前言：作为一名通信老兵，亲历了第一代（1G）到第五代（5G）无线通信的技术变革，分别在运营商、设备商、研究院等单位从事通信技术研究与开发。从事过的领域包括：移动网络规划、优化，射频部件研发，基站子系统架构研究以及物理层标准跟踪等。无线通信虽然同属于电子信息领域专业，但无线信道、射频、数字中频、物理层算法及算法的硬件实现几个领域间鸿沟很大，故以亲身经历分享自己的技术从业经验，尝试让不同技术领域看通信的全貌。连载的文章将主要结合自身从业背景、技术上的经历和视野，分别给出了移动通信在中国的发展经过、技术发展趋势，以及各技术领域，尤其是无线信道与射频领域的特点和难点。
1G
01
背景介绍
我在90年代初进入运营商从事了1G移动通信制式TACS的网络建设及优化工作，当然1G称谓也是后来赋予的。90年代初期，中国的通信与邮政业务被各地的邮电局一统天下，93、94年前后则因应移动通信发展，内部成立移动通信分局，也是我当时所在部门。故中国的1G时代只有邮电局一家运营。而现在熟知的联通则是1994年7月，由电子部、电力部、铁道部三家投资成立；原邮电局也在90年代末期拉开内部重组的大幕，并经过与联通、铁通等多次分拆、整合，最终成为现在的三大运营商，以及铁塔公司，这是后话。
第一代制式在80年代已在全球规模商用，并在1987年进入中国，以话音业务为主。1G在全球是各自独立的系统，主要的发达国家都推出自己制式，比较有代表性的有AMPS，E-TACS，NMT，J-TACS等。我国在选择制式方面，会有技术、经济和政治等考量因素，TACS与AMPS是1G相对主流制式，两种体制的技术水平和商用规模差别不大，它们之间最大的区别是信道间隔不同，TACS 是 25k Hz，而 AMPS 是 30k Hz，据说选择TACS原因是因为其信道间隔更匹配当时我国使用的各类无线电通信设备的频道间隔。但即使全国统一为TACS，也存在AB网，互不相通，北方以摩托罗拉设备为主，南方实行A制，以爱立信为主，直到1995年才实现了全国模拟移动电话的自动漫游。
当时移动通信对大众还是奢侈品，不仅需要缴纳过万元的初装费，手机也动辄上万，而且可选择款式非常少。建网初期网络容量小，即使有钱买也需要等待几个月。南方的老板喜欢用手抓皮包，装着称为大哥大的手机，露出长长的鞭型天线，就是一种普遍的露富方式。移动通信也给社交带来革命性变化，例如一次局长当着我们面，接听手机时说自己到海南出差了，没空。等等。
网络容量小主要原因是因为网络设备被跨国公司垄断，中国国内产业的严重落后故缺乏议价能力，故价格非常贵，例如一个四单元的定向基站天线就是上万，而且爱立信设备的配套料中更包含垃圾铲、灰尘扫、电缆走线梯等物料，可以预见价格也是本地物料的十倍以上了。外资公司人工成本也比我们高很多倍，早期负责安装的爱立信人员以马来西亚、巴基斯坦为主，也有个别来自瑞典，在九十年代初期绝大部分老百姓年收入在1万以内下，瑞典的一个基站安装工程师年薪就折合人民币四十万，而且出差都可以入住当地最好酒店，可见毛利之高，中国消费者负担之重。可以参考当时爱立信中标英国vodafone的100个TACS基站的蜂窝移动网络交钥匙项目案例，该项目总价3千万英镑，即单站设备加工程平均价格30万英镑，起码十倍于现在4G甚至5G的单站成本，更不用说单用户成本。作为对比，中移动于2020年3月刚公布旗下28个省第二阶段5G机基站招标结果，承建每个5G基站平均价格为18万人民币。建网成本制约着网络规模和建网节奏。广东省的TACS共进行了十四期的扩容，大概1998年才完全停止网络扩容，但最终网络容量也仅达到100多万户，要解决更大用户容量，还需要下一代制式了。1G时代，与现在基站选址普遍困难相比，当时各地方政府是求着移动公司来建基站，一些镇区开通基站后更是会在当地媒体大肆宣传，而且当时大多的基站设在邮电局的局用大楼，即使在外租用的很多也是事业单位的大楼。
02
1G技术缺点及网络设备
