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想开发IM:买成品怕坑?租第3方怕贵?找开源自已撸?尽量别走弯路了... 找站长给点建议
IM开发者的零基础通信技术入门(五):1G到5G,30年移动通信技术演进史

【来源申明】本文原文来自:微信公众号“网优雇佣军”,原题为:《1G到5G之争:一部30年惊心动魄的移动通信史》。为了更好的内容呈现,即时通讯网在收录时内容有稍许调整,转载时请注明原文来源信息,请尊重原作者的劳动。


1、系列文章引言


1.1适合谁来阅读?


本系列文章尽量使用最浅显易懂的文字、图片来组织内容,力求通信技术零基础的人群也能看懂。但个人建议,至少稍微了解过网络通信方面的知识后再看,会更有收获。如果您大学学习过《计算机网络》这门课,那么一定不要错过本系列文章。

特别推荐即时通讯开发者来阅读,因为针对移动弱网的问题,确实可以找到很多有价值的答案

友情提示:本系列文章可能涉及以下通信技术范畴,如您有兴趣,也可自行系统地学习:
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1.2本系列文章的初衷


作为即时通讯(IM、消息推送等应用场景)相关技术的开发者人员来说,似乎了解跨专业的通信技术(这是大学通信工程专业类学生的学习内容),有点过于深入和底层了,因为一般来说熟练掌握逻辑层的TCP\IP相关协议、网络编程相关的应用技术就差不多能胜任这方面的本职工作了。

没错,确实是这样。但在开发IM、推送这类应用系统时,尤其在移动网络下,各种弱网问题,让人非常痛苦。

典型的弱网问题,比如:

  • 1)频繁掉线;
  • 2)丢包严重;
  • 3)网络抖动;
  • 4)网络延迟;
  • ........

那么,针对以上现象,怎么才能有底气的跟老板、客户、产品经理地解释以下问题?

  • 1)导致这些现象的根本原因到底是什么?
  • 2)怎么跟老板解释,要搞定在高铁上用好音视频聊天功能很困难?
  • 3)怎么跟客户解释P2P在3G、4G甚至5G网络下的成功率问题?
  • 4)怎么向客户说明,商场或人多场合下,明明信号很好,但你的APP确用不了?
  • .......

你说这些都是网络问题,APP代码无能为力。那么,你倒是讲讲到底是什么样的网络问题?能把人讲信服了,就可以甩锅给网络,不然只能是APP代码背锅了。现实吧!

所以,我们还是老老实实花点功夫来研究研究通信技术吧(通信技术直面的是网络通信物理层),至少遇到问题,不说给别人,至少给自已找到一个说的过去的解释。这才是一个优秀程序员的修养!

1.3本系列文章的价值


网上能找到的通信技术资料都太过专业或太不专业,要么都是搞网络工程方面的内行人编写的(内容专业但很枯燥难懂),要么就是外行的IT开发人员写的(很少见,且价值不大,因为不够专业,所以内容并不准确,参考价值很有限)。

既能让外行的普通程序员看懂,还能准确地讲明白通信技术知识,这样的资料简直比找金矿还难。因为普通程序员能接触到的网络编程、网络通信方面的资料多针对数据通信的逻辑层(比如:tcpip、socket等知识范畴),而通信技术涉及的是数据通信的物理层(交换机、路由器、天线、网络制式等),某种意义上来说,这是完全不同的技术方向。

好消息是,经过长时间的资料搜集,终于有了本系列文章,希望能给你带来帮助。

1.4拓展阅读


即时通讯网之前已经整理过《移动端IM开发者必读(一):通俗易懂,理解移动网络的“弱”和“慢”》、《移动端IM开发者必读(二):史上最全移动弱网络优化方法总结》、《现代移动端网络短连接的优化手段总结:请求速度、弱网适应、安全保障》这几篇初涉通信层的文章,但都因技术广度和深度有限,能带给读者的帮助比较局限。如果您看过这几篇文章,那么一定不要错过本次的《IM开发者的零基础通信技术入门》系列文章

另外,如果您对最基本的程序员本该掌握的网络编程知识都还不怎么了解的话,建议首先阅读网络编程懒人入门系列文章》、《脑残式网络编程入门系列》,以及更高深一点的《不为人知的网络编程系列文章》。

1.5番外:通信技术女神镇楼


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▲ 史上最高颜值科学杂志封面,人物为 “CDMA之母”——海蒂·拉玛(一个被演艺事业耽误的科学女神)

