理论教育 移动通信技术的发展历程与应用

移动通信技术的发展历程与应用

时间:2023-05-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:随后他在伦敦成立了马可尼无线电报公司并且在1901年12月首次实现了横跨大西洋的无线电信号发送。德国在1914年一战对英宣战前通过无线电报通知正在海上的德国民用船只到中立国避险,仅此一举就避免了几百万英镑的经济损失。1918年二战结束后,虽然政府取消了无线电技术的军事化,但是美国军方却开始积极推动一个覆盖全国的无线电网络计划。不过蜂窝通信系统的实现前提是移动设备的自动切换技术。

移动通信技术的发展历程与应用

1874年,在波士顿大学任教的亚历山大·贝尔发明了电话技术后和他的岳父加德纳·哈伯德(Gardiner Hubbard)以及助手托马斯·华生(Thomas Watson)共同投资成立了贝尔电话公司,也就是后来美国电话电报公司的前身。因为贝尔最早是从英国苏格兰移民到加拿大安大略省布兰特福德市的,所以他将生产电话设备的业务外包给了他在加拿大老家的朋友詹姆斯·考赫德(James Cowherd),后者成立了北电的前身,也是世界上第一个生产电话设备的工厂。1877年,贝尔在欧洲度蜜月时展示了他的电话技术,引起了德国电报总监的注意,后者发现电话可以直接使用电报网络的基础设施,于是将这一新技术介绍给了德国首相俾斯麦,并且开始在德国寻找能够生产电话的公司。西门子公司第一个响应号召[1],将贝尔的技术进行了改进,推出了哈尔斯克电话,并且很快达到日产200台的速度。1876年,曾经在西门子学习过的瑞典人拉尔斯·马格努斯·爱立信(Lars Magnus Ericsson)在斯德哥尔摩开了一家专门修理电报设备的小店,这就是爱立信公司的前身。1878年,在研究过瑞典进口商从贝尔电话公司进口的电话和西门子的哈尔斯克电话后,爱立信设计出更为先进的电话系统,并且将公司的业务转为电话设备的设计和生产,加入了与贝尔和西门子的竞争。

贝尔电话公司在1885年为了建设覆盖全美的长途电话网在纽约注册了名为“AT&T长线”的独立公司。该公司发展壮大后,在1899年成为控股公司,将当时遍布全美的为不同地区提供地方电话服务的各个贝尔电话公司归拢在一起,成为美国电话电报公司(AT&T)。因为通过一家公司提供电话服务能给电话新用户提供很多方便,所以美国政府在该公司的早期发展上承认了其“天然垄断”地位。

美国电话电报公司形成之际也是无线电技术开始出现之时。1896年,无线电领域先驱意大利工程师古列尔莫·马可尼(Guglielmo Marconi)首次在英国成功进行了14.4公里的无线电通信试验,并取得专利。随后他在伦敦成立了马可尼无线电报公司并且在1901年12月首次实现了横跨大西洋的无线电信号发送。无线电技术在欧美两地开始飞速发展起来。不久马可尼公司通过收购破产的美国联合无线电电报公司成立了马可尼无线电报美国公司。

第一次世界大战影响了欧美无线电民用市场的发展。德国在1914年一战对英宣战前通过无线电报通知正在海上的德国民用船只到中立国避险,仅此一举就避免了几百万英镑的经济损失。后来以英国为首的协约国切断了德国的大西洋通信电缆,于是以德国为首的同盟国更加依靠无线电通信维持联系。美国一开始采取了中立位置,后来在1917年卷入战争,宣战后美国不但限制了民用无线电的使用,而且将当时美国各大公司拥有的无线电技术专利全部划归国有,所有无线电通信器材的生产也转为军事化。1918年二战结束后,虽然政府取消了无线电技术的军事化,但是美国军方却开始积极推动一个覆盖全国的无线电网络计划。美国军方和通用电气合作,通过收购马可尼在美国的无线电报公司和泛美电报公司等经营无线电台和销售无线电设备的公司成立了美国无线电公司(Radio Corporation of America,RCA)。

美国无线电公司成立后和美国电话电报公司在无线电产业中进行了几年的竞争,最后双方握手言和,前者专注无线电市场,后者专注电话市场,双方通过专利共享与通用电气和西屋一起成立了国家广播公司(NBC)。

