㈠ 從2g到4g是什麼原理
圖片來源@視覺中國
文丨產業科技
今天產業科技君來聊一聊從1G到5G的演進，這是一場人類與信息載體的長期斗爭，其背後大國之間關於通信標准爭奪較量，更是蘊含著數不清的暗流涌動。
讓世界分裂，從前核武器能做到的，今天網路通信或許也能做到。從信息的生成、傳輸到接收，人類為了縮短世界的寬度，改變信息的傳遞方式，不斷通過技術將有界限的一切變成趨近於無限。
模擬之王摩托羅拉
說起第一代移動通信系統，就不能不提摩托羅拉。如果說當年AT&T是有線通信之王，摩托羅拉就是移動通信的開創者。
最初，無線通信主要應用於國家級的航天與國防工業，帶有軍事色彩。我們常在二戰電影里看到美國通訊兵身上背的那個重達15公斤的玩意，就是摩托羅拉研發出的第一代跨時代的無線通信產品SCR-300。
直到1973年，摩托羅拉工程師馬丁·庫珀發明了世界上第一台行動電話——大哥大。行動電話是造出來了，傳輸用什麼網路？AT&T公司的貝爾實驗室給出了一個沿用至今的答案，那就是蜂窩網路，也稱為移動網路。
蜂窩網路的原理是把行動電話的服務區分為一個個正六邊形的小子區，每個子區設一個基站，這些基站形成了酷似「蜂窩」的結構，並受一個行動電話交換機的控制。在這個區域內任何地點的行動電話都可以和其他地域進行通信，同時，在兩個或多個移動交換機之間，只要制式相同，還可以進行自動和半自動轉接，從而擴大移動台的活動范圍。
1978年，貝爾實驗室基於蜂窩網路開創了最早的移動通信標准——以模擬技術為基礎的高級行動電話系統（AMPS，Advanced Mobile Phone System），這就是第一代移動通信系統(1G，1st Generation)。
同年，國際無線電大會批准了800/900 MHz頻段用於行動電話的頻率分配方案。5年後，這套系統在芝加哥正式投入商用，許多國家陸續都開始建設基於頻分復用技術（FDMA，Frequency Division Multiple Access）和模擬調制技術的第一代移動通信系統。
同一時期，歐洲各國也不甘示弱，日本、加拿大等國也積極跟進，紛紛建立起自己的第一代移動通信標准。瑞典等北歐四國在1980年研製成功了NMT-450移動通信網並投入使用；聯邦德國在1984年完成了C網路（C-Netz）；英國則於1985年開發出頻段在900MHz的全接入通信系統（TACS，Total Access Communications System）。這些網路實際上是美國AMPS的修改版本，主要是頻段、頻道間隔、頻偏、信令速率不同，其他完全一致。
當時，中國使用的是英國的TACS標准，中國自己的移動通信系統還是一片空白，固定網路設備也全靠進口。
可以說，1G時代的王者非摩托羅拉莫屬，它不僅在全球攻城略地壟斷了行動電話市場，還是AMPS系統的設備供應商，全球超過70個國家應用AMPS標准。這也意味著美國把第一代移動通信標准牢牢把持在手中。
TDMA與CDMA之爭
雖然美國制定了第一代標准，但是1G先天不足。
首先AMPS它是一個模擬標准，很容易受到靜電和噪音的干擾，而且也沒有安全措施阻止掃描式的偷聽，到了90年代，抄襲成為了工業界的流行病，一些偷聽者採用特製的設備可以截取到行動電話的信息；其次，AMPS還存在容量有限、只能傳輸語音流量、系統太多、系統不兼容、通話質量差、設備昂貴、無法全球漫遊等一籮筐缺點。
為了提高通話質量，業界提出2G用數字通信替代模擬通信，提升容量主要有兩種解決方案，時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA），當時歐洲和美國幾乎所有的電信巨頭都選擇了TDMA，只有剛成立的高通在堅持CDMA。
