本帖最后由 h68810115 于 2017-12-4 21:11 编辑
3.4 多国并存时代的2G
在2G之前的1G时代,各个国家的各种通信系统虽然类似,但是由于系统之间本身的互联互通性比较差,并且用户量也不是很多,用户虽然有漫游需求,但是需求还并不是那么强烈。从第二代移动通信开始,由于通信的全程全网(用户在不同国家享受相同服务)需求,导致设备的标准化要求更高。
在设备标准化的同时,就会带来在原来公司之间竞争的同时,又引入了产业链之间的竞争,而且产业链之间的竞争要先于公司之间的竞争,只有产业链竞争胜利了,这个产业链内的公司才继续生存和发展,而在产业链竞争失败的公司,基本上是将自己的这一块业务就给让出来了,如果公司能够找到其他的增长点或者业务转型比较成功,那么公司还能继续生存,而如果竞争失败了,并且转型还不顺利,则可能会导致整个公司的覆灭。
随着产业上面的公司越来越多,技术复杂度越来越高,在产业上面的研究投入也越来越大,像贝尔实验室原来一家独大的情况就不存在了。实际上在20实际80年代到90年代,由于欧洲的电信标准化是走在了美国的前面,因此也造就了欧洲在20世纪后期及21世纪前期主导电信设备标准的情况。而美国正是由于标准上面的各自为政,导致在移动标准上面的话语权旁落,在固定通信向移动通信以及模拟通信向数字通信的转型过程中,美国的通信企业基本上都没落。这个会下面的章节还会再介绍。
2G时代各标准的格局就是类似于南宋时期的中国格局,GSM因为先发优势,类似于南宋,还是中国的主体,CDMA则挟技术优势来势汹汹,在全球快速扩张,类似鼎盛时期的金,而日本的PDC标准则是类似于大理国,与世无争,自己的标准在国内用,而美国的D-APMS和iDen则类似于吐蕃和西辽,虽然也有相对的领土和范围,但是毕竟是实力有限,随着时间的推移,吐蕃和西辽又重新回归到中华民族的大家庭。
3.4.1 2G主要标准介绍
TDMA和CDMA
在介绍2G标准之前,先将2G时候的两大流派TDMA(timedivision multiple access,TDMA)和CDMA(code division multiple access,TDMA)的核心差别和相同点讲一下。 相同点:
应该说TDMA和CDMA在大多数的技术上面都是相同的,网络架构,加密,用户管理等主要功能都是相同的,虽然可能在加密算法,信令等方面在实现上面略有差异,但是功能的原理及作用都是差不多的。最大的差异就是在空口。
空口的双工和大的复用方面也是一样的,上下行(上行:手机给基站发信号,下行:基站给手机发信号)双工都是采用的对称FDD,双工类似于高速公路要双向通车,高速公路都是两个方向对等的,也就是上行和下行采用的都是相同带宽相近但是不同的频率;在大的复用方面,也就是说10M(上下行各10M)频谱如何划分成更小的管理单元,TDMA和CDMA都是先采用FDMA(frequency divisionmultiple access)频分多址来实现将大的频谱划分为更小的管理单元。就类似一条单向16米,双向32米的高速如何管理,双工就是在中间建设一个隔离带(类似上下行中间的频率间隔),然后每一个方向再按照4米一个车道,划分成单向4车道双向8车道,这样就形成了高速公路。如下图所示:
不同点:
由于2G系统中划分每一个频点的带宽足够大,每一秒种能够传输的数据超过1个用户1秒钟话音所产生的语音数据包,因此可以将这个频点给多个用户使用,如何标示和区分这多个用户,就有了TDMA和CDMA两种技术实现方式。在2G不同的标准中,TDMA每个频点相对窄(因为编码,管理机制及硬件能力等因素综合),比如GSM是200K,而CDMA的每个频点相对宽,1.25M,相当于6倍的GSM频点宽度。