1925年,美国电话电报公司成立了贝尔实验室,专门从事半导体等当时高新技术的研发工作。此时的美国已经将移动技术应用到其他领域。1920年,底特律警察局成为最早尝试通过无线电向巡警发出紧急情况信号的城市。1928年,保罗·加文(Paul Galvin)投资1500美元在芝加哥成立了一家公司。当时汽车还没有车载无线电,而无线电需要车载电源驱动,所以他开始与人合作设计和生产车载无线电,并将这一产品起名为摩托罗拉[2]。摩托罗拉在1930年和1940年先后推出了车载单工和双工无线电对讲机系统。该技术可以让警察在巡逻时通过车载无线电系统进行通话。1942年,摩托罗拉研制的重达35磅的肩背无线电对讲机系统被美军用在了西太平洋和诺曼底登陆的战役中。摩托罗拉后来的生产和研发都与无线电技术密切相关,其中包括1955年研制成功的全球首个商用大功率以锗为基础的晶体管

二战结束后美国开始尝试推动无线电技术向民用方向发展。1946年,联邦电信交通委员授权美国电话电报公司在密苏里州的圣路易斯通过信号塔设立了一个120kHz的车载无线电通信服务。该服务一共有6条通信频段,每条信道最多可供730人使用。服务开通后很快爆满,有多达2000多人预约等待该服务。不过移动通信的民用业务很快就遇到了进一步发展的瓶颈。当时的美国除了无线广播系统占用了大量带宽外,私人无线电爱好者也很多,这些服务和应用与车载移动通信服务在信道使用方面形成了竞争。所以如何在有限的带宽限制下,提供尽量多的服务成为一个重要的研究方向。1947年,贝尔实验室道格拉斯·瑞(Douglas Ring)和小威廉·杨(William Young,Jr.)发明的蜂窝通信系统使这一问题在理论上得到了解决。

蜂窝通信系统是指将整个通信区域划分成若干个标准六边形状区域,这些区域可以相互拼接,然后用7种不同的无线电信号频率就可以把整个区域覆盖的技术[3]。不过蜂窝通信系统的实现前提是移动设备的自动切换技术。还需要解决的是手机系统与座机系统的连接问题。这意味着用户使用手机时产生的声音信号需要通过手机的移动交换中心转换到座机所在的公共电话交换系统,并且在后面的移动交换信号切换过程中不断维持两个系统之间的联系,所以瑞和杨发明的蜂窝通信系统需要百万赫兹高频信号和计算机的自动处理才能实现[4]

二战刚结束后的美国社会仍然将车载移动通信视为有钱人奢侈品,大众对此没有形成需求,所以一直到20年后的1974年,美国电话电报公司才获得联邦政府的授权在芝加哥和新泽西的纽瓦克对蜂窝通信系统理论进行了实验。该实验取得成功后,联邦电信交通委员会授权地处芝加哥的伊利诺伊州贝尔电话公司在1977年建立了美国第一个与传统电话网相联系的手机网络,芝加哥郊区的橡果公园市成为该网络的基站中心。1978年12月该系统开通后,很快就达到了2000用户的上限。

尽管美国在移动通信的民用开发方面一开始走在了前面,但随后的一步错招却导致了欧洲的迎头赶上。1974年的美国政府对美国电话电报公司的垄断诉讼导致了从1982年到1984年对该公司的分解。分解后的美国电话电报公司保留了生产电话设备和提供长途电话业务的AT&T公司[5],而其地方电话业务则根据服务区域被分解成7个不同的地区性公司。此时摩托罗拉已经研制出世界上第一台便携式手机和后来被众多个人计算机使用的MC6800微处理器[6]。在半导体集成电路方面的技术领先和美国电话电报公司被垄断法律制约的有利条件使得摩托罗拉得以在北美逐渐成型的移动通信市场迅速取得有利地位。

在分解美国电话电报公司的同时,联邦电信交通委员会开始在全国范围内进行移动通信的频谱拍卖。因为刚刚对美国电话电报公司进行了反垄断分解,所以该委员会对即将出现的移动通信市场也采取了分割市场的方法,故意将完整的美国电信市场分割成近100个不同的小市场来发展[7]。这种处理方式有鼓励竞争的积极意义,但是其效果却有悖初衷。极度分割的移动通信市场造成了不同区域之间的漫游极度困难,使得移动通信的一大优势受到了局限。移动用户的通信大多被限制在了自己的居住区域,一旦旅行到另一个城市就无法使用。显然无论用户还是电信公司都希望有一个全国性的网络能够实现跨区域的通信。于是在随后的四五年时间里,这些大大小小的区域性移动通信公司通过兼并和合并等手段,很快就形成了少数几个大公司控制市场的局面,其中分解后的AT&T在1994年控制了大部分市场[8]。(www.daowen.com)

