大变革。它比3G的传输容量大、速率更快,并且具备了长期演进语音承载(VoLTE)通信技术,实现了系统向宽带无线化和无线宽带化的演进。国际电信联盟在2012年无线电通信全会全体会议上,正式审议通过了IMT-Advanced国际标准,全球开始掀起建设4G网络的热潮,标志着移动通信技术进入4G时代。2012年和2013年新投入商用的4G网络已分别达到100个和114个,覆盖了全球发达国家和各主要大洲的发展中国家。2013年12月4日,我国工业和信息化部正式向中国移动、中国电信和中国联通三大运营商颁发了“TD-LTE”经营许可,我国正式拉开4G移动通信时代的大幕。4G通信在图片、视频传输上能够实现原图、原视频高清传输,其传输质量与电脑画质不相上下。应用程序、文件、图片、音视频下载的速度最高可达到每秒几十兆,这是3G通信技术无法实现的。总之,4G系统具有更高的数据传输率、安全性、智能性、灵活性以及更高的业务质量和服务质量。
近年来,随着各种智能终端的普及和各类高宽带应用的涌现,4G移动通信技术逐渐难以满足系统对更高频谱效率、更大容量、更多连接以及更低时延的总体需求。因此,许多组织已经开始了对5G移动通信的研究工作。现阶段,社会各界对第五代移动通信技术并没有提出一个具体的概念与技术标准,仍处在技术的探索与开发阶段。我国IMT-2020(5G)推进组已经定义了5G的主要部署场景:连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠。5G网络不再仅仅指传统意义上的移动网络,而是与互联网及物联网深度融合,将人与人之间的连接拓展至万物互联,可以为用户提供个性化和智能化的服务,是一个真正意义上的融合网络
●标准的激烈竞争
谁掌握了标准,谁就掌握了本行业的制高点。一个国家在行业标准中有了话语权就意味着这个国家在这个行业中拥有了产业链先发优势。移动通信与人类生活关系密切,移动通信标准也因此引发了不同国家、不同企业之间的激烈竞争。基本上每隔10年就会出现新一代通信标准。所谓移动通信标准,简单地讲就是一系列技术度量的选择,如常见的关于信令的设置、信道的分配、时分复用或码分复用等。
第一代移动通信主流技术标准就是20世纪80年代美国制定的AMPS,商用的国家和地区超过了72个。同时,英国的TACS制式也有超过30个国家和地区使用。因此,第一代移动通信不同标准之间相互独立难以兼容互通,所以第一代移动通信标准只是一个区域性标准,参与争夺1G标准主导权的国家主要有美国、日本、英国、法国和加拿大。第二代移动通信技术国际主流标准有3种:欧盟的GSM、美国的CDMA和日本的PHS。3种标准都是在各自区域内的第一代通信技术的演进,有着各自的技术特点。参与争夺2G标准主导权的主要有美国、欧洲和日本。第三代移动通信标准出现了“三足鼎立”之竞争态势,主要有中国主推的TD-SCDMA、欧盟主推的WCDMA和美国主推的CDMA2000。中国的TD-SCDMA是一项全新的标准,它是中国第一次拥有自主知识产权的通信技术标准,在用户数量、终端数量、运营地区上与WCDM、CDMA2000有一定的差距。第四代移动通信标准主要有TD-LTE和FDD-LTE两种,争夺4G标准主导权的主要有中国和欧洲。
●中国有了自己的话语权
在移动通信标准领域,中国实现了话语权的从无到有。在1G和2G时代,中国的移动通信行业还很落后。20世纪80年代美国的AMPS已经商用,而1987年中国才刚刚建立了第一个蜂窝移动通信系统,使用的是英国的TACS。当第二代移动通信标准GMS在世界范围内广泛应用的时候,1992年中国的第二代移动通信在浙江嘉兴地区才开始组建GMS试验网。1994年,中国联通的成立标志中国2G网络建设的正式开始。1995年,中国联通引进了美国的CDMA技术,2002年CDMA技术正式商用,成为全球唯一的同时拥有GMS和CDMA网的运营商。2001年12月,中国移动在全国启动了数字网络,同时关闭模拟移动电话网,标志着中国正式进入2G时代。在1G和2G时代,中国自己的核心技术几乎为零,基本上完全是国外的技术和标准,中国通信行业不仅需要支付巨额的标准专利使用费,同时在移动终端市场上国内的厂商几乎没有竞争优势,核心的手机芯片需要从国外的公司进口,并支付巨额的专利使用费。
