物联网之移动通讯

摘要

移动通信的发展历程以及物联网的展望

一、移动通信的发展史

从人类社会诞生以来，更加高效快捷的通讯就成为人类矢志不渝的追求。

中国古代有飞鸽传书、烽火狼烟方式传递信息，这些传递信息的方式存在一定局限性。1844年，美国人莫尔斯发明了莫尔斯电码，并在电报机上传递了第一条电报，开创了人类使用“电”来传递信息的先河。1864年麦克斯韦从理论上证明了电磁波的存在，1876年赫兹用实验证实了电磁波的存在，1896年意大利人马可尼第一次用电磁波进行了长距离通讯实验，从此世界进入了无线电通信的新时代，即移动通讯。现代移动通讯以1986年第一代通讯技术（1G）发明为标志，经过三十多年的爆发式增长，极大地改变了人们的生活方式，并成为推动社会发展的最重要动力之一。

1G：“大哥大”横行的年代

1986年，第一代移动通信系统在美国芝加哥诞生。1G时代是大哥大横行的时代，代表公司是美国的摩托罗拉。

1G采用模拟讯号传输，即将电磁波进行频率调制后，将语音信号转换到载波电磁波上，载有信息的电磁波发布到空间后，由接收设备接收，并从载波电磁波上还原语音信息，完成一次通话。但各个国家的1G通信标准并不一致，使得第一代移动通讯并不能“全球漫游”，这大大阻碍了1G的发展。同时，由于1G采用模拟讯号传输，所以其容量非常有限，一般只能传输语音信号，且存在语音品质低、讯号不稳定、涵盖范围不够全面，安全性差和易受干扰等问题。

1G标准制定于上世纪80年代，全球1G标准有：

NMT：北欧国家、东欧以及俄罗斯

AMPS：美国，72多个国家地区采用

TACS：英国，30个国家地区采用（包括中国）

JTAGS：日本移动电话系统

C-Netz：西德移动电话系统

Radiocom 2000：法国移动电话系统

RTMI：意大利移动电话系统

中国的第一代模拟移动通信系统于1987年11月18日在广东第六届全运会上开通并正式商用，2001年12月31日中国移动关闭TACS模拟移动通信网，1G系统在中国的应用长达14年，用户数最高达到了660万。

2G：诺基亚崛起时代

1992年，第二代移动通信技术标准开始了， 2G采用的是数字调制技术，比1G多了数据传输的服务，这样手机就不仅可以接打电话，发短信就成为了时髦的交流方式。

1G的技术标准各不相同，只有“国家标准”，没有“国际标准”，国际漫游是个大问题，第二代移动通信系统（2G）就是要解决这些问题。2G技术研发制定过程中尝试了很多技术方式，如：时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA）。

时分多址TDMA就是基站轮流和手机通信，但是循环非常快，人感觉就像一直在通信。时分多址TDMA的“址”就是轮流分得的发送时间。

频分多址FDMA就是不同手机在不同的频率上给基站同时发送信号，各个频率互不干扰。频分多址FDMA的“址”就是分配给用户的不同车道。

码分多址CDMA就是手机都在和基站通信，但是不同手机的信号前带有自身标签，基站接收到手机发来的信号后，通过标签就能分辨信号来自哪个手机。码分多址CDMA的“址”就是标识手机的标签码。

2G通讯系统有： GSM：基于TDMA，源于欧洲、已全球化

IDEN：基于TDMA，美国电信系统商Nextell使用

IS-136（D-AMPS）：基于TDMA，源于美国

IS-95（CDMA One）：基于CDMA、源于美国

PDC：基于TDMA，仅在日本普及

2G时代也是移动通信标准争夺的开始，主要通讯标准有以摩托罗拉为代表的CDMA美国标准，和以诺基亚为代表的GSM欧洲标准。最终随着GSM标准在全球范围更加广泛的使用，诺基亚击败摩托罗拉成为了全球移动手机行业的霸主。

中国从1996年引进GSM商用，中国主要使用GSM-800, GSM-900, GSM-1800频段一直到今天。2020年5月工信部强调，要引导新增物联网终端不再使用2G/3G网络，同时推动存量2G/3G物联网业务向NB-IoT/4G(Cat1)/5G网络迁移。

由于3G是个相当浩大的工程，多且复杂，从2G到3G不可能一步到位，因此出现了中间过渡的2.5G技术。2.5G的系统大致有：GPRS、EDGE、CDMA1X。2.5G俗称GPRS， EDGE俗称2.75G，在中国的话，2.5G指的就是GPRS。2.5G时代的手机可以上网了，虽然数据传输的速度很慢，但文字信息的传输由此开始了，这成为移动互联网发展的基础。

