物聯網之移動通訊的演化史，評論送NB開發闆

摘要   移動通信的發展曆程以及物聯網的展望。

一、移動通信的發展史

從人類社會誕生以來，更加高效快捷的通訊就成為人類矢志不渝的追求。中國古代有飛鴿傳書、烽火狼煙方式傳遞資訊，這些傳遞資訊的方式存在一定局限性。1844年，美國人莫爾斯發明了莫爾斯電碼，并在電報機上傳遞了第一條電報，開創了人類使用“電”來傳遞資訊的先河。1864年麥克斯韋從理論上證明了電磁波的存在，1876年赫茲用實驗證明了電磁波的存在，1896年意大利人馬可尼第一次用電磁波進行了長距離通訊實驗，從此世界進入了無線電通信的新時代，即移動通訊。

現代移動通訊以1986年第一代通訊技術（1G）發明為标志，經過三十多年的爆發式增長，極大地改變了人們的生活方式，并成為推動社會發展的最重要動力之一。

1G：“大哥大”橫行的年代

1986年，第一代移動通信系統在美國芝加哥誕生。1G時代是大哥大橫行的時代，代表公司是美國的摩托羅拉。

1G采用模拟訊号傳輸，即将電磁波進行頻率調制後，将語音信号轉換到載波電磁波上，載有資訊的電磁波釋出到空間後，由接收裝置接收，并從載波電磁波上還原語音資訊，完成一次通話。但各個國家的1G通信标準并不一緻，使得第一代移動通訊并不能“全球漫遊”，這大大阻礙了1G的發展。同時，由于1G采用模拟訊号傳輸，是以其容量非常有限，一般隻能傳輸語音信号，且存在語音品質低、訊号不穩定、涵蓋範圍不夠全面，安全性差和易受幹擾等問題。

1G标準制定于上世紀80年代，全球1G标準有： 

NMT：北歐國家、東歐以及俄羅斯 

AMPS：美國，72多個國家地區采用 

TACS：英國，30個國家地區采用（包括中國） 

JTAGS：日本行動電話系統 

C-Netz：西德行動電話系統 

Radiocom

2000：法國行動電話系統 

RTMI：意大利行動電話系統

中國的第一代模拟移動通信系統于1987年11月18日在廣東第六屆全運會上開通并正式商用，2001年12月31日中國移動關閉TACS模拟移動通信網，1G系統在中國的應用長達14年，使用者數最高達到了660萬。

2G：諾基亞崛起時代

1992年，第二代移動通信技術标準開始了， 2G采用的是數字調制技術，比1G多了資料傳輸的服務，這樣手機就不僅可以接打電話，發短信就成為了時髦的交流方式。

1G的技術标準各不相同，隻有“國家标準”，沒有“國際标準”，國際漫遊是個大問題，第二代移動通信系統（2G）就是要解決這些問題。2G技術研發制定過程中嘗試了很多技術方式，如：時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)、碼分多址(CDMA）。

時分多址TDMA就是基站輪流和手機通信，但是循環非常快，人感覺就像一直在通信。時分多址TDMA的“址”就是輪流分得的發送時間。 

頻分多址FDMA就是不同手機在不同的頻率上給基站同時發送信号，各個頻率互不幹擾。頻分多址FDMA的“址”就是配置設定給使用者的不同車道。 

碼分多址CDMA就是手機都在和基站通信，但是不同手機的信号前帶有自身标簽，基站接收到手機發來的信号後，通過标簽就能分辨信号來自哪個手機。碼分多址CDMA的“址”就是辨別手機的标簽碼。

2G通訊系統有： 

GSM：基于TDMA，源于歐洲、已全球化 

IDEN：基于TDMA，美國電信系統商Nextell使用 

IS-136（D-AMPS）：基于TDMA，源于美國

IS-95（CDMA One）：基于CDMA、源于美國 

PDC：基于TDMA，僅在日本普及

2G時代也是移動通信标準争奪的開始，主要通訊标準有以摩托羅拉為代表的CDMA美國标準，和以諾基亞為代表的GSM歐洲标準。最終随着GSM标準在全球範圍更加廣泛的使用，諾基亞擊敗摩托羅拉成為了全球移動手機行業的霸主。

中國從1996年引進GSM商用，中國主要使用GSM-800, GSM-900, GSM-1800頻段一直到今天。2020年5月工信部強調，要引導新增物聯網終端不再使用2G/3G網絡，同時推動存量2G/3G物聯網業務向NB-IoT/4G(Cat1)/5G網絡遷移。