2、本系列文章目录


IM开发者的零基础通信技术入门(一):通信交换技术的百年发展史(上)
IM开发者的零基础通信技术入门(二):通信交换技术的百年发展史(下)
IM开发者的零基础通信技术入门(三):国人通信方式的百年变迁
IM开发者的零基础通信技术入门(四):手机的演进,史上最全移动终端发展史
IM开发者的零基础通信技术入门(五):1G到5G,30年移动通信技术演进史》(* 本文
IM开发者的零基础通信技术入门(六):移动终端的接头人——“基站”技术
IM开发者的零基础通信技术入门(七):移动终端的千里马——“电磁波”
IM开发者的零基础通信技术入门(八):零基础,史上最强“天线”原理扫盲
IM开发者的零基础通信技术入门(九):无线通信网络的中枢——“核心网”
IM开发者的零基础通信技术入门(十):零基础,史上最强5G技术扫盲
IM开发者的零基础通信技术入门(十一):为什么WiFi信号差?一文即懂!
IM开发者的零基础通信技术入门(十二):上网卡顿?网络掉线?一文即懂!
IM开发者的零基础通信技术入门(十三):手机信号差?一文即懂!
IM开发者的零基础通信技术入门(十四):高铁上无线上网有多难?一文即懂!
IM开发者的零基础通信技术入门(十五):理解定位技术,一篇就够

3、本文内容概述


曾经的移动通信设备商,有阿尔卡特、爱立信、华为、LG、朗讯、摩托罗拉、北电、 诺基亚、富士通、西门子、NEC、 三星、中兴….十多家巨头林立,如今只剩下华为、爱立信、诺基亚和中兴四大主流玩家,那些曾经伟大的公司从辉煌到陨落都经历了什么?

如今,美国的移动通信设备商几乎全军覆灭,在云和端(芯片)上具有绝对优势的美国已失去对“管”的绝对掌控,他们在焦虑什么?

今天的5G,3.5GHz+大规模MIMO+波束赋形,还有固定无线应用,不禁让人看到了当年3G时代WiMax的影子,但WiMax为何输给了LTE,难道命运也喜欢对技术开玩笑吗?

一部跨越三十年惊心动魄的移动通信史,为你揭晓答案。

4、1G通信时代:群雄逐鹿


现代移动通信的发展史可追溯到上个世纪70年代,贝尔实验室突破性的提出了蜂窝网络概念。

所谓蜂窝网络,就是将网络划分为若干个相邻的小区,整体形状酷似蜂窝,以实现频率复用,提升系统容量。

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蜂窝网络概念解决了公共移动通信系统的大容量需求与有限的频率资源之间的冲突,并随着上世纪80年代集成电路、微处理器、计算机等技术的迅速发展,随后,世界各地移动通信网络如雨后春笋般不断涌现。

  • 1979年,日本推出800MHz的汽车电话系统(HAMTS),并在东京和神户投入使用。
  • 1983年,美国先进移动电话系统(AMPS)首次在芝加哥投入使用。
  • 1984年,西德建成了C Network,频率范围为450MHz。
  • 1985年,英国开发了全面接入通信系统(TACS),首先在伦敦投入使用,然后应用于全国,频率范围为900MHz。
  • 法国部署了450系统。
  • 加拿大推出450MHz移动电话系统(MTS)。
  • 包括瑞典在内的四个北欧国家开发了NMT-450移动通信系统。
  • ….

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▲ 1G基站

1G时代作为移动通信开天辟地的时代,群雄逐鹿,山头林立,通信标准也是五花八门。

尽管1G标准各式各样,但1G时代的王者非摩托罗拉莫属。

摩托罗拉不仅发明了第一步模拟移动电话大哥大,而且还是AMPS系统的主要设备供应商。

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在模拟通信时代,摩托罗拉无论在移动通信领域还是处理器上,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。

5、2G通信时代:GSM与CDMA之争


1G时代,以AMPS和TACS为代表的模拟移动通信系统取得了巨大成功,但由于采用落后的模拟和频分复用(FDMA)技术,存在容量有限、系统太多、系统不兼容、通话质量差、易被窃听、设备昂贵、无法全球漫游等众多缺点。

随着人们对移动通信的要求越来越高,业界提出向2G数字时代发展,以代替1G模拟通信。

2G时代主要采用数字时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)两种技术,分别对应GSM和CDMA系统,这是一场由美国和欧洲为代表的两大利益集团之间的竞争。

如上所述,以AMPS和TACS为代表1G时代几乎被美国垄断,也意味着美国掌握了标准话语权和产业主动权。

进入2G时代,欧洲不甘落后于美国,考虑到欧盟国家太小,单打独斗难以与美国抗衡,于是吸取了1G时代各自为政的失败教训,于是欧盟联合起来成立了GSM,以快速形成规模向全球推广,在2G时代占据主导优势。

1G采用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。

不过,随后美国高通宣布他们有更好的办法可实现让多个用户同时共享频道,且能让运营商建更少的基站。

高通的办法是,将用于军事通信的CDMA技术应用于商业手机网络。

CDMA,即码分多址,它通过不同的扩频码来实现多用户在同一时间同一频率上共享。从技术上讲,CDMA比TDMA更具优势。

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但早期的CDMA并不成熟,直到1995年高通好不容易将CDMA技术催熟之时,GSM早已在欧洲规模投资,且建立了国际漫游标准,迅速在全球扩散。