3G：移动多媒体时代

2001年，3G正式登上了历史的舞台，2G虽然相比1G大大提升了效率， 但是满足不了人们对的图片和视频传输的要求，因此3G应运而生。采用更宽的频带，传输的稳定性也大大提高，保证了速度和质量，移动通讯有更多样化的应用，因此3G被视为是开启移动通讯新纪元的重要关键。

1940年，美国女演员海蒂•拉玛和她的作曲家丈夫乔治•安塞尔提出一个Spectrum频谱的技术概念，也称码分扩频技术。1942年8月11日，这项技术在美国通过专利申请，美国国家专利局网站上的存档显示这个技术专利最初是用于军事用途的，二战结束后暂时失去了价值，美国军方封存了这项技术。1985年，在美国的圣迭戈成立了一个名为“高通”的小公司，这个公司利用美国军方解禁的码分扩频技术开发出一个被名为“CDMA”的新技术， CDMA就是3G的根本基础原理。在３G时代，不管是那个国家的标准和技术都是基于高通CDMA，高通的CDMA是核心专利，通信方面一定绕不过去，就像修楼房一定离不开钢筋水泥沙子一样，只要说用３G网络，就一定会给高通交专利费，这就是行业人称的"高通"税。

这个阶段，移动通信出现了新的玩家，除了北美和欧洲，中国也开发了自己的标准。

3G的标准有：

美国CDMA2000：高通为主导提出应用日韩北美

欧洲WCDMA：主要以GSM系统为主的欧洲厂商

中国TD-SCDMA：中国移动一家采用

三大标准之外，Intel为首的一批厂商又推出了极具竞争力的WiMAX技术，由于中国和欧洲的通讯生产商都一起对付美国WiMAX，连美国高通都不想生产WiMAX的支持设备和芯片，2010年，WiMAX标准的最大支柱Intel先撑不住了，宣布解散WiMAX部门。

2000年5月， ITU（国际电信联盟）正式宣布，将中国的TD-SCDMA，与欧洲的WCDMA、美国的CDMA2000并列为三大3G国际标准。但中国标准TD-SCDMA的技术不成熟，运营商和终端芯片方案商都不支持，但最终国家主推，中国标准关系到我国移动通信的发展方向，要“举全国之力”搞好TD-SCDMA，所以建设TD-SCDMA网的艰巨而又光荣的任务交给了中国移动，为防止运营商同时有两张3G牌照，会优先发展更成熟的WCDMA或CDMA2000，导致TD-SCDMA会被边缘化，因此重新对运营商进行了重组合并，明确每个运营商只建设一张网。中国联通采用WCDMA，中国电信采CDMA2000，中国移动采用中国标准的TD-SCDMA。

这个阶段，一个重要的公司上线了——苹果，同时一代巨头诺基亚黯然离场。第一代iPhone的发布，使得智能手机的浪潮席卷全球，以前在电脑上才可以使用的网络服务，现在在手机上有了更好的体验，触屏操控，各类应用软件开始了不断更新迭代，人类正式步入移动多媒体时代。

2008年以后，以苹果手机为首的智能机开始大卖。移动只能跟着眼红，却无计可施。因为高通不愿生产TD-SCDMA芯片，所以苹果手机根本不支持TD-SCDMA网络（直到后来，才勉强支持）。就这样，移动眼睁睁看着用户不断流失，市场份额下降。

4G：移动互联网时代

2008年发布的第四代网络4G，中国成为标准的制定者之一。4G是在3G基础上发展起来的，采用更加先进通讯协议的第四代移动通讯网络。对于用户而言，2G、3G、4G网络最大的区别在于传速速度不同，4G网络作为最新一代通讯技术，在传输速度上有着非常大的提升，理论上网速度是3G的50倍，实际体验也都在10倍左右，上网速度可以媲美20M家庭宽带，4G网络可以满足游戏服务，高清移动电视，视频会议。

4G有两大技术根基：LTE和IEEE802.16m（WiMax2），LTE是Long Term Evolution长期演进，就是在３G基础上通过技术迭代慢慢达到４G。

2009年10月，ITU共计征集到了六个候选技术，六个技术可以分为两大类，一是基于3GPP的LTE-Advanced的技术；另外一类是基于IEEE802.16m（WiMax2 ）的技术，中国提交的候选技术作为LTE-Advanced的一个组成部分。