2009年,中国政府向中国移动、中国联通和中国电信分别颁发TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000牌照。中国联通和中国电信获得的是相对优质的国际主流3G技术标准,而中国移动获得的是相对落后的国产3G技术标准。TD-SCDMA作为中国第一个自己的移动通信标准,希望在政策的扶持下通过中国移动强大的市场份额促进TD-SCDMA的快速产业化和商业化,实现整个TD产业链的发展。回首中国的3G时期,中国整个移动通信在市场的竞争环境下取得了巨大的发展。中国移动通信用户从2008年底的4.8亿个上升至2014年的12.9亿个,大大加速了中国移动通信技术的4G化进程。
2013年12月,中国政府向中国三大运营商颁发了TD-LTE的4G牌照。4G时代,在标准的国际化方面中国终于取得了质的飞跃,从TD-SCDMA演进而来的TD-LTE作为中国自主知识产权的标准已经成为国际电信联盟确定的主流4G标准之一。在中国移动的大力推广下,TD-LTE的全球化取得重大进展。2011年2月,在世界移动通信大会上,中国移动联合日本软银、印度巴帝电信等6家国际电信运营商成立了TD-LTE国际发展平台GTI。截至2017年7月,GTI已经拥有127个运营商、130多家产业链合作伙伴,而且在美国、欧洲、日本等国家和地区建立的国际TD-LTE网络超过100张。虽然TD-LTE相比于FDD-LTE的市场份额和国际普及度还有一定的差距,但可以说中国的标准是4G标准中重要的组成者。
手机的问世与发展
手机是继报纸、杂志、广播、固定电话、电视、网络之后的第七种大众媒介,正在改变人们的生活、消费和娱乐方式。
20世纪40年代,美国最大的通信公司贝尔实验室造出世界上第一个战地移动通话工具,由于体积大、携带不便,被遗忘在实验室,没有资料证明它曾通过电话。1957年,苏联杰出的工程师库普里扬诺维奇(Leonid Kupriyanovich)发明了ЛК-1型移动电话,质量达3千克。直到1973年4月3日,美国摩托罗拉公司总设计师库帕(Martin Cooper)终于发明了作为移动通信工具的世界上第一部手机Dyna TAC,手机开始走进人们的生活,实现了人类第一次个人自由通信的梦想。1983年6月3日,摩托罗拉公司推出名为Dyna TAC 8000X的世界上第一台便携式商用手机。这款笨重厚实的手机质量达794克,长为33厘米,被美国人称为“鞋机”,中国人称其为“大哥大”。它的售价是3 995美元,最长通话1小时,可储存30个电话号码。20世纪90年代,第一台折叠手机摩托罗拉StarTAC问世,俗称“掌中宝”。1999年,诺基亚公司推出世界上第一款内置天线手机诺基亚3210,推动了内置天线设计的普及。同年,摩托罗拉公司还推出第一款智能手机摩托罗拉A6188,是现在发展迅速的智能手机的真正鼻祖,能无线上网,有触摸屏。同时,它还是第一部中文手写识别输入的手机。2000年,第一款MP3手机三星SGH-M18出现。2007年,诺基亚公司又推出第一款GPS手机诺基亚N95,能提供音乐、视频,有500万像素自动对焦摄像头。2007年,苹果公司推出iPhone,把智能手机开发到了极致,为用户提供了更为方便的服务。2010年后,智能手机已经成为主流。
1993年,南京熊猫公司推出中国第一款国产手机,这是中国自主品牌的第一款手机。20世纪90年代末,波导、夏新、TCL等国产手机蜂拥而现。到了2003年,国产品牌手机的国内市场份额首次超过50%。后来,遭遇核心技术缺失、产品同质化严重、缺乏创新等问题的国产手机,在诺基亚、三星、摩托罗拉、索尼爱立信、LG等国际巨头的不断反击与围剿下,市场占有率从2003年的半壁江山跌至2005年的30%左右。2009年2月,华为公司在西班牙举行的世界移动通信大会上首次展示了其首款安卓智能手机。OPPO、步步高、金立、联想、康佳、华为、中兴等品牌成为当时国产手机品牌的一线阵营。
技术作为一把“双刃剑”存在于人们的生活世界,一方面推动人类社会不断进步,另一方面也是给人类带来伤害的异己力量。人类在享受手机带来美好场景的同时,却浑然不知自己已经成为手机的“奴隶”。特别是智能手机出现以来,人类生活对手机的依赖亦是达到了史无前例的程度。但是,无论未来通信技术如何发展,为人类提供更好服务、使用更加便利仍是通信技术发展的大趋势。
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