1G所採用的FDMA技術，一個用戶在通話時佔用一個信道。TDMA則可實現在單個信道內服務多個用戶的能力，它將無線信道分成8個時隙，供8個用戶得輪流使用，從而提升了容量。舉個例子，用100Hz表示1，105Hz表示0，但是第1秒給甲用，第2秒給乙用，第3秒給丙用，只要輪換的好，5Hz的帶寬就夠3個手機用，就是延時嚴重點而已，這就是TDMA。
從技術上來看，後來1989年CDMA被證明系統的容量是TDMA的10倍以上，CDMA在各自的信號前面加上序列碼，再揉成一串發送，接收端按序列號只接受自己的信號，就好像快遞員一次性送了一疊信過來，大家按照信封上的名字打開各自的信，只可惜，CDMA系統標准成熟得晚，錯失了先機。
標准這東西就是人多嗓門大、拳頭硬的就贏了，總不能全世界就你一個人跟別人用不一樣的。在2G時代，美國的CDMA輸給了歐洲的TDMA，這也間接成為了摩托羅拉跌下神壇的起點。
各國在TDMA上達成共識，接下來就要討論標准，這時歐洲各國吸取了1G時代各自為政的失敗教訓，1982年，歐盟聯合成立了GSM（GlobalSystem for Mobile communications）負責通信標準的研究，愛立信、諾基亞、西門子和阿爾卡特等電信巨頭都加入了進來。
最初GSM是法語移動專家組的縮寫，後來這一縮寫含義被改為全球移動通信系統，以此彰顯歐洲人將GSM標准推廣到全球的雄心。
可以說，進入2G時代以後，移動通信的技術與應用有了驚人的進步。GSM易於部署，採用了全新的數字信號編碼取代原來的模擬信號，除了語音，支持國際漫遊、提供SIM卡方便用戶在更換手機時仍能儲存個人資料，還能發送160字長度的簡訊。
高通的銅牆鐵壁
但是高通不死心，不得不說，高通確實是個狠角色，在CDMA上孤注一擲。
為了證明CDMA比GSM好用，高通花了數年時間進行實地實驗、驅動測試以及行業演示，高通不僅要做標准，還要做晶元。
當所有人的注意力還在TMDA上時，高通圍繞著功率控制、同頻復用、軟切換等技術構建了專利牆，幾乎申請了與CDMA應用所有的相關專利，從一開始他們就打算獨享利潤，掐死下游公司的脖子。
高通僱傭了一個無比龐大的律師團，律師團們負責申請專利、談專利價格、控告侵權，通過並購、控告對手專利侵權等法律戰，將所有CDMA相關專利收攏過來，使核心專利牢牢掌握在自己手裡，這也是高通「專利流氓」綽號的來源。
歐洲的GSM是開放的，當時是歐洲運營商和愛立信，諾基亞等設備商共享知識產權，不收專利費。但高通是一家公司，他們還把CDMA的演演算法嵌入集成晶元，只要使用CDMA技術的手機，就必須按銷售價向高通交納一筆5%-10%的專利費，這個專利費不是一次性的，是按生產了多少部手機來算，可以說是一個霸王條款，當前中國的小米、OPPO、VIVO等品牌到現在還在交這筆費用。
1994年，高通與摩托羅拉合作在香港建立起全球第一個「小白鼠」CDMA網，但效果和服務質量都太差，更別提歐洲運營商對CDMA的質疑，高通的「保護費」根本沒地方收，這也是早期CDMA干不過GSM的重要原因。
隨著技術的成熟，高通迎來轉機。1990年，高通和電子通信研究院簽署有關CDMA技術轉移協定，高通答應把每年在韓國收取專利費的20%交給韓國電子通信研究院、協助其研究，韓國政府也宣布CDMA為韓國唯一的2G移動通信標准，並全力支持韓國三星、LG等投入CDMA技術的商用化。