1G语音采用模拟调制，信令则既有模拟，也有数字的，但数据速率非常低，例如TACS仅为8kb/s，故无法作为业务数据。1G技术上决定了只支持语音服务，业务单一，而且模拟调制抗干扰性不佳，串音是经常遇到的问题，故载干比C/I要求高于数字系统，导致频率复用效率低，相同频率带宽下可支持用户容量也就低。保密性差，容易被窃听，当时广东省采用爱立信的RBS 883基站，在每个载波板上即可输出通话的音频，当时就听闻有晚上值班人员以窃听通话为乐。但1G更致命的是盗号严重，例如当时到广州文化公园的电子批发市场，大约1000元就能买到修改手机ROM的设备，只要知道合法手机的机身IMEI号和电话号码，则可以并网盗用该号码的资费，而且在网管无法鉴权合法手机，谁的信号好、接入速度快则优先接入；当然也相当部分一个号带多台手机是有意为之，例如有老板有意通过自己手机号码改出多台手机给员工用，这些手机只用于拨出，但配合寻呼机下不失一种低成本的移动通信方案。鉴于盗号严重，各地公安机关更专门成立打击盗号专案组，甚至有专门的民警派驻当地邮电局。
全国的TACS共采购两家设备商建造两张网，即摩托罗拉覆盖21省市的A网，以及爱立信覆盖15个省市的B网，这个是由于中国地域广省份多，若当时只采用一个厂家设备，肯定会出现供货不及时且价格偏高，但两张网间的漫游在相当长时间还需要人工操作。TACS网依附于PSTN网，每一个移动交换局均相当于PSTN的一个端局，移动交换局间接续均需要经过PSTN完成，而移动用户的电话号码则相当于一个市话号码，交换局局号为90。
广东当时采用爱立信的设备，模拟制式的设备体积大，耗电大，故每个站都配有1~2个笨重的电源柜和异常沉重的后备电池组，当时的机房基本选在当地的高楼，有些甚至在山上，可以想象若没有电梯、甚至没有公路下搬运这些近一吨的电池的情景。基站维护也不方便，例如电池还并非免维护的；设备方面，由于收发信板出来的语音还是模拟，其回传采用2Mbps的E1电路，故需要跳线架，将30路语音汇集到一根E1，这种很土的密密麻麻的跳线架与移动通信的高大上形象的确有点不相称。
与现在广泛应用的RRU不同，那时的基站都是室内设备，一个每扇区载波数大于32的较大站点，基站室内面积就差不多需要40平方米，而且与基站天线距离有时会远达上百米，射频电缆成本高，损耗大，防雷难。由于采用频分多址（FDMA）机制，最早期的基站在开通时，除了常规的定义信道频点，还需要根据分配的频点对射频前端的组合器（也称合路器，由不同谐振频率的滤波器组成）进行频率调谐，网络优化若涉及频点更换，也需要到现场更改，不仅繁琐，还需要佩带昂贵且笨重的设备；后来爱立信基站才推出了自动调谐的组合器从而省却了人工的调谐。组合器将最多32个信道合并到一个天线，当多于32个则需要增加发射天线，而且当时还发射与接收天线还是独立的，故话务量大的基站，每个扇区至少需要两根发射天线，两根用作分集接收的接收天线，对于三扇区站点，总共需要12根天线，而且由于采用单极化天线，天线间有严格的最小距离要求，故天面空间要求大。
概况来说，跟现在基站相比，1G基站设备工作在室内且占地面积大，耗能高，互联线多，天面空间要求大，开通及维护成本高。
03
1G时期的产业状况
在移动通信主设备方面，中国的1G时代是以摩托罗拉与爱立信为代表的外资时代。与摩托罗拉不同，爱立信是从当时固网的交换机，看到了移动通信市场发展前景，从而在上世纪80年代初即扩展到移动通信。爱立信在国内耕耘多年，1G时代已经启动国产化，通过与南京熊猫以及广州无线电厂等合作生产、维修基站设备，从而大幅降低成本，提高了竞争力。