由于3G是個相當浩大的工程，從2G到3G不可能一步到位，是以出現了中間過渡的2.5G技術。2.5G的系統大緻有：GPRS、EDGE、CDMA1X。2.5G俗稱GPRS， EDGE俗稱2.75G，在中國2.5G指的就是GPRS。2.5G時代的手機可以上網了，雖然資料傳輸的速度很慢，但文字資訊的傳輸由此開始了，這成為移動網際網路發展的基礎。

3G：移動多媒體時代

2001年，3G正式登上了曆史的舞台，2G雖然相比1G大大提升了效率， 但是滿足不了人們對的圖檔和視訊傳輸的要求，是以3G應運而生。采用更寬的頻帶，傳輸的穩定性也大大提高，保證了速度和品質，移動通訊有更多樣化的應用，是以3G被視為是開啟移動通訊新紀元的重要關鍵。

1940年，美國女演員海蒂•拉瑪和她的作曲家丈夫喬治•安塞爾提出一個Spectrum頻譜的技術概念，也稱碼分擴頻技術。1942年8月11日，這項技術在美國通過專利申請，美國國家專利局網站上的存檔顯示這個技術專利最初是用于軍事用途的，二戰結束後暫時失去了價值，美國軍方封存了這項技術。1985年，在美國的聖疊戈成立了一個名為“高通”的小公司，這個公司利用美國軍方解禁的碼分擴頻技術開發出一個被名為“CDMA”的新技術， CDMA就是3G的根本基礎原理。在３G時代，不管是那個國家的标準和技術都是基于高通CDMA，高通的CDMA是核心專利，通信方面一定繞不過去，就像修樓房一定離不開鋼筋水泥沙子一樣，隻要說用３G網絡，就一定會給高通交專利費，這就是行業人稱的"高通"稅。

這個階段，移動通信出現了新的玩家，除了北美和歐洲，中國也開發了自己的标準。

3G的标準有： 

美國CDMA2000：高通為主導提出應用日韓北美 

歐洲WCDMA：主要以GSM系統為主的歐洲廠商 

中國TD-SCDMA：中國移動一家采用

三大标準之外，Intel為首的一批廠商又推出了極具競争力的WiMAX技術，由于中國和歐洲的通訊生産商都一起對付美國WiMAX，連美國高通都不想生産WiMAX的支援裝置和晶片，2010年，WiMAX标準的最大支柱Intel先撐不住了，宣布解散WiMAX部門。

2000年5月， ITU（國際電信聯盟）正式宣布三大3G國際标準，但中國标準TD-SCDMA的技術不成熟，營運商和終端晶片方案商都不支援，但最終國家主推，“中國标準關系到我國移動通信的發展方向，要舉全國之力搞好TD-SCDMA”，是以建設TD-SCDMA網的艱巨而又光榮的任務交給了中國移動，為防止營運商同時有兩張3G牌照，會優先發展更成熟的WCDMA或CDMA2000，導緻TD-SCDMA會被邊緣化，是以重新對營運商進行了重組合并，明确每個營運商隻建設一張網。中國聯通采用WCDMA，中國電信采CDMA2000，中國移動采用中國标準的TD-SCDMA。

這個階段，一個重要的公司上線了——蘋果，同時一代巨頭諾基亞黯然離場。第一代iPhone的釋出，使得智能手機的浪潮席卷全球，以前在電腦上才可以使用的網絡服務，現在在手機上有了更好的體驗，觸屏操控，各類應用軟體開始了不斷更新疊代，人類正式步入移動多媒體時代。

2008年以後，以蘋果手機為首的智能機開始大賣。移動隻能跟着眼紅，卻無計可施。因為高通不願生産TD-SCDMA晶片，是以蘋果手機根本不支援TD-SCDMA網絡（直到後來，才勉強支援）。就這樣移動眼睜睜看着使用者不斷流失，市場佔有率下降，但是也為後續中國通信标準奠定了基礎。

4G：移動網際網路時代

2008年釋出的第四代網絡4G，中國成為标準的制定者之一。4G是在3G基礎上發展起來的，采用更加先進通訊協定的第四代移動通訊網絡。對于使用者而言，2G、3G、4G網絡最大的差別在于傳速速度不同，4G網絡作為最新一代通訊技術，在傳輸速度上有着非常大的提升，理論上網速度是3G的50倍，實際體驗也都在10倍左右，上網速度可以媲美20M家庭寬帶，4G網絡可以滿足遊戲服務，高清移動電視，視訊會議。

4G有兩大技術根基：LTE和IEEE802.16m（WiMax2），LTE是Long Term Evolution長期演進，就是在３G基礎上通過技術疊代慢慢達到４G。