1996年底，韓國的CDMA用戶達到一百萬，第一次向市場證明CDMA正式商用的可能性，讓美國一些運營商及設備廠商對CDMA技術開始恢復信心，也讓韓國廠商在CDMA市場上初露頭角。這之後，美國的朗訊、摩托羅拉，加拿大的北方電訊都成了高通的支持者，CDMA在北美登堂入室，運營商Verizon是CDMA的最大支持者，1996年建成了美國第一個CDMA網路。
美國政府還極力向中國推銷CDMA，要求中國引進高通的CDMA技術。據原國家計委副主任張國寶回憶，「美國政府向中國施加了不小的壓力，理由是說中國與美國之間有貿易逆差，要求中國買美國的技術。」
「三國」鬥法
到了90年代，數據量越來越大，2G玩不轉了。
隨著全球手機用戶快速增長，GSM網路容量有限的缺點不斷被暴露，在網路用戶過載時，就不得不構建更多的網路設施。在此背景下，必須要把通信技術進行升級到3G，3G最大的優點是更快的網速，2G的下載速度約僅9600bps-64kbps，而3G初期的速度則為300k-2Mbps，足足提升了30幾倍。
在當時，沒有一種技術被證明優於CDMA。愛立信、諾基亞、阿爾卡特等實力雄厚的歐洲廠商深知TDMA難敵CDMA的優勢，TDMA更難以作為3G核心技術，但誰也不想接受高通霸道的方案。
為了繞開高通的鐵壁銅牆，1998年，愛立信、諾基亞、阿爾卡特聯合歐洲各國廠商成立了一個叫3GPP(3rdGeneration Partnership Project)的組織，商討措施負責制定全球第三代通信標准。
3GPP小心翼翼地參考CDMA技術，最終開發出了3G標准——通用移動通信系統(UMTS，UniversalMobile Telecommunications System)，採用W-CDMA技術，就是寬頻CDMA的意思。雖然還是繞不開高通的底層技術，專利費是交定了，就是多少的問題，
W-CDMA不斷擴展著自己的版圖，1999年開始，歐洲國家基於WCDMA標准，發了不少3G牌照，英國單單通過拍賣5張3G執照而獲得近225億英鎊收入。
這可嚇壞了高通，高通趕緊與韓國聯合組成3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2) 與3GPP抗衡，推出了CDMA2000。
與此同時，在經歷了1G空白、2G追隨之後，目光這時候來到了中國，中興、華為、巨龍、大唐幾家通訊設備商逐漸發展起來了。起初中國是支持歐洲W-CDMA的，在吃了閉門羹之後，這時候中國也想在3G上爭奪一些話語權，天無絕人之路，中國找到了一個突破口：TDD技術。
實際上，無線電通信大會給3G分配的頻率的時候就有FDD（頻分雙工）和TDD（時分雙工）兩種。由於歐洲地廣人稀，基站數量不多，歐洲的W-CDMA是基於FDD技術的，在相同頻率相同功率的條件下，FDD比TDD能提供更好的覆蓋。但是中國人口稠密，基站本來就建得多，所以無人問津的TDD成了中國的突破口。更重要的是，國外廠商關注TDD比較少，中國在TDD領域提自己的標准，成功的希望要大一些。
1998年6月，以大唐電信為主的研發團隊提出了中國自己的TD-SCDMA標准。2000年5月，在國家信息產業部、中國移動和中國聯通等運營商的強硬表態支持下，國際電信聯盟正式宣布將中國提交的TD-SCDMA，與歐洲主導的WCDMA、美國主導的CDMA2000並列為三大3G標准。
雖然與其他兩大標准來比，TD-SCDMA最弱雞，以至於即便在九年後中國移動拿到3G牌照時，中國依然在心裡打鼓，全球建設TD-SCDMA的只此一家，壓力可想而知。