六个候选技术分别是：

北美标准化组织IEEE的802.16m（WiMax2）

日本3GPP的FDD-LTE-Advance

韩国（基于802.16m）

中国（TD-LTE-Advanced）（LTE-TDD）

欧洲标准化组织3GPP（FDD-LTE-Advance）

4G时代，各种各样的新型移动互联网公司如雨后春笋般争相出现，人们的生活被彻底改变，生活越来越便捷，4G使人类进入了移动互联网的时代。

5G：万物互联的时代

随着每个人平均拥有的移动设备的增多，随着越来越多的设备接入云端，网络拥堵已经成为了我们所需要面对的问题。而针对4G网络阻塞时因为信息的传输率大于信道容量，5G带来的解决方法就是加大带宽，利用毫米波，大规模多输入多输出，3D波束成形，小基站等技术，实现比4G更快的速度，更低的时延和更大的带宽，可以同时链接千亿个设备。

5G网络的主要优势数据传输速率高，最高可达10Gbit/s，比先前的4G LTE蜂窝网络快100倍。另一个优点是较低的网络延迟，低于1毫秒，而4G的延迟为30-70毫秒。

5G的标准还未完全确立，在5G阶段，3GPP组织把接入网(5G NR)和核心网(5G Core)拆开了，要各自独立演进到5G时代，这是因为5G不仅是为移动宽带设计，它要面向eMBB(增强型移动宽带)、URLLC(超可靠低时延通信)、mMTC(大规模机器通信)三大场景。简单说就是５G不只是把速度搞上去就行，还得解决延迟、承受大规模机器同时通信，

提到5G，有一个词汇双模、双载波，包含了目前5G最为大家讨论关心的两个方面：

（1）双模指5G网络的两种部署方式

NSA（非独立组网）、SA（独立组网）

用最简单的话说就是：SA需要新建5G基站和5G核心网，NSA就是利用4G基站或核心网

（2）双载波

这个术语说的是5G的两个频段区间

一种是6GHz以下，又称Sub-6GHz，跟目前2、3、4G差不多在一个频段

一种是在24GHz以上，高频毫米波（mmWave）

2019年6月6日，工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照。

历代移动通信的发展，都以典型的技术特征为代表，同时诞生出新的业务和应用场景。而5G将不同于传统的几代移动通信，5G不再由某项业务能力或者某个典型技术特征所定义，它不仅是更高速率、更大带宽、更强能力的技术，而且是一个多业务多技术融合的网络，更是面向业务应用和用户体验的智能网络，最终打造以用户为中心的信息生态系统。最终实现“信息随心至，万物触手及”。尽管目前来说5G未规模商用，但所有人对即将到来的5G时代是充满向往与期待的。

二、中国移动通信技术的发展

技术

通信技术基本保持着十年一代，但每一代都有新面孔出现，也有老面孔消失。1G有摩托罗拉，2G有诺基亚、爱立信和西门子，3G有高通、苹果，而4G和5G则出现了华为。中国移动通信技术，1G空白、2G跟随、3G突破、4G同步，到了5G终于看到了更具创新性的苗头了，不过这样引起部分国家的打压，可能地主收租习惯了，担心未来得为为富裕起来的贫农交租，领导地位被挑战。

运营商

为了发展3G，尤其是支持中国标准TD_SCDMA，根据国家六网合三政策，中国运营商进行了拆分、重组、合并。2008年电信业重组之前，中国移动和中国联通主要经营移动业务（GSM、CDMA手机业务）、中国电信、中国网通、中国铁通经营固网业务（固定电话、宽带），中国卫通涉足航空航天和卫星通信。

2008年重新组合后

移动+铁通=新移动，主要经营固网+2G(GSM)+3G(TD-SCDMA)；

中国联通和中国网通合并成为联合网络公司（联通+网通=新联通）主要经营固网+2G(GSM)+3G(WCDMA);