对于这两种多址方式,我们打个比方。有一队48个班军队在行军过程中,碰到一条河,需要在规定的时间穿过河,这个时候工兵连需要搭建浮桥,以便让所有的士兵都能够过河。为了便于清点人数,要求过河之后各个班的士兵都站在一起。这个时候工兵连有两种方式搭建浮桥:
方式一,小浮桥:搭建6个小的浮桥(相同带宽TDMA有6个频点),首先先将这48个班分成6组,每8个班用一座浮桥,在每一座浮桥前面,这8个班每个班都排成一个纵队,先是第一个班的第一个人过浮桥,然后是第二班的第一个人过浮桥,等第8个班的第一个人过了浮桥之后再有第一个班的第二个人浮桥,然后是第二个班的第二个人,直到所有人过完。过了桥的人还是按照过桥的顺序恢复成原来的8个纵队,也就是每个班的人都还是在一起。
方式二,大浮桥:搭建一个宽一点的浮桥,可以并列走48个人,在过河之前也排成48个纵队,这个时候有人就拿了48种颜色的马甲(类似CDMA的码)发给每一个人,并且保证每个纵队(班)颜色都是一样的,并且和其他班的颜色都不一样。首先排在第一位的48个人站出来,一起过桥,下桥的地方有另外一个人在指挥,特定颜色马甲的人站到特定的圆圈里面,然后每个纵队的第二个人过桥,直到每个班的人都过完。过完河的士兵根据不同颜色的马甲(CDMA码)都还是在一起,也就是每个班的人都还在一起。
上述方式一就是时分多址(TDMA),分时使用浮桥,靠的是时间顺序区分,而方式二则是码分多址(CDMA),多个班的多个人同时使用浮桥,靠的是不同颜色的马甲区分。每一个士兵相当于一个语音数据包,而一个班就是连在一起的数据包组成的一句话。
在介绍完核心差异之后,再来说2G的不同的标准。 最成功的2G标准---GSM
标准阵营的分化和站队,从GSM的讨论开始开始。在尝试到NMT标准化和联合的成功之后,欧洲共同体(欧盟的前身)组织之一,欧洲邮电管理委员会(CEPT European Conference of Postal andTelecommunications Administrations)在1982年就设立了一个工作组Groupe Spécial Mobile committee(一个法语组织名称)开始讨论欧洲下一代数字化无线通信系统,随后该组织改名,缩写还是不变,但是将英文改名为GlobalStandard for Mobile Communications,以便于在全球的推广。
在这个组成立后不久就在巴黎设立一个固定的技术组,做详细的技术讨论。在5年之后的1987年,作为最主要的工作成果,GSM的最初技术标准给出了初稿。同年,来自13个国家的15名代表在哥本哈根签署了联合研发和部署GSM标准的谅解备忘录,并且规定GSM作为欧盟内部的强制标准,并获得欧洲4大国(英法德意)的支持。由于该协议的通过,使得欧洲各国运营商纷纷表示将部署GSM网络,也使得欧洲的主要设备商(爱立信,Nokia,阿尔卡特等)在通过的主要技术标准之上快速进行设备的开发,因为有政府的支持,运营商的需求,虽然设备开发上面投入不小,但是面对政府和运营商确定性的表态,产品的应用应该不存在任何问题。
GSM网络架构图
GSM的网络架构中,BTS(BaseTransceiver Station)主要是负责接收发送无线信号,BSC(BaseStation Controller)主要是控制基站并做呼叫相关处理,MSC (Mobile Switching Center)主要负责电话交换,而HLR(Home location register)则出存储了所有的用户信息,每次呼叫的时候,MSC都会和HLR核对,看这个用户信息是否合法。
之所以将第二代系统叫数字化是因为在空口Um接口上发送和接受的是调制解调后的数字信号,而对应的,第一代模拟系统则传递的是模拟信号。在设备的接口中,空中接口Um是完全标准化的接口,这样就保证了手机生产厂商完全不需要和系统厂商捆绑,可以独立根据标准接口进行手机的开发,而A接口在商用的初期标准化还不算太完善,在商用化之后就完全标准化,也就是意味着,运营商的BSS和MSC可以分别用两家的。一般Abis接口是则是各设备厂家的私有化的接口,这就要求运营商BSC和基站使用一个厂家的设备。