德国是第一个推出GSM网络的国家,法国、英国、意大利、西班牙等其他欧洲国家迅速跟进。到上世纪90年代中期,欧洲主要国家的GSM渗透率已达80%。

而此时,美国大概是还沉浸在辉煌的1G模拟时代里不能自拔,美国联邦通信委员会甚至要求必须保证1G网络的运行年限,直到2003年才设定了AMPS的关闭时限——2008年2月18日。同时,美国国内在2G制式选择上也不统一,直到后来高通主导的CDMA成为2G标准,但为时已晚,欧洲GSM标准迅速蔓延全球,远远把美国抛在身后。

1994年12月,德国GSM渗透率约为71%,而当时美国的2G渗透率仅为0.1%。

2G时代,欧洲GSM快速领先,促进了欧洲无线产业的崛起,也为欧洲带来了显著的经济利益。诺基亚和爱立信是首当其冲的受益者,在2G时代飞速发展成为全球领先的通信设备商和手机厂商。1993年,爱立信占全球数字蜂窝设备市场的60%,诺基亚一跃成为全球第二大手机供应商。2000年,诺基亚的出口额占芬兰商品和服务总额的24%。

美国输了,输掉的不是技术,而是速度与规模,也输掉了一个时代

这也间接影响了摩托罗拉的竞争力,当数字移动电话渐渐取代模拟移动电话之时,摩托罗拉同样错估了模拟手机的寿命,也错过了2G数字时代。

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来自欧洲的诺基亚击垮。

6、3G通信时代:鼎足三分


3G与2G的主要区别在于支持高速的数据传输。3G技术要实现全球漫游的图片、音乐、视频等多媒体信息服务,包括可通过手机实现浏览网站、电话会议和电子商务等,且需考虑与2G有良好的兼容性。

3G时代主要有WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三种标准。

欧洲与日本等原推行GSM标准的国家联合起来成立了3GPP组织 (3rd Generation Partnership Project),负责制定全球第三代通信标准。

随后,3GPP小心翼翼地参考CDMA技术,以尽量绕过高通的专利,开发出了原理类似的WCDMA。

高通也赶紧不落人后地与韩国联合组成3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2) 与3GPP抗衡,推出了CDMA2000。

既然你们都有一套自己的标准,当然,咱们中国也不能落于人后,也搞了一个TD-SCDMA。

也就是,3G时代形成了欧、美、中三足鼎立的格局,谁也不服谁。

但真正的赢家是谁?从某种角度讲,最后的赢家既不是欧洲,也不是美国,而是视野之外的日本。

2G时代的落后,自然也拖了美国迈进3G时代的后腿。不过,进入3G时代,欧洲也未能将2G优势持续下去,却让日本抢了先。

进入3G时代,由于欧洲运营商在3G无线频谱拍卖上花费了巨资,加之3G业务用例前景不明朗,欧洲运营商在建设3G网络时,担心巨额投资收不回成本,一直犹豫不决。

而此时日本抓住了从2G语音向3G数据时代演进的机遇。1999年,日本运营商NTT DOCOMO推出了基于2.5G网络的i-mode模式获得了巨大成功,证实了3G商业模式的可行性,刺激了日本运营商对3G的投资热情。

i-mode是全球首个以运营商为中心的生态系统,有点类似于苹果iOS,i-mode与各大网站合作,用户通过手机上的i-mode按键即可享受收发邮件、浏览新闻、听音乐、网上购物等上网服务。

在i-mode成功模式的带动之下,从2001年10月起,在短短一年的时间里,日本推出了三张3G网络。2007年,日本的3G渗透率迅速达到50%,而德国的3G渗透率只有12%,美国的3G渗透率仅为3.5%。i-mode模式拉动了日本移动市场长达10年的强劲增长。

技术重要,生态更重要。只可惜,日本的i-mode模式未能走出国门,在4G时代夭折,这是后话。

7、4G通信时代:一统江湖


随着智能手机的发展,移动流量需求不断上升,移动通信网络开始走向4G时代。

在进入4G时代之前,先要讲一下WiMax技术。

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是什么WiMax?