电信收购原联通的CDMA网络，和部分中国卫通，中国电信主要经营固网+2G(CDMA)+3G(CDMA2000)。

三家运营商都可以提供固网宽带业务和移动通信业务。

在5G时代，又新增了中国广电。目前现状：

中国移动 主要运营GSM、TD-SCDMA、TD-LTE网络和固网。

中国联通 主要运营GSM、WCDMA、FDD-LTE，固网。

中国电信 主要运营CDMA、CDMA2000、FDD-LTE、TD-LTE网络和固网。

中国广电 主要经营互联网国内数据传送业务、国内通信设施服务业务。

三、物联网与移动通信网

物联网设备主要具备如下大特点：

1、设计简单： 系统复杂度低能保证IoT设备在恶劣环境下正常工作

2、成本低廉： IoT设备一般都是成本低

3、大覆盖范围：要保证弱信号区域网络数据能传输

4、低功耗：大部分应用场景都需要使用电池功能，而且需要能工作好几年

5、低速率：传输数据量小，速率低

6、海量设备接入：小范围存在大量终端设备入网。

尽管用于物联网的通讯技术很多，但没有哪个技术有一统江湖的趋势。

工信部提出建立NB-IoT（窄带物联网）、4G（含LTE-Cat1，即速率类别1的4G网络）和5G协同发展的移动物联网综合生态体系，在深化4G网络覆盖、加快5G网络建设的基础上，以NB-IoT满足大部分低速率场景需求，以LTE-Cat1（以下简称Cat1）满足中等速率物联需求和话音需求，以5G技术满足更高速率、低时延联网需求。

简单的可以理解为，国家推荐的是NB-IoT和LTE-Cat1，不建议GSM/GPRS。对应大部分物联网来说，目前低功耗且低成本的4G才是主流，简称NB和cat1网络。

那什么是Cat.1？它和NB-IoT、eMTC有什么关系呢？ Cat.M1和Cat.NB-1又是什么？

3GPP组织制定LTE标准，支持为不同用户提供不同等级的网络服务能力。在LTE里提出了重要的QoS（Quality of Service，服务质量）概念。不同的业务，对于不同的QoS，网络提供不同的带宽和接入优先级。

除了网络之外，3GPP还打算给用户终端（包括手机、可穿戴设备、物联网设备等）也做个分类。

2009年3月，3GPP发布Release8版本、正式提出LTE的时候，同步推出了LTE Cat.1、Cat.2、Cat.3、Cat.4、Cat.5一共5个终端类别。后来，又在R10版本定义了Cat.6、Cat.7、Cat.8。在R11定义了Cat.9、Cat.10、Cat.11、Cat.12。在R12定义了Cat.13、Cat.14、Cat.15。

cat是英文单词Category的缩写。意思是类别、种类，不同的Cat表示不同的速率

在LTE发展初期，Cat.1并没有被业界所关注。随着可穿戴设备的逐渐普及，Cat.1才逐渐被业界重视。但是，Cat.1终端需要使用2根天线，对体积敏感度极高的可穿戴设备来说仍然“要求过高”（一般只配备1根天线）。所以，在R12/R13中，3GPP多次针对物联网进行优化。

首先是在R12中增加了新终端等级Cat.0，放弃了对MIMO（多天线）的支持，简化为半双工，峰值速率降低为1Mbit/s，终端复杂度降低为普通LTE终端的40%。这样一来，初步达到了物联网的成本要求。

但是，虽然Cat.0终端的信道带宽降至1.4MHz，但射频的接收带宽仍为20MHz（太大）。于是，3GPP在R13中又新增Cat.M1等级的终端，信道带宽和射频接收带宽均为1.4MHz，终端复杂度进一步降低。

而Cat.M1，也就是我们之前常说的eMTC（enhanced Machine-Type Communication，增强型机器类型通信）。

此外，3GPP在R13中同时新增了一个Cat.NB-1，它的接收带宽仅180kHz。这个Cat.NB-1，就是我们的NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）。

eMTC还有一个名字，叫做LTE-M，LTE-Machine-to-Machine，LTE-机器到机器。也就是说，是机器之间用LTE通信，非常直白了，适用于物联的LTE网络。

可见，Cat.1、Cat.M1（eMTC）和Cat.NB-1（NB-IoT），这三兄弟都是3GPP定义用于物联网的。

三兄弟里面，NB-IoT的速率是最慢的，eMTC次之，Cat.1最快（也就5Mbps）。它们和其它Cat的定位如下图：

随着2G/3G的加速退网，运营商们开始积极引导行业用户使用NB-IoT和Cat.1终端模组，也是目前Cat.1日益火热的原因之一。NB-IoT适合低速、数据量小的场景，当初设计的按APN分配休眠唤醒机制以及对接受运营商主导，对传统的tcp长连接存在一定硬伤，数据响应和功耗方面不如Cat1。eMTC国内没布网，Cat.1基于现有的LTE网络，不需要增加额外投资。而且Cat.1芯片及模组方案成熟，价格便宜，未来cat1可能会成为国内低成本物联网的主流。