GSM的协议组织在技术协议完善性和商用时间的把握上面还是比较好的,虽然能够想到业务和功能比较多,GSM协议组织在开始就将协议和功能分为几个阶段,Phase1,Phase2,Phase2+,比如,虽然GSM在91年就实现了商用,但是支持数据业务的协议是到了1993年才发布的,为GSM的商用赢得了时间。协议在随后的几年里面增加了1800M频段,短消息,预付费以及后来的数据业务(GPRS和EDGE),特别是预付费业务,使得用户能够以更低的成本使用移动电话,大大促进了GSM用户的发展,虽然从现在看,这个只是一个运营策略问题,但是在那个时候通过协议的制定,在业务流程支持预付费业务加快了业务普及的速度。就以中国为例,在预付费业务推出之前,手机需要有50块的月租费,然后每分钟通话0.4元,短消息0.1元,而预付费业务推出之后,没有预付费,但是每分钟通话贵一点,0.6元,短消息0.15元。在预付费业务推出之后,加快了手机消费的门槛,不需要每个月必须有50块以上的费用,而是根据自己的经济情况自己控制使用。
1991年7月1日,芬兰首相用Nokia和西门子联合建设,由Radiolinja(由本地电话公司和金融结构投资的合资公司,后被Elisa收购)运营的网络打通第一个GSM商用电话,拉开了GSM在全球部署的序幕,随后很快在欧洲全面部署。1993年澳洲电信的部署是欧洲以外的第一个网络,中国则在1993年在浙江嘉兴开通了实验网,1994年正式在广东开通商用网络,拉开中国移动建设的大幕。到1996年,全球的GSM用户超过1亿,02年5亿,04年10亿,截止到2016年年底,有212个国家和地区运营GSM网络。
澳大利亚的澳洲电信在2016年12月1日在全球第一个关闭了GSM的网络,主要由3G和4G标准为用户服务,2017年1月,美国AT&T移动关闭GSM网络。 晚生了几年最好的2G标准---CDMA
CDMA技术的基础原理和专利虽然提出得很早,但是真正的把这项技术研究出来,并能够投入实际的商用缺是经过了很长的一段时间。
CDMA之母:海蒂·拉玛
讲到CDMA,就不得不提一个人,海蒂·拉玛(Hedy Lamarr), CDMA之母。
1914年11月9日,海蒂·拉玛出生于奥地利的首都维也纳;父亲是当地的犹太银行家,这个显赫的家庭给予了海蒂从小生活富裕,衣食无忧的生活环境并受到良好的教育。1931年,海蒂·拉玛放弃了正在攻读的通信专业,跟随戏剧导演马克斯·莱因哈特去了德国柏林学习。
海蒂·拉玛
凭着自己在外貌上的优越条件及对表演的追求,海蒂·拉玛很快在演艺圈打开了局面。真正使得海蒂·拉玛出名的是1933年《神魂颠倒》,在这个电影中海蒂·拉玛担任了女主角,并且是世界上首位全裸出镜的女演员。奥地利的军火大亨曼德尔在看过海蒂的《神魂颠倒》之后便对她着迷不已;一年后,两人在舞会上一见钟情;3个月后,闪电结婚。
曼德尔也是一名犹太人,但他支持纳粹,甚至成为纳粹主要军备的奥地利军队供应商。他很重视无线电信号遥控鱼雷和无线通信干扰技术。虽然无线通信技术在当时属于国家最高级别军事机密,但曼德尔与武器专家谈论相关技术时,他允许海蒂旁听甚至记录。他没想到通信专业出身的海蒂在数月后基本掌握了这项技术。不过,曼德尔不愿妻子在外抛头露面。她曾提过想继续拍电影,被曼德尔粗暴地拒绝了,甚至连游泳和上街的自由都没有。这让海蒂对曼德尔彻底死心了。1937年海蒂在一次晚宴上中途退席后用迷药迷昏了随从侍女跳窗而逃,乘当天的火车连夜逃至法国巴黎,随后就到好莱坞发展。
