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信息技术发展历程(通信技术32年发展史)

科技杂谈 2021年07月06日 16:18 19 204科技

  1987年中国正式进入1G时代,2019年中国正式进入5G时代,已经大大落后,现在全面超越美国。今天,我们将谈谈中国通信32年的发展历史。

  信息技术发展历程(通信技术32年发展史)

  自从香农提出信息论以来,细胞系统的概念和理论是由贝尔实验室等单位在20世纪60年代提出的,但由于硬件的限制,在20世纪70年代才正式发展到产业化。移动通信的转型在北美、欧洲和日本几乎是同步的。

  1978年,贝尔实验室的科学家成功测试了AMPS,这是世界上第一个真正大容量的蜂窝移动通信系统,能够随时随地进行通信。这标志着1G时代的到来,世界正式进入信息时代。信息技术革命逐渐蔓延到以美国为核心的其他国家。

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  20世纪80年代中期,欧洲和日本建立了自己的蜂窝移动通信网络,主要包括英国的ETACS系统、北欧的NMT-450系统、日本的NTT/JTAC S/NTACS系统等。

  摩托罗拉在1973年发明了第一部手机,后来成为AMPS系统的主要设备供应商。

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  可以说,在模拟通信时代,无论是移动通信领域还是处理器领域,摩托罗拉都是1G模拟时代的王者。

  中国在1G时代可以说是落后了。1987年,在广东第六届全运会上,蜂窝移动通信系统正式上线,标志着1G时代的到来。

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  1G模拟时代,中国通信市场被外国垄断。因为1G模拟时代没有统一的标准,每个国家都推出了自己的通信系统。日本NEC和富士通、美国朗讯、加拿大北电、瑞典爱立信、德国西门子、比利时BTM、法国阿尔卡特等7个国家共8个型号或网络垄断了中国通信市场。这个时期也叫七国八制时代。

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  使用老式交换设备的操作员

  此时的中国,在通讯领域完全被外国钳制。1990年,中兴通讯在专用小交换机上开发的第一台ZX500问世,逐渐打破了西方的技术垄断和壁垒,但市场仍由外国企业主导。

  1G模拟时代有很多技术和制度上的限制,比如没有统一标准、业务量小、质量差、完整性差、不加密、速度慢等。

  为了解决第一代蜂窝移动通信系统的技术缺陷,采用数字调制技术的第二代蜂窝移动通信系统(也称为2G系统)在20世纪90年代应运而生。主要使用工作在900/1800MHz频段的GSM移动通信网和工作在800/1900MHz频段的S-95CDMA系统网提供的语音和数据业务。

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  GSM是欧洲标准。因为1G时代被美国控制,当时数字通信刚刚起步,欧洲国家吸取了自己方式的失败教训,加强了内部联盟。1982年,他们成立了移动专家组,在全球推广基于时分多址的全球移动通信系统。

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  全球移动通信系统框图

  1991年7月1日,芬兰总理利用诺基亚和西门子,通过Radiolinja(一家由当地电话公司和金融机构投资的合资企业,后来被Elisa收购)运营的网络,建造了第一部GSM商用电话,标志着2G时代的到来。

  主导1G的美国自然也不甘示弱。老梅创造了三套通信系统:其中两套也是基于TDMA技术,第三套是高通推出的码分多址技术(CDMA)。当时正处于黄金时代的日本也推出了日本小灵通标准。

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  CDMA)

  而直到1993年,我国第一个数字移动电话通信网在浙江省嘉兴市开通,1994年7月,2G牌照发放,这才正式标志着中国进入了2G时代,2G时代,中国形成了运营商七雄(电信、移动、联通、卫通、小网通、吉通、铁通)争霸的格局。三大集团在世界最大的移动通信市场——中国,展开激烈争夺。中国大规模采用GSM标准后,助力GSM在全球市场获取优势地位,欧洲的爱立信、诺基亚、西门子、阿尔卡特等企业也凭此发展成为通信业巨头。

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  2G网络优化时间很长,我国也因此建成了世界上覆盖最好的2G网络。

  这个时候,华为、中兴也开始慢慢起步,中国的通信技术也得到了进一步的发展。凭借着在1G、2G时代都掌握了话语权,美国的经济在九十年代进入了腾飞阶段,到2000年3月,一个新的纪录在美国经济史上产生,这就是美国经济连续107个月保持增长,在这时期,高通替代了摩托罗拉成为了代表美国的新通信霸主。

  欧洲GSM的领先,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。诺基亚和爱立信成为全球领先的通信设备商和手机厂商,欧盟进入了高速发展的10年。

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  随着数据业务(尤其是多媒体业务)需求的不断增长,2G系统在系统容量、频谱效率等方面的局限性也日益显现。而CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。