它是基于IEEE 802.16标准集的一系列无线通信标准。WiMax于2001年6月成立,旨在促进该标准的一致性和互操作性。


最初,IEEE 802.16标准设计网速为30-40Mbps,2005年修订为802.16e标准,被称为“固定WiMax”。韩国于2005年最早推出基于WiMax的WiBro服务,当时的速率高达25Mbps,媒体直呼“惊人”。

2011年,IEEE再次更新为802.16m标准,也被称为“移动WiMax”,支持固定无线速率高达1Gbps。

WiMax采用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。今天的4G LTE也采用了这两大关键技术

当时,WiMax联盟乐观的认为,“移动WiMax”可取代GSM和CDMA等蜂窝电话技术,或者用作容量补充;而“固定WiMax”也被认为可以作为2G/3G/4G网络的无线回传技术。

随后,美国运营商Clearwire建设了全球最大的WiMax网络,英国也在建设试验网,韩国的WiBro网络也由“简单的移动性”升级到“完整的移动性”…2005年后WiMax网络开始陆续出现在世界各地。

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▲ WiMAX设备

Intel、北电和摩托罗拉都是WiMax的主导者。加拿大北电将传统3G业务卖给法国阿尔卡特,一心搞WiMax。

WiMax还成功地从国际电联那里搞到了全球频率分配。

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▲ WiMax频段

然鹅,自3GPP首版4G LTE标准于2008年12月完成且于2009年12月全球首商用成功后,全球多数移动运营商果断的选择了不投资WiMax,而是静候LTE的到来。

WiMax失败了,尽管超前于LTE,但超前一步的往往是烈士。

为什么?

最大的原因是,过去十年3GPP的成功让运营商明白了生态规模的重要性,你一个WiFi演进过来的新技术,到底是IT网络还是电信网络?WiMax作为一项全新的技术,运营商是要花巨资投入的,还要考虑与网络的前后兼容性,与2/3网络如何兼容?未来又如何演进?

LTE的全称叫Long Term Evolution,即长期演进,我不知道当时为何取这样的名字,但今天看来,仿佛是3GPP在向WiMax联盟隔空喊话:喂,兄弟,我们是长期演进的哦,你行不?

于是乎,自2008年12月前后,已感到前途无望的WiMax阵营们纷纷退出,开始转向LTE。

阿尔卡特朗讯宣布削减WiMax投资,将未来移动宽带的希望寄托在LTE上。

加拿大北电早已因互联网泡沫和财务丑闻陷入困境,而此次在WiMax上步子又迈得太大,于2009年宣布放弃WiMax无线业务,因为他们正在申请破产保护。

而就在提交破产保护申请之前的几个月里,北电还在称赞WiMax非常有前途。

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Intel也在2010年宣布放弃WiMax,加入LTE阵营。



自此,经历了无数波折,在4G时代,LTE标准终于一统江湖。

8、5G通信时代:或许真的能改变我们的社区


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

5G的优势:

  • 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。

9、5G到来的前夜,异常焦虑的美国


回顾移动通信的发展史,从生态规模来看,美国在1G时代领先,但从2G到3G,美国整整落后了两个时代,4G赶超机会本来渺茫,但随着智能手机的横空出世,美国迎来了弯道超车的转折点。

苹果推出了IOS,Google推出了安卓操作系统,如今全球大部分智能手机都运行于iOS和安卓系统。

iOS和安卓系统打败了2G时代的诺基亚,也彻底打败了3G时代的日本i-mode模式。诺基亚手机没落了,日本通讯产业链全线败退,NEC、东芝、三洋退出手机领域,索尼、夏普、京瓷、松下市场份额大幅下滑,留给NEC和富士通等电信设备的市场也只是极少的份额。

美国花了两个时代一路追赶,有过深刻的教训,也尝到了甜头,现在5G来了,当然不甘错过这次大好机遇,他们已多次表示要争夺全球5G领导地位。

美国认为,5G时代是建立在无线基础设施上的一次史无前例的创新时代,5G将连接工厂、汽车、无人机等万物,并在万物互联的基础上加速机器学习和人工智能部署。谁能领导5G,谁就站在了未来的信息时代的制高点。

然鹅,朗讯、摩托罗拉、北电等美系设备商已全军覆灭,美国拿什么领导5G?

今年1月,一份由美国国家安全委员会流出的文件透露了美国的失落之情。

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文中指出,华为在LTE市场份额上早已全球第一,中国企业早已加大研发5G。美国在逐渐掉队,而中国正在引领5G。尽管美国也有高通、思科等通信巨头,但他们只提供芯片和路由器,并不提供无线设备。

霸道惯了的美国显然觉得这与其大国地位不相称。

而这一次与2G时代的美欧标准之争也不相同。

2G时代崛起的诺基亚和爱立信不过都是人口不到1000万的小国,所以才有了欧盟联合推出GSM,而如今中国不仅拥有领先的设备商,还有全球规模最庞大的移动网络、最大的市场和最丰富的移动互联网服务,体量之大,若在5G时代首先激发出创新生态,并像4G时代的iOS和安卓一样迅速扩散全球,形成规模经济,美国是绝对不愿意看到的。

于是,美国疯了,以各种安全理由为借口阻止中国5G。

但,这些安全理由都是靠不住的。

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