但是，中國對於TD-SCDMA的研發，就相當於通信領域的「兩彈一星」。現在看來，這個戰略是無比英明的，展訊等一批晶元公司逐漸成長起來，從此之後，我們在技術標准上不再受制於人。更重要的是，我們讓西方人明白了一件事，如果在標准制定中不增加中國的話語權，中國完全有能力自己搞一個標准出來，到時候極有可能失去中國市場。因此，歐洲在制定4G標准時極力拉攏中國加入。
標准也有了，按說3G之爭應該如火如荼的進行，但實際上在2000年初，3G建設的推進十分緩慢。因為對當時的人們來說，3G多出來的網速根本用不上，打電話和發簡訊，2G的GSM足夠了。
首先是2000年，IT泡沫破滅。最遭殃的是歐洲，前期投入巨大的3G項目無法暫停，沃達豐、法國電信、T-MOBILE等運營商背負了巨大的財務壓力，法國電信還因為陷入巨幅虧損搞得不少員工自殺了。
美國陰差陽錯躲過一劫，高通的CDMA2000標准出來得晚一些，美國還沒來得及在IT泡沫破滅之前發3G牌照，直到2004年才開始大規模開展3G業務。不過，高通也沒好到哪去，本來靠專利躺著都可以收錢，但是那幾年全球3G市場根本不行，而高通還要養著上千名律師。
華為也在3G上也是受盡折磨。實際上華為做移動通信已經非常晚了，1998年才啟動GSM研發，不過發展速度很快，一年半之後就中標第一個GSM商用項目，當時趁著東南亞金融危機的影響，華為憑借比競爭對手低30%的價格，拿下了東南亞的大片市場。
在GSM上賺到錢的華為對3G充滿信心，投入大量人員和資金攻克3G技術。華為採取了三頭下注的策略，對三個3G標准都進行了技術研發投入，給公司造成了很大的資金壓力，華為迫切希望政府盡快發放3G牌照，哪個標准都行。
很可惜，中國政府遲遲沒有發放3G牌照。當時，中國在3G領域可以說是要啥啥沒有，沒有晶元，沒有手機，沒有基站，沒有儀器儀表，一切都要從基礎做起，如果當時發放3G牌照，無疑將是WCDMA和CDMA2000的天下。
華為當時唯一上量的業務，是用3G數據卡做便攜機上網，數據卡因而銷售火爆。當時華為改進了數據卡，在歐洲大受歡迎。但是賣數據卡賺的錢，和3G研發投入相比仍是杯水車薪，2008年任正非還動了賣掉終端業務的念頭，只是未能成功。
再之後，2007年金融危機爆發，西方電信設備商遭遇當頭棒喝。
大幅虧損的朗訊賣身阿爾卡特，諾基亞和西門子的電信部門合並，後來諾基亞收購阿爾卡特-朗訊，加上北電破產、摩托羅拉分拆出售，到最後，市場上僅剩下愛立信、諾基亞、中興、華為、三星五家主要移動設備供應商。中興、華為啥也沒干，排名就上升好幾位。
LTE一統江湖
這時候，一個穿著萬年不變的牛仔褲和藍色上衣的人，笑微微的走上了歷史前台。
2007年，iPhone橫空出世。史蒂夫·喬布斯用IOS系統和iPhone手機這樣的完美組合重新定義了智能手機，幾乎在同一時間，Google發布了安卓系統，高通發布了第一代驍龍晶元。
iPhone的出現，重塑了終端市場的格局，諾基亞被拉下神壇，曾經的手機大國日本徹底退出了終端市場，而這些空缺都在日後被中國廠商所填補。
iPhone更深遠的意義則在於，APP Store帶動了移動互聯網業務井噴，創業者用APP創造出豐富的內容和業務，人們對網速提升的需求一下子被引爆。經歷了命途多舛的七年之後，3G終於找到了它的歸宿。
隨著智能手機的發展， W-CDMA隨後演進出3.5G的HSDPA、3.75G的HSUPA ，但其中的CDMA技術框架沒有改變。本來照這樣發展下去，以CDMA為核心的技術或許有可能一路稱霸到4G，可惜事與願違。
半途中有一號人物殺進市場將一切計劃打亂，他叫Intel。
IT界的Intel在WiFi上取得成功後野心膨脹，想進一步蠶食CT(通信技術)的地盤。普通WiFi對應的標準是IEEE802.11，搶地盤的標準是802.16，這是一個城域網標准，就是覆蓋范圍更廣大，在商業上的名稱是WiMax。