  2000年5月,国际电信联盟正式公布第三代移动通信标准,它主要利用第三代移动通信网络提供话音、数据、视频图像等业务,并包含了第二代蜂窝移动通信系统可提供的所有的业务类型。

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  2g/3g无线接入网络架构示意图

  3G是高速IP数据网络时代。从这一代开始互联网技术开始利用,各种数据通过移动互联网高速传输,音频,视频,各种多媒体文件等。移动互联网速度大幅提升,移动高速上网成为现实。

  欧洲方面,原本推行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。为了绕开高通的专利陷阱,3GPP小心翼翼地参考性能优异的CDMA技术,开发出了原理类似的WCDMA。

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  欧洲也是世界上最早开始大规模运用3G网络的地区,2000年就开始了。但因为拍卖牌照花费甚巨,加之3G网络的前景并不明朗,导致欧洲运营商在建设3G网络时,一直犹豫不决,最终导致了在3G时代的落后。

  而美国高通则推出了CDMA2000,1998年6月29日,中国大陆地区原邮电部电信科学技术研究院(现大唐电信科技股份有限公司)向国际电信联盟(ITU)提出了TD-SCDMA标准。

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  2008年5月,ITU正式宣布将中国提交的TD-SCDMA,与欧洲主导的WCDMA、美国主导的CDMA2000并列为三大3G国际标准。

  2009年1月7日14时30分,工业和信息化部正式发放三张3G牌照。中国移动获得TD-SCDMA牌照;中国电信获得CDMA2000牌照;中国联通则获得了WCDMA牌照,至此,我国正式进入3G时代,

  相对于另两个主要3G标准(W-CDMA和CDMA2000),它的起步较晚而且产业链薄弱,发展过程较为曲折,TD-SCDMA网络可能是有史以来最短命的一张3G(第三代移动通信)网络,距2009年1月3G牌照发放,TD-SCDMA网络从2万个基站开始踏上商用之路,不过短短五年,但是TD-SCDMA网络为4G的发展奠定了基础。

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  在这一时期,三大国际标准中的CDMA网络相比其它二者具有频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等优势。更重要的是,CDMA成为3G网络时代的根本底层技术,也同时引发了智能手机革命,可以说,没有高通公司在CDMA技术上的创新,我们就无法跨越到移动互联网时代。高通因此稳固了通信巨头的地位。

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  第四代蜂窝移动通信系统又被称为4G系统,它是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视相比不相上下的技术产品,是真正意义的宽带大容量的高速蜂窝系统,支持交互多媒体业务、高质量影像、3D动画和宽带互联网接人。

  4G时代的核心技术是OFDM,它具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力,能够以lOOMb/s的速度传输,是移动电话数据传输速率的1万倍,是拨号上网的200倍,是3G移动电话速率的50倍。

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  如果说3G能为人们提供一个高速传输的无线通信环境的话,那么4G通信就是一种不需要电缆的信息超级高速公路,这种新网络可使电话用户以无线及三维空问虚拟实境连线。 4G通信给人们带来了真正意义上的沟通自由,并彻底改变了人们的生活方式甚至社会形态。

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  2009年初,ITU在全世界范围内征集IMT-Advanced候选技术。2009年10月,ITU共计征集到了六个候选技术。这六个技术基本上可以分为两大类,一是基于3GPP的LTE的技术;另外一类是基于IEEE802.16m的技术。

  2012年1月,正式审议通过将LTE-Advanced和WirelessMAN-Advanced(802.16m)技术规范确立为IMT-Advanced(俗称"4G")国际标准,我国主导制定的TD-LTE-Advanced同时成为IMT-Advanced国际标准。

  总结而言,4G包括TD-LTE和FDD-LTE两大方案,TD-LTE 即 Time Division Long Term Evolution(分时长期演进),是由阿尔卡特-朗讯、诺基亚西门子通信、大唐电信、华为技术、中兴通讯、中国移动等共同开发的第四代(4G)移动通信技术与标准,简单来说,TD-LTE 是由中国倡议并主导的4G方案。

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  TD-LTE无线技术原理

  中国通信产业克服了技术、产业、组网、测试、组织机制五大挑战,突破重大核心技术,提出并主导TD-LTE国际标准,实现了全产业链的群体突破,并在全球广泛应用,实现了我国移动通信“从边缘到主流、从低端到高端、从跟随到领先”的历史性转折。TD-LTE成为国际主流4G技术,在数十个国家部署了上百张商用网络,实现了全球广泛应用。在2016年度国家科学技术奖励大会上,“第四代移动通信系统(TD-LTE)关键技术与应用”获得国家科技进步奖特等奖