新生活和电影事业蒸蒸日上之时,在好莱坞的一次宴会上,拉玛结识了同样极度痛恨纳粹的乔治·安塞尔。此人本是个欧洲音乐家,後来因二次大战爆发,他被迫回到好莱坞。海蒂向乔治提起一个秘密通讯系统(SecretCommunications System)的想法,想要研发出能够抵挡敌军电波干扰或防窃听的军事通讯系统。在战时,军事通讯的保密与否几乎可以决定战争的胜败。于是,一心想要对德作战有所贡献的乔治便很积极地配合海蒂进行这项研究。并最终制成了这个以。
靠着两人的智慧以及其他科学家的帮助,他们完成了以自动钢琴为灵感的模型的技术研究,并且在1942年的8月得到专利号为2,292,387的“保密通信系统”的美国专利。这就是“扩频通讯技术”。注:Hedy Kiesler Markey是真名,而Hedy Lamarr是艺名。
专利说明描述了一种引导鱼雷的通信方法:在一段固定时间内,在载波频率之间发射方和接收方用一种同步的通信方式。被发射方(飞机)和接收方(鱼雷)所采用载波频率同步的编号,是由一种类似自动钢琴音乐筒的装置控制,该装置有一个独特的由88个可能的阶梯组成的序列。通过在每个频率上仅发送整个信息的一小部分,鱼雷能受到操纵。干扰通信的企图通常一次只能是一条信道失去作用,而在其他信道上的信息足以保证鱼雷做出必要的方向矫正,以击中目标。他们将这项专利送给美国政府,希望能够对当时正如火如荼进行中的二次大战有帮助。可是美国军方的科学家完全不把他们的研究当一回事。
1997年,当以CDMA为基础的通信技术开始走入大众生活时,科学界才想起了已经83岁高龄的海蒂,美国电子前沿基金会授予了五十年前这项专利第一申请人海蒂·拉玛的发明颁发“电子国境基金-先锋奖”。这一奖项对海蒂在计算机通信方面的贡献给予了承认,科学家尊称海蒂为:CDMA之母。
CDMA 之父–高通公司
虽然在二战期间,军方并没有将扩频通信用于鱼雷等军事领域,但是进入50年代之后,这项专利还是引起了军方的注意,并对扩容通信做了充分的研究,在军方的无线通信中得到了应用。在雅各布的高通公司接触了CDMA的技术之后,才使得CDMA的军用转民用,有了CDMA的辉煌。
高通公司由欧文·雅各布斯(Irwin Jacobs)博士在1985年创建,高通公司的英文名字Qualcomm,来源于QualityCommunication的缩写,意思是高质量的通信。高通成立之后的第一份合同来自于和美国军方签订的CDMA技术研究项目(CDMA之前是美国军方的安全无线通信技术)。
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尽管高通成立之时便致力于将CDMA技术商业化,但是高通最先推动变革的行业却是交通运输业,1988年高通推出OmniTRACS卫星定位和通讯服务,主要用于运输行业跟踪卡车的位置服务。
在1988年的一次偶然的机会,艾文雅各布博士及其他几位高通创始人探讨CDMA技术用于卫星通信系统时,他们忽得灵感,只要经过调整,CDMA将可能在民用地面移动通信上大有作为, CDMA技术被用于通过卫星为卡车提供运输通信服务时经常拥塞,如果将蜂窝网基站当成卫星,通过基站传输,则解决拥塞问题,这就是CDMA通信系统的初始来源。而高通则一直致力于CDMA通信系统研究。
当时高通面临的情况是,很多业界专家对于CDMA用于蜂窝系统并不是很看好,都认为CDMA技术过于复杂,商用成本昂贵,甚至某个斯坦福大学的一位著名教授还刻薄的批评CDMA是违反物理定律。与此同时,欧洲各主要国家已经在开发GSM系统,并初步冻结了协议。在模拟的AMPS基础上正在研究基于TDMA的数字化的AMPS,也就是D-AMPS获得美国蜂窝电信工业协会(CTIA)初步支持。而在通信行业,如果不获得政府部门在标准上面的支持,绝对不可能成功。几乎所有人都认为CTIA对TDMA的支持将对高通形成了毁灭性的打击。
