1.4 一個劃時代的開始——從0G到1G

摩托羅拉SCR-536的出現(xiàn)，讓我們第一次看到了手機(jī)的影子。也是因?yàn)樗ν辛_拉憑借大量的軍工訂單實(shí)現(xiàn)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(jī)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)，而Motorola這個名字，也源于其在1930年推出的一款車載收音機(jī)的品牌。自從1940年其生產(chǎn)的對講機(jī)產(chǎn)品在第二次世界大戰(zhàn)中得到廣泛使用后，摩托羅拉看到了移動電話在民用領(lǐng)域的巨大市場潛力，1946年推出了歷史上第一個大規(guī)模商用的移動無線電話（Mobile Radio Telephone）系統(tǒng)——移動電話服務(wù)（MTS）系統(tǒng)。

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

MTS系統(tǒng)的原理現(xiàn)在看來非常簡單，用戶拿著一個特殊的無線對講機(jī)，這個對講機(jī)并沒有自己的號碼，而當(dāng)用戶需要撥打電話時，實(shí)際上是對講機(jī)與移動電話臺話務(wù)員進(jìn)行對講式通話，告訴話務(wù)員他需要連接的電話，然后由話務(wù)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(jìn)行連接，如圖1-10所示。早期的MTS系統(tǒng)由于體積、重量大（重36kg），最初只被作為車載通話設(shè)備使用，如圖1-11所示。

早期的MTS系統(tǒng)由于只有3個無線電頻道可用（后期頻道數(shù)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(shè)計(jì)，移動臺沒有電話號碼，且接入PSTN需要依賴于人工接續(xù)，這使得通話效率極低。此外，該系統(tǒng)的無線電頻道并沒有進(jìn)行任何加密，因此，任何一臺收音機(jī)或其他終端在對應(yīng)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(jī)制，誰的信號強(qiáng)，誰就可以使用頻道，信號弱的只能“掉線”。

正是因?yàn)镸TS的諸多問題（主要是容量問題）,1964年11月改進(jìn)的移動電話服務(wù)（IMTS）系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)了全雙工（同時說話和接聽）、自動撥號（MTS需要人工報(bào)號）、自動頻道搜索（實(shí)現(xiàn)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(wù)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(shè)備如圖1-12所示。

雖然IMTS相比MTS頻道數(shù)有了增加，但仍然杯水車薪。頻道數(shù)的匱乏嚴(yán)重限制了用戶總數(shù)的增加。在20世紀(jì)70年代和20世紀(jì)80年代初期，對于希望獲得移動電話服務(wù)的人來說，需要數(shù)年時間來等待其他訂戶退訂服務(wù)。也因此，IMTS設(shè)備購買和使用費(fèi)用都非常高（IMTS設(shè)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(wǎng)絡(luò)）、AMTS （日本第一個公共移動電話網(wǎng)絡(luò)）,MTA（瑞典第一個移動電話系統(tǒng)）、OLT（挪威第一個陸地移動電話網(wǎng)絡(luò)）都屬于“移動無線電話系統(tǒng)”，也就是0G。它們的一個共同特征就是使用了“大區(qū)制”，如圖1-13所示，這是區(qū)別于后續(xù)1G到5G的最核心特征。

大區(qū)制部署相對目前廣泛采用的蜂窩部署的優(yōu)點(diǎn)是其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對簡單，基站設(shè)備較少且單一，因此網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本相對較低。但相應(yīng)的缺點(diǎn)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(tǒng)從MTS的3個頻道升級到IMTS的23個頻道（后續(xù)的增強(qiáng)系統(tǒng)信道數(shù)進(jìn)一步增加），但整體而言，由于并未采用任何多用戶復(fù)用技術(shù)（比如后期出現(xiàn)的TDMA、CDMA和OFDMA），可支持的同時通話數(shù)有限，容量成為制約移動無線電話系統(tǒng)商用的主要因素，這嚴(yán)重影響到運(yùn)營商、設(shè)備商和終端廠商的商業(yè)利益。

另一個比較嚴(yán)重的問題就是干擾問題，因?yàn)樵缙诘囊苿訜o線電話系統(tǒng)并未采用頻率復(fù)用的方法，而且無論是基站側(cè)還是終端側(cè)都采用很大的發(fā)射功率（IMTS基站發(fā)射功率一般為100～250W），所以鄰近基站和鄰近終端間都會出現(xiàn)較強(qiáng)的小區(qū)間干擾，這使得在實(shí)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(qū)制單個基站需要實(shí)現(xiàn)極大的覆蓋范圍，天線高度越高覆蓋范圍越大，因此，這對網(wǎng)絡(luò)部署而言是一個不小的挑戰(zhàn)；由于大區(qū)制要求較大的發(fā)射功率，終端也很難實(shí)現(xiàn)小型化，電磁輻射也較大，而且因?yàn)榇髤^(qū)制利用單基站實(shí)現(xiàn)大范圍的覆蓋，也更容易因?yàn)榻ㄖ锏恼趽醵霈F(xiàn)覆蓋盲區(qū)，如圖1-14所示。

正是這些問題的存在，移動無線電話系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)室工程師威廉·楊在給美國無線電制造商協(xié)會（RMA）的一份報(bào)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(tǒng)利用至少一個蜂窩進(jìn)行通信。1947年12月11日，貝爾實(shí)驗(yàn)室工程師道格拉斯·林在另一份內(nèi)部技術(shù)備忘錄中稱贊威廉·楊提出的六邊形蜂窩布局，并擴(kuò)展了威廉·楊的概念，如圖1-15所示。雖然，這份備忘錄和現(xiàn)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(shí)驗(yàn)室對蜂窩網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想其實(shí)就是通過在小區(qū)中使用低功率發(fā)射機(jī)完美解決容量問題。六邊形的小區(qū)布局，使頻率可以在非相鄰小區(qū)中重復(fù)使用而不會產(chǎn)生小區(qū)間干擾。小區(qū)越小，重復(fù)使用的頻率就越高。當(dāng)然，移動終端在小區(qū)間移動時，需要切換。

雖然蜂窩網(wǎng)絡(luò)被提出，但早期的應(yīng)用推廣并不順利。在20世紀(jì)50年代至70年代整整20多年間，F(xiàn)CC多次拒絕為蜂窩通信批準(zhǔn)新頻譜資源（當(dāng)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(tǒng)”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(zhàn)，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(qū)域無縫移動到另一個區(qū)域而不會掉線。最終這兩個問題被貝爾實(shí)驗(yàn)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(fā)明了世界上第一部手持式移動電話，并完成首次通話試驗(yàn)，馬丁·庫珀被譽(yù)為“手機(jī)之父”，如圖1-16所示。1978年，貝爾實(shí)驗(yàn)室在芝加哥安裝了第一個試驗(yàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，如圖1-17所示。1979年，日本電報(bào)電話公司（NTT）推出世界上第一個商用蜂窩網(wǎng)絡(luò)，5年內(nèi)，NTT網(wǎng)絡(luò)已擴(kuò)展到覆蓋日本的全部區(qū)域，并成為第一個全國性的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。1981年，北歐移動電話（NMT）系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)。1983年10月13日，貝爾實(shí)驗(yàn)室和摩托羅拉合作推出高級移動電話系統(tǒng)（AMPS），在北美實(shí)現(xiàn)商用。自此，1G正式走上歷史舞臺。

從“大區(qū)制”的汽車電話到“小區(qū)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(qū)動了這項(xiàng)技術(shù)的下一次蛻變呢？