欧洲各国从20世纪50—60年代也纷纷尝试民用移动通信业务,很快它们也意识到了频率复用和呼叫切换是移动通信的关键技术屏障。或许是因为北欧地广人稀的地理条件,移动电信在北欧首先取得了突破。1969年北欧四国(瑞典、挪威、丹麦和芬兰)成立了移动通信合作委员会,开始研发如何在北欧建立统一的移动通信标准。爱立信在这一过程中逐渐成为欧洲电信市场最强有力的公司。

20世纪60年代的电信交换设备主要是以电器技术为主,硬件部分占总成本的70%;硬件部分中,直接投入成本、生产成本和安装成本又占了70%,而且不同国家的电话公司对系统都有或多或少的特别要求。所以,当时的电信设备公司都采取了只控制软件和关键部件,而把设备生产转移到使用公司所在国家生产的方式,这一方式使得竞争地方化,也迎合了当时很多国家要求电话设备在本地生产的要求。70年代随着电子技术的发展,交换设备的软件部分在研发成本中占的比例达到60%,硬件部分中又有55%属于高精电子部件,这使得交换系统的开发成本经常超过上亿美元,需要靠硬件部分的规模生产才能减少高成本带来的价格压力,所以以前的不同国家硬件本地化生产的模式遇到了挑战。当时爱立信的主要客户是中小型电话公司,这些公司需求各异,所以爱立信通过大规模生产统一硬件的方式来降低成本。为了竞争,爱立信研究出了一套软件模块化的方法,这就是将交换设备需要的软件分成不同的模块,然后通过模块之间的搭配来实现不同的用户需求,这使得新系统的软件开发成本大大降低,这一策略使得爱立信成为欧亚市场上最大的电信设备公司[92]。

1981年,北欧四国共同研发的移动通信标准450MHz北欧移动电话服务网(NMT450)首先在沙特阿拉伯进入商业化运营。爱立信为这一项目提供了车载和骆驼载的移动电话设备。450MHz的北欧移动电话服务网陆续在北欧四国和冰岛普及后,成为欧洲大陆第一个具有国家间漫游功能的移动电话网,占据了技术优势。北欧移动电话网是模拟信号网络,也成为第一代移动网络(1GB)。此时的北美采用的是1978年贝尔实验室研制的北美移动电话系统AMPS(Advanced Mobile Phone System)。AMPS也是模拟信号系统,摩托罗拉为其开发了相应的移动设备和手机终端。由于AT&T和摩托罗拉都不愿意开发NMT系统设备,而爱立信凭借在软件模块方面的灵活优势,能够提供NMT和AMPS等使用不同移动标准的交换设备,所以AT&T和摩托罗拉主要占据了北美市场,而爱立信则成为北美以外市场最主要的电信设备提供公司。

第一代移动技术随着大规模集成电路技术的成熟而在20世纪90年代初被全数字信号第二代移动技术(2GB)所取代。

从贝尔发明电话开始,传统的通信传输使用的都是模拟信号,也就是将发送方的声音以高低起伏的声波的形式通过传输介质发送给接收方。因为声波的高低差异在传输过程中有可能因为其他信号的干扰而发生变化,所以模拟信号的传输需要很强的功率来维持信号的准确性,而且传输速度也受到限制。20世纪40年代香农等人发明的脉冲编码调制技术(Pulse Code Modulation,PCM)为解决模拟信号的传输失真和速度问题提供了一条新的途径,这就是将模拟信号数字化[9][93]。

数字移动标准的建立需要集成电路技术的发展来提供支持。20世纪80年代超大规模集成电路技术的发展和成熟使得移动交换设备和移动终端的数字信号处理功能都变得更加强大。欧洲各国从1981年开始组成委员会讨论第二代移动技术的标准,90年代初开始实施,这就是世界上第一个成功商业化的移动通信标准环球移动通信系统(GSM)。该标准后来被包括美国在内的世界各国采用。GSM的出现和流行为北欧另一个通信设备公司芬兰的诺基亚的发展提供了机遇。