但是,高通比任何人都了解扩频以及CDMA技术用于移动通信的极大优势,在几个月的研究和调研之后,雅各布对此优势变得更加有信心。对他而言,真正的难题是找到一条最佳途径使别人也接受这个事实。1989年初,雅各布去华盛顿拜访FCC(美国联邦通讯委员会),以确保一旦有运营商对CDMA感兴趣时可以使用它。由于FCC当时的政策是鼓励开放电信市场以及放松电信管制,因此雅各布得到了肯定的答复:一旦某家运营商希望使用CDMA技术,FCC将不会设置任何障碍,条件是CDMA技术不和目前的模拟技术AMPS冲突,而且入网设备要经过FCC认证。
在就在这个前提下,高通公司只能先自行研究和开发CDMA系统来证明CDMA是可行的,并且能够说服某个或者某些运营支持CDMA系统。长期以来,困扰无线运营商最大的问题就是网络容量,只有解决好容量的问题,才能真正引起运营商的兴趣。
首先,雅各布及高通公司在理论上证明了CDMA可以提供40倍于模拟系统AMPS的容量,与此同时,高通攻克了一系列技术难题,研制了CDMA的手机和网络设备,最终于1989年11月3日,举行了一场成功的演示。当时,吸引了全球250多家的网络运营商和设备商到现场参观。当天下午,移动环境下的首次CDMA语音通话等实际演示取得了巨大成功。不仅证实了CDMA是模拟AMPS系统容量的至少10倍以上,而且其话音质量也极其出色。CDMA所有的优势都在演示和相关模拟中得到了验证。这对当时的高通公司来说无疑是一场巨大的胜利。
随后CDMA的开发与部署就进入了快车道,1990 年2月NYNEX移动公司和高通公司在纽约成功演示了CDMA 。同年8 月,高通公司与美国AT&T、NYNEX和Ameritech签署数百万美元合同,用以发展和提供CDMA技术。1991 年高通和韩国电子和通信研究所签署CDMA联合开发协议。
1992 年US West New Vector宣布计划在1993年底在西雅图部署CDMA网络。同年3月,CDMA软切换方法获得专利。1993年3月美国电信行业协会(TIA)公布CDMA为北美数字蜂窝标准(IS-95A标准)。随后贝尔大西洋移动通信公司宣布采用CDMA系统建网,同时韩国也宣布采用CDMA技术作为国家无线技术。
1994 年Sprint宣布采用CDMA技术。·1995 年PrimeCo公司指定CDMA技术作为其PCS网络的基础。·1996 年韩国推出CDMA商用网络。同年11月,运营商PrimeCo(即现在的Verizon Wireless)在美国14个城市推出CDMA网络。在1996年CDMA发展组织(CDG)宣布,CDMA用户突破100万。 至此CDMA作为通信标准终于从生存危机中走了出来,走到发展壮大的方向上。 分散了力量的两个美国标准D-AMPS和iDEN
D-AMPS
D-AMPS(Digital -AMPS),顾名思义,就是数字化的AMPS,是在原来移动网络上升级,系统空口也是基于TDMA系统,在每个30K的频点上,划分为3个子信道,每个子信道可以支持一个语音用户,因此D-AMPS可以提供3倍模拟AMPS的语音容量,而在后续半速率改进更使得一个频点支持6个语音呼叫,基本上也是等于6倍的语音容量。AMPS和D-AMPS起源于北美移动电话市场,但其全世界范围内,高峰时期超过7400万用户。
D-AMPS还有一大特点就是可以兼容模拟的AMPS手机,也就是说,在实际应用中,如果客户使用的是模拟数字双模手机,那么系统会在数字信道上面接入使用,而如果客户使用的是模拟的老手机,则还在模拟信道上使用。在这一点设计上,保证了客户使用的平滑,也使得运营商的运营更加平滑,随着用户手机的更新逐渐减少模拟信道数量。这一点在后来2G,3G,4G的转移过程中也采用了同样的策略。
D-AMPS是在1990年由TIA电讯工业联合会定为美国的第一2G数字系统的标准,称为为 IS-54。D-AMPS和GSM,日本的PDC称为2G时代3大TDMA标准(按用户数)。他是战胜了摩托罗拉的Narrowband AMPS(窄带AMPS,依然使用模拟信号,但是比之前的AMPS提升了容量)确定了美国的第一个2G标准。随后又推出了改进的协议IS136,增加了业务类型,改进频谱效率,更好的支持分组业务。