  FDD-LTE则是由美国主导研制推广版,2010年初,AT&T和Verizon利用在2008年竞标中赢得的700兆赫(MHz)频谱迅速在全美部署LTE。在这一部署的基础上,美国成为(继芬兰之后)第一个拥有LTE综合网络的国家,LTE网络的性能大约是当时3G网络的10倍。

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  WiMAX 也是一种4G方案,可惜后来没有推行开

  这种性能上的进步推动了智能手机的迅速普及,这种新型手机不仅可以传输更多内容,而且速度更快。Apple、Google、Facebook、Amazon、Netflix等无数美国公司都针对这一频谱开发了新应用程序和服务。随着LTE技术在其他国家部署,相应的手机和应用程序也得以在全球推广。这一举措助力美国取得无线和互联网服务领域的全球主导地位,并创造了一个由美国领导的无线生态系统,美国国防部和世界其他地区近十年都在使用这一系统。

  FDD-LTE也成为当前世界上采用的国家及地区最广泛的,终端种类最丰富的一种4G标准。2013年全球共有285个运营商在超过93个国家部署FDD 4G网络。

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  谷歌生态

  可以说,基于PC和互联网的标准,从架构到核心协议此前均由美国来定义,进而导致美国在整个互联网产业占据绝对优势地位,英特尔、IBM、微软、Google等企业成为全球PC和互联网的主导,在影响世界互联网产业发展的同时,也给美国带来了巨大的经济利益。

  2013年12月,工信部正式颁发4G运营牌照,但中国却后来居上,爆发了移动支付革命,建立起了属于自己的生态网络,移动支付、移动电子商务、共享单车、共享出行、O2O业务发展风生水起。中国的手机制造业得到了极大的发展,全世界绝大部分手机由中国生产。目前,世界十大手机品牌中国已经占据7席,国产手机技术也达到世界一流水平。

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  而在4G阶段,日韩欧虽然4G部署很快,但是并没有贡献自己的4G标准,慢慢开始推出通信技术标准的竞争。

  可以说,在4G时代,中美已经开始了在通信技术上的博弈。

  2017年12月21日,在国际电信标准组织3GPP RAN第78次全体会议上,5G NR首发版本正式冻结并发布。2018年6月14日,3GPP全会批准了第五代移动通信技术标准独立组网功能冻结,这标志着第一个完整版的全球5G标准正式出炉。此次5G标准独立组网功能的冻结,不仅使5GNR具有独立部署的能力,也带来了全新的构架,这意味着5G已经完成了第一阶段全功能标准化工作,标志着5G技术的正式到来。

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  尽管5G的全部标准要到2020年6月才能完成,但是在2019年,全球已经开始了5G的部署。

  全球领域目前采用两种方法部署数百兆赫的5G新频谱。第一种的重心放在6GHz以下的电磁(EM)频谱上(“低到中频段频谱”,也称为“Sub-6”),主要在3GHz 和4 GHz频段。第二种方法侧重于24~300GHz之间的频段(“高频频谱”或“毫米波”)

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  在全球的 5G 押注上,美国只单押注了毫米波。

  而华为提前完成了Sub 6GHz的研发,不仅更加便宜而且信号更好。在国内5G的建设中,已经确认将首先使用Sub 6GHz这一方案,也就是说中国是押注了Sub 6GHz的。

  美国之所以单压毫米波,则是因为Sub-6GHz频段大部分是美国独有的联邦频段,特别是国防部广泛使用的频段。简单来说,就是只能军用,没有办法民用。

  虽然研发的5G毫米波虽然速度更快,高通在MWC的展示中,已经通过运用毫米波技术,达到了4.63Gbps的网络传输速率,这是一个在4G时代无法想象的快速。

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  5G毫米波

  毫米波虽说在速度上让6GHz频段望尘莫及的,然而毫米波存在传输距离短,穿透和绕射能力差,容易受到气候环境影响等缺点。自然环境中,雨水、树叶等都会大大阻碍毫米波的穿透, 而且频率愈高的波段,衰减就愈严重,因此毫米波通常应用在比较短距离的通信需求方面(2公里内),或者遮蔽障碍物不多,空间小的 场景(如家庭或办公室等场合)中。

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  为了弥补衰减严重的缺陷,通常需要使用多天线波束成形技术去补偿收发信号的增益。目前,毫米波通信在射频器件、系统设计等方 面还面临很多难题,比如CMOS技术的硏发、导波管设计、基板设计、 电力耗损问题、晶片内部连接线的长度,以及频率偏差晃动等问题都需要突破。

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  最重要的一点就是,毫米波频率与气象卫星的接近(23.8千兆赫频率),5G网络的大范围铺开建设可能会干扰卫星的观测,这会严重影响天气预报,尤其对大型风暴预警能力降低以及人员死亡产生极大的影响,而且目前毫米波不能提供高密度服务。

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  毫米波频率的大气吸收率(db/km)