诺基亚的发展和芬兰的国运密不可分。芬兰在北欧历史上是一个比较特殊的国家。在1809年之前,芬兰属于瑞典王国的一部分,后来因为1808年瑞典和俄罗斯之间的芬兰战争而被瑞典割让给沙皇俄国。1917年,芬兰趁俄国十月革命宣布了独立。不过随后国内因为亲瑞典和亲苏联两派的分歧又进入了内战,也使得芬兰后来进入既不属于苏联阵营,也不属于欧洲阵营但又和两边都有经济来往的局面。这种局面影响了诺基亚公司的发展历程。

诺基亚是成立于19世纪末芬兰的一个靠制造纸浆起家的传统公司。在后来100多年的发展历程中,诺基亚通过合并和兼并,将业务扩展到橡胶制品、电缆、计算机、电视机制造等多个产业领域。让诺基亚在20世纪90年代末发展成为世界级电信技术巨头的是该公司在60年代将电缆、橡胶制品和纸浆公司合并后成立的电子技术部。诺基亚在1963年为芬兰陆军研发了无线通信电话技术,这是诺基亚第一次涉足无线通信领域。1969年它研制出世界上第一个脉冲调制技术电信设备,这一技术为后来诺基亚领军第二代数字移动通信技术奠定了重要的基础。由于芬兰也是一个小国,所以诺基亚在电信设备市场的发展策略与爱立信非常类似,其主打产品DX 200数字交换机也采用了模块化设计。所以NMT出现后,诺基亚可以很快开发出相应的移动交换机版本。不过诺基亚在60—80年代的主要业务并不是电信设备,它的电信业务是通过1979年与芬兰的电视机制造公司索莱纳(Salora)创办了莫比拉有限公司(Mobira)后发展起来的。莫比拉在1987年为NMT移动网设计的Cityman 900手机因为相对以往的移动手机显得更加轻便和灵活,而且被苏联主席戈尔巴乔夫使用而名噪一时。

当GSM标准在欧盟团结对抗美国的政治背景下成功出炉后,芬兰率先建成了以GSM标准为基础的第二代移动通信网络(2G)。由于GSM使用的是数字信号,无论在耗电量、通话清晰度、抗干扰能力,还是在接收信号敏感度方面的指标都大大优于第一代技术。该标准的另外两个重要的新特色是短信功能和SIM卡的引入。短信服务给手机使用者提供了类似于电子邮件的服务,大大方便了用户之间的交流。SIM卡功能则方便了手机硬件的更新。1992年具有金融管理背景的约玛·奥利拉(Jorma Ollila)出任诺基亚总裁,此时的诺基亚已经面临好几年的财务困难和发展停滞[10]。他将公司的发展策略迅速调整为以GSM为基础的移动手机和通信设备的研发上,将其他业务逐渐剥离出去。这一举措使得诺基亚在20世纪90年代末成为世界移动通信领域最成功的公司。与爱立信专注移动交换和基站设备市场相比,诺基亚在90年代的竞争优势主要是移动手机方面。1998年诺基亚超过摩托罗拉[11],主导了移动手机领域市场的发展,手机产品远销亚欧和美洲。1996—2001年,诺基亚的收入从65亿欧元增长到310亿欧元。

从20世纪90年代中期开始,以第二代移动技术为基础的移动手机在欧洲和亚洲大量普及,大大超过了IBM PC个人计算机在美国的普及程度。围绕着手机所提供的简单的电子商务服务,比如短信广告、铃声下载等服务也蓬勃发展起来。2005年以后随着系统集成技术的进一步发展,手机和个人计算机的界限开始变得越来越模糊。一种计算机智能和手机移动技术结合起来的智能手机技术开始逐渐流行,这一趋势虽然被诺基亚等传统移动设备公司所察觉,但是该领域没有一个公司能够推出具有足够创新意义的产品。而来自其他领域公司的尝试也在昙花一现后被后来者取代,直到苹果手机出现后,智能手机的主导设计才出现,也开启了移动时代的序幕。只不过此时推动移动发展的微处理器架构已经不再是英特尔,而是一个名叫安谋的英国小公司

免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。

我要反馈