手机方面，国内市场基本被进入中国市场早的摩托罗拉垄断，摩托罗拉的8800/8900系列更是大哥大的代名词，继8000系列后，摩托罗拉后来推出首款翻盖式的9900，能保护按键不会被误按，该手机尺寸与重量相对8800/8900系列大幅降低，成为了当时的一代名机，更成为女性专宠，但价格也高达2万人民币，快追上当时三线城市的一小套房子了。该机的翻盖容易损坏，最早维修费用高达上千，但毕竟就是个注塑件，故冒出了不少非正品配件，维修费用才显著降低。相对摩托罗拉的笨重，爱立信也推出了以EH237和EH238为代表的手机，以及诺基亚的121，相比摩托罗拉，这几款手机更小巧精致，给人耳目一新的感觉，已经完全可以揣到裤袋里。由于1G的用户号是与每台手机一一对应，故手机销售基本由邮电部门承包，可选择型号很有限，若手机丢失了也需要到邮电局报失和重新做用户资料。与现在相比，当时手机维修算得上是高级职业，收费高，技术门槛高，规模的维修点基本都是邮电部门的第三产业承包，其维修员也大多是本科生。模拟手机射频与中频部分的集成度远不如现在，故障率也高，此类故障若没有投入昂贵的频谱仪或综合测试仪则很难定位，而一般个体小店能配个最高频率几百KHz的示波器已经算是高投入了，故维修业务上难以跟财大气粗的邮电部门竞争。
1G时代，国内产业界的参与度很低，主设备和手机完全是外资天下，当期的华为主力还放在数字交换机上，但也仅在农村的小容量局用机房看到过其交换设备。中国的巨大移动通信市场与国产品牌的全面缺失显得很不对称，该局面在2G及以后才得到改变。在个别非核心配套部件能零星看到国产品牌，例如广东京信在小功率直放站，广东通宇通讯在个别的直放站天线和个别全向基站天线有零星供货，以及类似光宇等在后期个别站点的备用蓄电池，等。手机上的国产产业集中在配件和电池等，也培育了一些类似飞毛腿之类的手机配件品牌。
1G时代的国内产业现状主要与当时中国的工业基础，以及1G缺乏全球标准、网元接口不统一等密切相关。移动通信主设备需要高强度的持续研发投入，具备对较长的产业链的整合能力，而且当时主流设备商都有自己的芯片部门，关键的处理芯片都需要自研。可见，能承担主设备研发与制造的必然是大公司，而中国在8、90年代上规模的企业单位基本以国企和各部委下属研究单位为主，体制上就很难在跨国巨头中突围，加上中国当时严重缺乏芯片设计与制造能力（虽然已有类似无锡华晶的芯片加工企业，但远远满足不了）。所以国内企业先从低值非核心配套件做起也是必然选择，即使这样也能获得不低的利润，也的确因此培育了一批企业。无线通信在80年代末期已经是很热门的大学专业，但实际毕业后能从事无线通信研发的是少数，选择到当时的邮电体系，或者外资的非核心技术岗位的更多；而其中射频方向专业的更尴尬，当时除了少数雷达、航天所能真正发挥技术所长，在体制外很难找到对口的研发工作，这些都侧面反映出当时中国是严重缺乏主设备研发的产业及人才基础。
最后，在国产化方面，值得一提的是比1G出现更早的单向移动通信工具寻呼机，当时开户大概1000~3000元不等，月租也很低，属于当时普通大众可负担范围，结合满街的公共电话，可很大程度上低成本地解决通信的移动性。早期的寻呼台以人工台为主，例如移动分局内部门人员最多的就是俗称的call姐。在往自动寻呼发展中，国产设备已经占据了主力，算是记忆中通信设备国产化的成功例子。
04
1G的落幕
第一代制式技术落后，仅提供话音服务，业务种类单一，技术上存在容量不足，无法满足大规模的接入，制式不统一导致无法跨网漫游，模拟制式固有保密性差等问题，但作为国内第一个大规模商用的网络，蜂窝技术以及网络运维得到验证与锻炼，巨大移动通信的市场潜力被挖掘并点燃，正式拉开了蜂窝移动市场的序幕，故在1G规模建设不久即开启2G网络的建设。
发达国家及地区在90年代中末期即已启动了模拟网络的退网和转网，例如香港要求1997年7月1日前所有模拟网必须转为数字网。中国模拟网在上世纪90年代末期已经基本没有新增用户，也停止了网络扩容，甚至通过网络整合等降低运营成本，最终在2001年底彻底退出市场，部分设备支援给非洲，而对应的频谱也分给中国移动的GSM网络使用。中国的模拟网退网较晚，这也是中国地域差异大，经济及通信产业落后等多重因素决定。
2G
01
制式介绍
1G虽然主流制式技术上支持漫游，但实际由于各国单打独斗，制式不同而无法实施，统一标准成为下一代制式的迫切需要，故标准制定也需要一个跨越国家的组织来实施。