D-AMPS实际主要就在北美市场(美国和加拿大)广泛使用,再加上面提到CDMA2G系统,导致北美市场并没有GSM系统,因此很多国家的人到美国出差,手机都是无法漫游的。但是随着GSM应用的越来越广泛,并且在向3G标准演进中失利,导致后来运营D-AMPS的AT&T Wireless,Rogers等运营商纷纷专网,关闭D-AMPS网络,重新建设GSM/UMTS网络。
AT&T mobiility作为美国最大的D-AMPS运营商,对于运行在1900Mhz上的D-AMPS服务,在2007年5月30日,在19个地区关闭了服务,其他地区的D-AMPS服务也在同年7月关闭,转为GSM和UMTS系统。对于运行在850MHz的D-AMPS服务,也在2008年2月18日和3月1日关闭。
Rogers Wireless在2007年5月31日关闭了D-AMPS和AMPS网络,将剩余的客户迁移到其GSM网络上。 Alltel 在2008年9月关闭了D-AMPS和AMPS网络。 iDENintegratedDigital Enhanced Network:成功在集群
在D-AMPS之外,美国还有第三种数字系统,那就是iDEN
iDEN项目最开始名称是MIRS (MotorolaIntegrated Radio System)(摩托罗拉综合无线电系统),由摩托罗拉在1991年启动研究。该项目开始是一个软件实验,主要是想利用不连续频谱。在1994年,MIRS改名为iDEN。
在1994年之后,iDEN的发展方向做了部分调整,主要是增加了PTT(Push To Talk),也就是我们通常所说的集群,再通俗一点,就是对讲机,主要应用在专业移动通信领域。和普通的移动通信不同,集群通信最大的特点是,PTT通话就是以一按即通的方式接续,被叫无须摘机即可接听,且接续速度较快,并能支持群组呼叫等功能。
Moto的iDen手机
在技术方面,iDEN 同时兼具集群调度和电话互联功能,他的电话系统的功能和GSM或者CDMA的功能差不多,但是GSM和CDMA并没有集群功能;iDEN使用一个25K的频率能够支持6个语音用户,频谱效率要高于GSM。
由于iDEN推出的时间比较晚,作为面向大众的市场,iDEN只有Nextel一家在运营,但是iDEN在集群呼叫上面的强大功能使得他在专网市场大获成功,到目前为止,仍然是全球使用最广泛和用户最多的集群系统,这也算是无心插柳柳成荫的一种成功。
摩托罗拉从一个通信巨头逐渐衰败之后,公网设备和手机都因为亏损而被并购,而集群业务就作用一个独立的业务单元一直持续盈利,并且也作为现在摩托罗拉公司当前存在的唯一业务,现在全球年销售还在50亿美金以上,并且保持高利润率。
最封闭应用最少的2G标准—日本PDC
PDC (Personal Digital Cellular),个人数字蜂窝网,是一种由日本开发及使用的2G移动电话通讯标准。 PDC同样采用了TDMA技术,标准由日本电信产业协会在1991年4月制定,主要设备供应商是NEC和爱立信,主要日本的主要运营商NTTDoCoMo,软银和KDDI都是用该标准。
与GSM相比,PDC系统的发射功率相对较小,从而可以是用比较小的电池并制造出比较小的手机。PDC最高峰时期曾有接近8000万使用者,在2003年12月有6182万用户,2005年12月用户数字为4585.6万,2007年3月底的使用者为2621万人(约占27.1%),到2008年10月末用户数字为1040万。目前已被3G技术如W-CDMA或 CDMA2000替代。
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