2009年10月，ITU共計征集到了六個候選技術，六個技術可以分為兩大類，一是基于3GPP的LTE-Advanced的技術；另外一類是基于IEEE802.16m（WiMax2 ）的技術，中國送出的候選技術作為LTE-Advanced的一個組成部分。

六個候選技術分别是： 

北美标準化組織IEEE的802.16m（WiMax2） 

日本3GPP的FDD-LTE-Advance 

南韓（基于802.16m） 

中國（TD-LTE-Advanced）（LTE-TDD） 

歐洲标準化組織3GPP（FDD-LTE-Advance）

4G時代，各種各樣的新型移動網際網路公司如雨後春筍般争相出現，人們的生活被徹底改變，生活越來越便捷，4G使人類進入了移動網際網路的時代。

5G：萬物互聯的時代

随着每個人平均擁有的移動裝置的增多，随着越來越多的裝置接入雲端，網絡擁堵已經成為了我們所需要面對的問題。而針對4G網絡阻塞時因為資訊的傳輸率大于信道容量，5G帶來的解決方法就是加大帶寬，利用毫米波，大規模多輸入多輸出，3D波束成形，小基站等技術，實作比4G更快的速度，更低的時延和更大的帶寬，可以同時連結千億個裝置。

5G網絡的主要優勢資料傳輸速率高，最高可達10Gbit/s，比先前的4G LTE蜂窩網絡快100倍。另一個優點是較低的網絡延遲，低于1毫秒，而4G的延遲為30-70毫秒。

5G的标準還未完全确立，在5G階段，3GPP組織把接入網(5G NR)和核心網(5G Core)拆開了，要各自獨立演進到5G時代，這是因為5G不僅是為移動寬帶設計，它要面向eMBB(增強型移動寬帶)、URLLC(超可靠低延遲時間通信)、mMTC(大規模機器通信)三大場景。簡單說就是５G不隻是把速度搞上去就行，還得解決延遲、承受大規模機器同時通信，

提到5G，有一個詞彙雙模、雙載波，包含了目前5G最為大家讨論關心的兩個方面：

（1）雙模指5G網絡的兩種部署方式

NSA（非獨立組網）、SA（獨立組網）

用最簡單的話說就是：SA需要建立5G基站和5G核心網，NSA就是利用4G基站或核心網

（2）雙載波

這個術語說的是5G的兩個頻段區間

一種是6GHz以下，又稱Sub-6GHz，跟目前2、3、4G差不多在一個頻段

一種是在24GHz以上，高頻毫米波（mmWave）

2019年6月6日，工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯通、中國廣電發放5G商用牌照。

曆代移動通信的發展，都以典型的技術特征為代表，同時誕生出新的業務和應用場景。而5G将不同于傳統的幾代移動通信，5G不再由某項業務能力或者某個典型技術特征所定義，它不僅是更高速率、更大帶寬、更強能力的技術，而且是一個多業務多技術融合的網絡，更是面向業務應用和使用者體驗的智能網絡，最終打造以使用者為中心的資訊生态系統。最終實作“資訊随心至，萬物觸手及”。盡管目前來說5G未規模商用，但所有人對即将到來的5G時代是充滿向往與期待的。

二、中國移動通信技術的發展

技術

通信技術基本保持着十年一代，但每一代都有新面孔出現，也有老面孔消失。1G有摩托羅拉，2G有諾基亞、愛立信和西門子，3G有高通、蘋果，而4G和5G則出現了華為。中國移動通信技術，1G空白、2G跟随、3G突破、4G同步，到了5G終于看到了更具創新性的苗頭了，不過這樣引起部分國家的打壓，可能地主收租習慣了，擔心未來得向富裕起來的貧農交租，上司地位被挑戰。關注微信公衆号 嵌入式系統 擷取更多資訊。

營運商

為了發展3G，尤其是支援中國标準TD_SCDMA，根據國家六網合三政策，中國營運商進行了拆分、重組、合并。2008年電信業重組之前，中國移動和中國聯通主要經營移動業務（GSM、CDMA手機業務）、中國電信、中國網通、中國鐵通經營固網業務（固定電話、寬帶），中國衛通涉足航空航天和衛星通信。

2008年重新組合後 

移動+鐵通=新移動，主要經營固網+2G(GSM)+3G(TD-SCDMA)； 

中國聯通和中國網通合并成為聯合網絡公司（聯通+網通=新聯通）主要經營固網+2G(GSM)+3G(WCDMA); 