2G时代全球仍分为几个标准，主流包括美国的D-AMPS和后起之秀窄带CDMA，日本的PDC以及欧洲的GSM，但其中GSM由于启动早，支持的国家多而在2G时代一枝独秀，并最终占据高达80%的全球份额。除了CDMA外，其余三种都是基于TDMA的多址方式，这也是2G时代的主流技术。
为了实现欧洲统一的制式，欧洲电信标准协会(ETSI)技术委员会下的移动特别小组(Group Special Mobile，GSM)于1982年成立，开始GSM标准的制定。这也是技术演进固有节奏，即在上一代完成标准制定并开始商用后，即启动下一代的演进技术研究和标准立项。GSM成立标准组织时，还没有决定用数字还是模拟，但针对移动通信的1G硬伤：制式不统一频谱不统一，作为考虑全球漫游需求的标准，首先是统一了900M这个频谱；到80年代中期，针对各种多址技术并最终选用TDMA。在ETSI强力推动下，GSM第一版的标准在1992年即冻结，并被业界得到最广泛认可和接受。GSM的网元接口具有开放性，使网络中使用不同厂家组合成为可能。最终全球仅少数几个国家没有部署GSM，成为了2G时代事实上的国际标准。GSM的成功固然有1G的铺垫，但更多得益于制式得到广泛认可后参与厂家众多，产业链丰富，成本得以大幅下降。GSM的成功也超出了很多通信工作者的预期，以至于90年代中期就曾有预言手机用户最终会多于固话用户，这个在今天看来理所当然的结论，在当时可是颠覆性的，很多从业者都没有想到个人通信时代会来临的这么快。
D-AMPS制式标准由美国主导，并想通过大量存量的AMPS用户升级来实现，与GSM相比，其最主要的特点是与第一代AMPS模拟网可以共存, 并宣称可以相对经济的方式逐步地将AMPS平滑过渡到数字网络, 例如美国AT&T在美国提供850与1900MHz的双频双模服务，使用双模手机即可工作在模拟AMPS或数字D-AMPS的两个频段，这个也是我所知的首次双模手机商用。但无奈D-AMPS起步就输给GSM，导致最后市场份额差距越来越大。
PDC作为日本标准，诞生于日本通信与电子工业最发达时期，日本政府从产业战略角度考虑，想通过主导通信制式标准占领国际通信市场的高地，但也导致了在标准制定就具有一定封闭性，由于技术上并没有突出先进性，加上日本国际影响力与美国无法相比，导致主要应用局限于日本，我理解算是一个失败的制式，也一定程度耽误了日本设备商的国际化而最终在后面制式竞争中陆续出局。
CDMA作为2G时代的后起之秀，面世后受到很大关注，尤其通信大拿Viterbi的代言和背书，让国内部分产业人士有相见恨晚的感觉，后面会有专门章节讲述该段历史。
02
GSM的建设
1G从部署到最终全部退网经历了十多年，即1G在很长时间内与2G共存，故GSM的初期站点基本首先选择与TACS共站。广东省在1994年左右启动GSM的试验网，入围了四家，包括爱立信、西门子、北电和意大利的Italtel，我当时负责配合Italtel工程师开通其中一个实验基站，被派来的是一位意大利老头子，和我交流最多的不是工作而是本地有啥景点，并经常让我给他做导游，与爱立信的工程师相比太显拖沓，故后来商用网被淘汰我也不感意外。广东省移动在首期工程最终选中爱立信为主要设备商，西门子则在DCS 1800MHz扩容工程上也占有一定份额。摩托罗拉在GSM时代相比1G时的风光无限则显得低落很多，据了解由于1G的巨大成功，内部的模拟部门权力很大，在经费、人力上都阻碍着数字系统的开发，从而拖了后腿。虽然在90年代末期，以华为和中兴为代表的国内企业也推出了GSM的基站及交换设备等全套自主设备，但外资垄断局面也直到好几年后，才开始从小量到规模进入市场。
GSM 900才开通不到两年，用户增长比预期快，900M频点已经不够了，故开始考虑1800MHz段的扩容。2000年左右则开始部署GPRS网络，主要供应商仍为爱立信。GPRS网络也让通过手机收发电子邮件，在互联网上浏览等变得开始普及。
