1.4 一個劃時代的開始——從0G到1G

摩托羅拉SCR-536的出現，讓我們第一次看到了手機的影子。也是因為它，摩托羅拉憑借大量的軍工訂單實現了資本的積累和品牌知名度的提升。

早期的摩托羅拉主要從事民用和警用車載收音機產品的研發、生產，而Motorola這個名字，也源于其在1930年推出的一款車載收音機的品牌。自從1940年其生產的對講機產品在第二次世界大戰中得到廣泛使用后，摩托羅拉看到了移動電話在民用領域的巨大市場潛力，1946年推出了歷史上第一個大規模商用的移動無線電話（Mobile Radio Telephone）系統——移動電話服務（MTS）系統。

移動無線電話系統是一類以無線電為媒介為用戶提供電話服務的技術系統。它是我們所熟知的蜂窩電話系統的前身（0G或Pre-Cellular）。它和早期的其他無線電話系統（如民用波段無線電通信系統和對講機系統）的不同之處在于，在它出現的年代，有線電話系統［公共交換電話網絡（PSTN）］已經大規模商用，它作為PSTN的一部分為用戶提供移動電話服務。它是一個開放的系統，而不像對講機系統那樣是一個封閉網絡。MTS系統是第一個大規模商用的“移動無線電話系統”，它源于電話巨頭“貝爾系統”（AT&T）和摩托羅拉在1946年的合作。

MTS系統的原理現在看來非常簡單，用戶拿著一個特殊的無線對講機，這個對講機并沒有自己的號碼，而當用戶需要撥打電話時，實際上是對講機與移動電話臺話務員進行對講式通話，告訴話務員他需要連接的電話，然后由話務員撥通有線電話后把無線對講通話線路和有線電話通話線路進行連接，如圖1-10所示。早期的MTS系統由于體積、重量大（重36kg），最初只被作為車載通話設備使用，如圖1-11所示。

早期的MTS系統由于只有3個無線電頻道可用（后期頻道數有所增加），因此在任何一個城市均只有3個客戶可以同時撥打移動電話，容量極其有限。它采用半雙工設計，移動臺沒有電話號碼，且接入PSTN需要依賴于人工接續，這使得通話效率極低。此外，該系統的無線電頻道并沒有進行任何加密，因此，任何一臺收音機或其他終端在對應的頻率上都可以聽到MTS通話，而且它對用戶的無線接入也沒有任何保持機制，誰的信號強，誰就可以使用頻道，信號弱的只能“掉線”。

正是因為MTS的諸多問題（主要是容量問題）,1964年11月改進的移動電話服務（IMTS）系統在美國西弗吉尼亞州查爾斯頓啟用。

IMTS提供23個無線電頻道，實現了全雙工（同時說話和接聽）、自動撥號（MTS需要人工報號）、自動頻道搜索（實現了自動搜索空閑頻道并占用，而MTS需要手動搜索）、自動接駁PSTN（MTS需要話務員手動接駁），因此，其性能相比MTS有了較大提升。摩托羅拉的IMTS設備如圖1-12所示。

雖然IMTS相比MTS頻道數有了增加，但仍然杯水車薪。頻道數的匱乏嚴重限制了用戶總數的增加。在20世紀70年代和20世紀80年代初期，對于希望獲得移動電話服務的人來說，需要數年時間來等待其他訂戶退訂服務。也因此，IMTS設備購買和使用費用都非常高（IMTS設備大約為2000～4000美元，每分鐘通話的價格為0.7～1.2美元）。

無論是MTS、IMTS，還是本書中并未介紹的ARP（芬蘭第一個公共移動電話網絡）、AMTS （日本第一個公共移動電話網絡）,MTA（瑞典第一個移動電話系統）、OLT（挪威第一個陸地移動電話網絡）都屬于“移動無線電話系統”，也就是0G。它們的一個共同特征就是使用了“大區制”，如圖1-13所示，這是區別于后續1G到5G的最核心特征。