Wimax採用了OFDM技術。OFDM並不是新技術，早在1960年代貝爾實驗室就發明了，到1980年代建立了比較完整的鏈路技術框架，OFDM技術已經在ADSL，DVB等領域獲得了商用，並且1998年徵集3G提案的時候，也有幾個基於OFDM的提案，但是沒有敵不過高通大法師Viterbi領軍的CDMA陣營。
OFDM通過循環前綴和頻域均衡等不太復雜的技術，有效地消除了用戶間干擾，效果遠遠優於CDMA。
OFDM的重回視野，除了高通以外，眾家電信巨頭都樂得不行：又能有效將4G傳輸速率提升，又能繞過高通的CDMA專利陷阱，終於不用再看高通面子了。
2008年時，3GPP提出了長期演進技術 (Long TermEvolution, LTE) 作為3.9G技術標准。因為技術上需要澄清，加上高通的專利陷井太深，3GPP在2011年提出了長期演進技術升級版 (LTE-Advanced) 作為4G技術標准，准備把W-CDMA汰換掉，轉而採用OFDM。
4G的標准終於統一到了LTE，高通失去了優勢處在危機當中。
高通當然也看到了OFDM的發展前景，手握重金的高通終於發現美國有一個公司叫Flarion，專門研究用OFDM做移動通信，它們開發的系統叫做Flash-OFDM，高通公司立刻在2006年斥巨資8億美金將其收購，「專利流氓」擁有了Flarion的全部專利。
高通主要看中Flarion解決了OFDM同頻復用的問題，採用了干擾平均化的思路，高通的軟切換技術還可以繼續在LTE當中應用。2007年，高通提出了CDMA2000的演進升級版本UMB（CDMA+OFDM+MIMO），想繼續維持CDMA的優勢。
可是高通高興的太早了，被高通專利費虐慘了的LTE，絕不支持高通的方案，將他的軟切換專利全部排除，況且全球覆蓋率最高的基站正是W-CDMA，因此，各大運營商無不紛紛決定採用LTE-Advanced當作第四代通信技術標准。
2005年，LTE陣營新加入了一支重要力量。中國在法國召開的3GPP會議上，大唐聯合國內廠家，提出了基於OFDM的TDD演進模式的方案，同年11月，3GPP工作組會議通過了中國針對TD-SCDMA後續演進的LTE TDD技術提案。
LTE陣營如虎添翼，天平很快就倒向了歐洲這邊。高通眼看著自己在3G所建立的技術體系被摧毀了，UMB因為沒人支持而迅速憋了下去，隔年高通就把UMB停掉、宣布加入3GPP的LTE陣營，4G時代美國不僅沒競爭過老對手歐洲，還眼睜睜地看著中國的崛起，
LTE的核心專利，有SFR，sOFDM，SC-FDMA，Turbo code，Alam-outicode。Turbo和Alam-outicode是史詩級的技術，但是專利已經過期或者快過期了，華為發明了前兩項，在LTE的核心專利上占據領先的地位
自此，中國作為手握4G核心專利的巨頭之一，成為了美國在世界上最重要的對手。
不容有失的較量
4G時代LTE一統江湖，在普及的過程中，5G時代拉開帷幕。
5G通將比4G實現單位面積移動數據流量增長1000倍；在傳輸速率方面，典型用戶數據速率將提升10到100倍，峰值傳輸速率可達10Gbps（4G為100Mbps）；同時，端到端時延縮短5-10倍，頻譜效率提升5-10倍，網路綜合能效提升1000倍。5G的速率可以這樣形容，下載一個文件大小1G的電影，只需要一秒鍾。
5G頻率如此之高，對於我們來說，對5G的印象可能只局限在VR、AR、無人駕駛這些終端應用上，但是站在國家層面來說，在人工智慧方面和大數據領域方面5G也是一個重要的轉折點，它對經濟、軍事、國際關系的重塑，足以用革命性三個字來形容。