  美国宇航局(NASA)国家海洋和大气管理局(NOAA)一直在向联邦通信委员会(FCC)发出警告,称之拍卖的 5G 无线网络频谱,可能对天气预报系统的数据收集系统造成严重的影响,从而影响飓风预测的准确性。NOAA 代理主席 Neil Jacobs 在国会山表示,正在推进的 5G 网络建设,或将天气预报的准确性降低 30% 。

  截至目前,中国的Sub-6G已经进入市场,中国将要在2019年5G建设覆盖中国30%人口。2020年覆盖全部地级市,而这领先了美国3年。(华为董事长任正非的论断)

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  也就是说中国将成为5G技术的领导者。

  全球性的通信标准不仅是一项技术标准,而是关系到产业发展和国家战略。近代以来,移动通信一直是国家关键基础设施和经济增长新引擎,也是科技革命和产业变革的重要驱动力,很多发达国家都将移动通信视之为“构筑竞争优势的战略必争地”。

  1G模拟时代,通信标准把持在摩托罗拉手中,而这也给美国和摩托罗拉带来了巨大的技术红利,美国牢牢奠定了世界领导者的地位,而摩托罗拉成为当时世界唯一的移动通信企业。

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  而在2G时代,因为欧美GSM的领先,美国对世界的控制力和领导力在不断减弱,摩托罗拉等美国企业也丧失了往日的辉煌。相反,在欧洲就兴起了爱立信、诺基亚、阿尔卡特等一批通信巨头,而欧盟在世界范围的影响力在不断地增强。

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  在通信技术的发展下,诞生于1G模拟时代的微软Window作业系统大获成功.奠定了其PC软体霸主的地位,随之配套硬体的美国企业如做CPU的Intel也不断茁壮,也就在这时,wintel(微软与英特尔)的联盟依然占据的PC产业的绝对主导权,英特尔的芯片(硬件)与微软的Windows系统及应用(软件)两者进行最佳结合、协同更新,最终拉动了整个产业。

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  Internet (网际网络)在90年代开始商用(比如催动了EDA工具的诞生),短短几年之间便以撩火之势颠覆了整个IT以及半导体行业。

  在种种条件的催生下,半导体行业迎来新的发展,硅谷涌现了一批新兴的半导体公司,Broadcom、Nvidia、Marvell 。它们在网络芯片、图形处理、Wi-Fi 芯片设计等领域域各有专长。

  而半导体领域的发展,也促进了计算机性能的升级,在吸引众多计算机用户踊跃上网的同时,也吸引人们更多使用计算机,从而促进了3G时代的到来。

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  而在3G时代,美国的CDMA成为3G网络时代的根本底层技术,美国又再一次获得了通信技术的领导权,并且在4G时代得到了彻底的爆发,美国掀起了智能手机革命,引发了扩散全球的智能手机浪潮,组建了以谷歌服务为核心的全球网络生态,全世界都在使用美国的网络生态,美国成功掌握了全球经济的话语权。

  而5G会有什么呢?专利数据公司IPlytics公司发布了5G专利竞争态势报告曾指出:5G将促进数以万计的新产品、新技术和新服务的产生,并将提高生产力,创造新产业。全球5G网络将统一移动通信,并通过物联网(IoT)将万事万物连接到一起。5G技术可以将车辆、船舶、建筑物、仪表、机器和其他实体物品与电子、软件、传感器和云连接起来,嵌入式5G技术将允许机器在物理世界中交换信息、集成到基于计算机的系统中。近年来,3G和4G的专利权人控制了智能手机行业中移动技术的利用方式。因此5G的专利权人也可能通过在各个市场实现5G连接而成为技术和市场的领导者。

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  5G时代的到来,与此前通信技术迭代一样,将标志着新一轮全球经济话语权的洗牌。5G标准的竞争,决定了未来其他地区必须遵循的技术规范和游戏规则,掌握5G标准就掌握了未来国际竞争的主导权和控制权。

  华为中兴无论是在5G核心技术专利、通信设备技术上都远远领先了美国,最近的数据表明,中国在5G标准必要专利、标准贡献度、参加标准会议人数上全方位领先美国。美国在 5G 领域起码落后中国 3 年!

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  而这也意味着中国主导的Sub-6G 成功超越美国主导的毫米波凭借着中国庞大的通信技术市场,中国成为了5G技术的引领者。

  当然,5G才刚刚开始,未来的路还很漫长,让我们一起加油。

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  PS:关于美国5G技术全方面落后于中国,以及美国5G发展失利,资源来源为2019年4月3日美国国防部(U.S. Department of Defense)发布了《5G风险和机遇报告》(THE 5G ECOSYSTEM: RISKS & OPPORTUNITIES FOR DoD)的报告。

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