大區制部署相對目前廣泛采用的蜂窩部署的優點是其網絡結構相對簡單，基站設備較少且單一，因此網絡建設的成本相對較低。但相應的缺點也同樣明顯。

一個最大的問題是容量，雖然移動無線電話系統從MTS的3個頻道升級到IMTS的23個頻道（后續的增強系統信道數進一步增加），但整體而言，由于并未采用任何多用戶復用技術（比如后期出現的TDMA、CDMA和OFDMA），可支持的同時通話數有限，容量成為制約移動無線電話系統商用的主要因素，這嚴重影響到運營商、設備商和終端廠商的商業利益。

另一個比較嚴重的問題就是干擾問題，因為早期的移動無線電話系統并未采用頻率復用的方法，而且無論是基站側還是終端側都采用很大的發射功率（IMTS基站發射功率一般為100～250W），所以鄰近基站和鄰近終端間都會出現較強的小區間干擾，這使得在實際部署方案中，基站與基站間往往需要較大距離的隔離。

此外，由于大區制單個基站需要實現極大的覆蓋范圍，天線高度越高覆蓋范圍越大，因此，這對網絡部署而言是一個不小的挑戰；由于大區制要求較大的發射功率，終端也很難實現小型化，電磁輻射也較大，而且因為大區制利用單基站實現大范圍的覆蓋，也更容易因為建筑物的遮擋而出現覆蓋盲區，如圖1-14所示。

正是這些問題的存在，移動無線電話系統始終沒有真正地走入千家萬戶，而是成為那個年代的“奢侈品”。

如何解決這些問題呢？

1947年，貝爾實驗室工程師威廉·楊在給美國無線電制造商協會（RMA）的一份報告中提出了蜂窩的概念，即在每個城市中以六角形蜂窩布置許多移動電話塔，以便每個移動電話用戶都能夠通過電話系統利用至少一個蜂窩進行通信。1947年12月11日，貝爾實驗室工程師道格拉斯·林在另一份內部技術備忘錄中稱贊威廉·楊提出的六邊形蜂窩布局，并擴展了威廉·楊的概念，如圖1-15所示。雖然，這份備忘錄和現在的蜂窩通信還有很多明顯差異，但無論如何，這兩位工程師開啟了一個新的時代。

貝爾實驗室對蜂窩網絡的設想其實就是通過在小區中使用低功率發射機完美解決容量問題。六邊形的小區布局，使頻率可以在非相鄰小區中重復使用而不會產生小區間干擾。小區越小，重復使用的頻率就越高。當然，移動終端在小區間移動時，需要切換。

雖然蜂窩網絡被提出，但早期的應用推廣并不順利。在20世紀50年代至70年代整整20多年間，FCC多次拒絕為蜂窩通信批準新頻譜資源（當時民用波段無線電通信的商用如火如荼，擁塞和容量問題并未引起注意），但“貝爾系統”并未放棄對蜂窩通信的研究，此時蜂窩通信的商用面臨著兩個重大的挑戰，即允許大量呼叫者同時使用相對較少的可用頻率，以及允許用戶從一個區域無縫移動到另一個區域而不會掉線。最終這兩個問題被貝爾實驗室工程師阿莫斯·愛德華·喬爾解決，并于1970年申請專利。

1973年4月3日，摩托羅拉的美國工程師馬丁·庫珀博士發明了世界上第一部手持式移動電話，并完成首次通話試驗，馬丁·庫珀被譽為“手機之父”，如圖1-16所示。1978年，貝爾實驗室在芝加哥安裝了第一個試驗蜂窩網絡，如圖1-17所示。1979年，日本電報電話公司（NTT）推出世界上第一個商用蜂窩網絡，5年內，NTT網絡已擴展到覆蓋日本的全部區域，并成為第一個全國性的蜂窩網絡。1981年，北歐移動電話（NMT）系統在丹麥、芬蘭、挪威和瑞典同時推出，成為第一個具有國際漫游功能的移動電話網絡。1983年10月13日，貝爾實驗室和摩托羅拉合作推出高級移動電話系統（AMPS），在北美實現商用。自此，1G正式走上歷史舞臺。

從“大區制”的汽車電話到“小區制”的蜂窩通信，不得不說這是一個劃時代的開始。那么，又是什么驅動了這項技術的下一次蛻變呢？