那至少是未來十年的國運。
根據「光速=波長×頻率」公式，頻率越高，波長就越短，5G波長可以短至毫米級。再來說增加頻譜利用率，主要通過信道編碼技術來實現，這是「資訊理論之父」克勞德·香農在1948年提出的，同時他還提出了著名的香農極限，即在給定帶寬上以一定質量可靠地傳輸信息的最大速率，信道編碼技術可以實現無限接近但不能超過這一速率。
幾十年來，信道編碼技術經過幾代人的努力，已經越來越接近香農極限。
1991年法國人發明的Turbo碼被認為是第一個接近香農極限的編碼方案。
1996年，有研究表明採用LDPC長碼可以達到Turbo碼的性能，高通公司對LDPC的發展有著不小的貢獻。
2007年，華為的Polar碼由Erdal Arikan教授提出，Polar碼所能達到的糾錯性能超過目前廣泛使用的Turbo碼、LDPC碼，被認為是迄今唯一能夠達到香農極限的編碼方法。
至此，三大編碼已經誕生。在2016國際通信大會上，多家科技巨頭開展了關於5G-eMBB(增強型移動寬頻)領域通訊標准，關於高通的LDPC方案、華為的Polar方案、歐洲的LDPC+Turbo方案的激烈討論，大會圍繞5G技術進行了投票，在Turbo碼徹底沒戲後，歐洲公司開始站隊LDPC碼，原因是他們有更多的LDPC碼專利，從1G到4G，美國、歐洲的利益從未如此統一過，面對強大的對手，美國、歐洲終於在5G時代站到了一起，5G標准之爭從中國與美國歐三國殺演變成了中國和美歐的對峙。
最終，高通以一票的微弱優勢勝過了華為，在5G-eMBB標准方面全面獲勝，而華為僅是獲得了5G短碼的國際標准。當前，在5G的三大場景中eMBB場景的編碼方案已經確定，但URLLC(超可靠、低時延通信)、mMTC(海量機器類通信)場景的標准仍待爭奪。
高通獲得了制定5G標準的專利權後，按照老套路很快就宣布了使用該項專利權要收取的費率標准，不管其他零件晶元用誰的，只要使用了LDPC網路，單模（5G）的手機收取2.275%，多模（5G/4G/3G）收取的費率收取3.25%。
如果以國產手機目前的出貨規模來估算的話，每年最低要給高通支付約三、四百億專利費。
但華為也不是吃素的。2019年6月，德國專利數據公司Iplytics將全球各大公司佔有的5G標准必要專利數量進行排序，全球5G必要專利持有量過百的廠商共有11家，華為以1554個位居世界首位，中興、大唐、OPPO的專利數量分別為1208個、545個和207個，高通的5G專利數量排名第六位，共846個。
去年，華為還要求美國最大運營商Verizon支付超過230項專利的許可費用，總金額超10億美元，這些專利涵蓋了核心網路設備、有線基礎設施和物聯網技術。
雖然華為的專利數量最多，但高通的專利卻更為核心，5G通訊領域中，涉及到了太多的專利技術，多家公司都分別掌握著不同技術的專利權，導致了5G領域出現了一個復雜的交叉授權協議，高通使用華為的短碼標准需要繳納一部分專利費，華為使用高通的5G標准也需要繳納專利費，但整體上，華為交給高通的專利費用更多。
於是，美國又瞄準華為的手機業務，高通、ARM、谷歌等重要供應商均表示中止與華為的合作，要在晶元和操作系統層面對華為造成打擊。從一開始，5G的標准之爭就不是華為、中興一兩家企業的事，而這場較量，至今還未蓋棺定論。
5G的市場夠大，卻並不如想像中那麼大，這個市場是有上限的。這場較量在美國看來就是「零和」游戲，別人所得就是美國所失。對它的殘酷性，中國不能有任何僥幸，歸根結底，這也是一場不容有失的大國較量。