中移动的GSM网络虽然94年即开始建设，但由于3G进度一再推迟，到最终拿到TD-SCDMA牌照后，网络建设和优化也很折腾，即使到了4G初期也存在语音服务问题，导致GSM/GPRS网络“超龄”建设，扩容足足持续了十多年，也因此打造出一张全球用户最大，覆盖最完善之一的移动通信网络。即使技术不断变革，这张网预期将还会在一段时间内继续作为中移动一张无缝覆盖的、基本服务保障的基础网。由于至今依附在这张全球最大网络上的存量用户和服务还十分巨大，最终的退网也必然是个渐进的过程，包括先逐步地对GSM频点退频重耕，且新扩容设备必须要考虑投资的连续性和可演进性 ，例如多制式基站是更合适的选择。但若放眼全球，GSM的退网早已经启动，例如早在2015年德国就对GSM到期的900和1800Mhz频谱重新拍卖。
到了90年代末期和21世纪初，广东室外基本实现了连续覆盖，接着开始进行一轮声势浩大的室内覆盖和深度覆盖，几年下来给国内产业创造出一个巨大的室内分布市场，一大批国内厂家，包括京信，国人，武汉虹信等也在该时期冒出。但室分系统往后也有发展的陷阱，分布网络及终端天线门槛低，重点是工程，早期盈利点则在数字直放站，但过去曾20万一台的大功率直放站，几年后不但市场需求大为萎缩，售价也断崖式地降到1万左右。故后期不少室分公司也往基站天线、专网小基站、塔上滤波器等方向扩展和转型。
联通94年成立后，也启动了GSM建设并于1995年7月开通，但总体网络投资不如移动，而且联通基站建设初期，由于缺乏基础网络，大量采用微波的无线回传，在暴雨或雷电下难免有传输的恶化。另外，联通成立初期作大量社会招聘，虽然也吸收了个别原邮电体系人员，但更多是形形色色的相关行业人员，电信业务方面的运营经验及内部管理都不如邮电体系的中移动，导致用户数和网络口碑都差于移动，更多靠打资费优惠的牌，这种口碑也一直延续到后面的3G和4G。中移动刚完成从电信的剥离后的那几年，移动优势还在持续扩大，估计那几年也是移动员工待遇对比联通员工待遇差距最高的几年了。但不管移动还是联通，GSM时代算是移动通信运营商最风光的时代，尤其当时能进入一线城市的中移动公司编制相当难，收入也明显高于当地的做固话和数据传输的电信公司和绝大部分企业。虽然那时候华为、中兴等已崭露头角，尤其华为员工收入也已相当高，但总体上若论社会地位还是不如中移动的员工。
联通的出现带来了移动通信市场竞争局面，一部手机的初装费也因此从90年代初期的2万降到98年的3000，月租150，当然还是双向收费。降价后进一步带动用户数连年大涨，97年新增的移动用户数目已经首次高于新增固话用户。但相比香港和澳门，普及程度还是有明显差异，95年到澳门，看到街上卖水果的摊主都每人一部手机，还是着实让我吃了一惊。
爱立信早期基站是RBS200系列，后期是RBS2000系列，跟TACS基站相比，机柜尺寸明显降低了，安装也更方便，基站的占地面积相比有了不少的节省。后期产品进一步紧凑化，总体上单机柜完成全部基站功能，并推出室外机柜，进一步降低站址要求。早期GSM900与DCS1800分开机柜，后来也实现了双频基站。基站设备总体趋势是设计上模块化、高集成化并降低互联；功能上多频化、多模化，后者就是Single概念，很早就有而且也容易理解为一种技术潮流，但爱立信担心Single化会做小了宏基站的市场蛋糕，故在这方面犹豫，被华为的singleRAN抢了先机，后来事实证明并没有做小蛋糕。
同样的故事也发生在射频拉远（RRU）基站的商用上，基站设备分为基带处理与中射频模块，爱立信很早（不确定是否最早）提出将中射频模块独立到室外，但碍于技术难度，以及缺乏足够的变革动力，结果由华为将RRU方案做起来，并获得很大成功，进一步简化了站址的要求和安装，而且给网络扩容、升级带来很大便利。RRU和singleRAN的成功是华为迈向主流供应商的一个重要转折点，其中的故事非常多，但这里不展开了。
未完，待续...
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