電信收購原聯通的CDMA網絡，和部分中國衛通，中國電信主要經營固網+2G(CDMA)+3G(CDMA2000)。 

三家營運商都可以提供固網寬帶業務和移動通信業務。

在5G時代，又新增了中國廣電。目前現狀：

中國移動 主要營運GSM、TD-SCDMA、TD-LTE網絡和固網。 

中國聯通 主要營運GSM、WCDMA、FDD-LTE，固網。 

中國電信 主要營運CDMA、CDMA2000、FDD-LTE、TD-LTE網絡和固網。 

中國廣電 主要經營網際網路國内資料傳送業務、國内通信設施服務業務。

三、物聯網與移動通信網

物聯網裝置主要具備如下大特點：

1、設計簡單：系統複雜度低能保證IoT裝置在惡劣環境下正常工作 

2、成本低廉：IoT裝置一般都是成本低 

3、大覆寫範圍：要保證弱信号區域網絡資料能傳輸 

4、低功耗：大部分應用場景都需要使用電池功能

5、低速率：傳輸資料量小，速率低 

6、海量裝置接入：小範圍存在大量終端裝置入網。

盡管用于物聯網的通訊技術很多，但沒有哪個技術有一統江湖的趨勢。

工信部提出建立NB-IoT（窄帶物聯網）、4G（含LTE-Cat1，即速率類别1的4G網絡）和5G協同發展的移動物聯網綜合生态體系，在深化4G網絡覆寫、加快5G網絡建設的基礎上，以NB-IoT滿足大部分低速率場景需求，以LTE-Cat1（以下簡稱Cat1）滿足中等速率物聯需求和話音需求，以5G技術滿足更高速率、低延遲時間聯網需求。

簡單的可以了解為，國家推薦的是NB-IoT和LTE-Cat1，不建議GSM/GPRS。對應大部分物聯網來說，目前低功耗且低成本的4G才是主流，簡稱NB和cat1網絡。

那什麼是Cat.1？它和NB-IoT、eMTC有什麼關系呢？Cat.M1和Cat.NB-1又是什麼？

3GPP組織制定LTE标準，支援為不同使用者提供不同等級的網絡服務能力。在LTE裡提出了重要的QoS（Quality of Service，服務品質）概念。不同的業務，對于不同的QoS，網絡提供不同的帶寬和接入優先級。

除了網絡之外，3GPP還打算給使用者終端（包括手機、可穿戴裝置、物聯網裝置等）也做個分類。2009年3月，3GPP釋出Release8版本、正式提出LTE的時候，同步推出了LTE Cat.1、Cat.2、Cat.3、Cat.4、Cat.5一共5個終端類别。後來，又在R10版本定義了Cat.6、Cat.7、Cat.8。在R11定義了Cat.9、Cat.10、Cat.11、Cat.12。在R12定義了Cat.13、Cat.14、Cat.15。

cat是英文單詞Category的縮寫。意思是類别、種類，不同的Cat表示不同的速率

在LTE發展初期，Cat.1并沒有被業界所關注。随着可穿戴裝置的逐漸普及，Cat.1才逐漸被業界重視。但是，Cat.1終端需要使用2根天線，對體積敏感度極高的可穿戴裝置來說仍然“要求過高”（一般隻配備1根天線）。是以，在R12/R13中，3GPP多次針對物聯網進行優化。

首先是在R12中增加了新終端等級Cat.0，放棄了對MIMO（多天線）的支援，簡化為半雙工，峰值速率降低為1Mbit/s，終端複雜度降低為普通LTE終端的40%。這樣一來，初步達到了物聯網的成本要求。

但是，雖然Cat.0終端的信道帶寬降至1.4MHz，但射頻的接收帶寬仍為20MHz（太大）。于是，3GPP在R13中又新增Cat.M1等級的終端，信道帶寬和射頻接收帶寬均為1.4MHz，終端複雜度進一步降低。而Cat.M1，也就是我們之前常說的eMTC（enhanced Machine-Type Communication，增強型機器類型通信）。

此外，3GPP在R13中同時新增了一個Cat.NB-1，它的接收帶寬僅180kHz。這個Cat.NB-1，就是我們的NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯網）。

eMTC還有一個名字，叫做LTE-M，LTE-Machine-to-Machine，LTE-機器到機器。也就是說，是機器之間用LTE通信，非常直白了，适用于物聯的LTE網絡。

可見，Cat.1、Cat.M1（eMTC）和Cat.NB-1（NB-IoT），這三兄弟都是3GPP定義用于物聯網的。

三兄弟裡面，NB-IoT的速率是最慢的，eMTC次之，Cat.1最快（也就5Mbps）。它們和其它Cat的定位如下圖：