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《果壳中的5G 新网络时代的技术内涵与商业思维》是一本以全视角（历史、技术、商业形态、行业角色等）来介绍和分析5G的图书，它旨在通过挖掘通信技术发展和应用的内在逻辑，使读者，无论是资深的行业从业人员，还是初学者，都能够基于自己对5G的理解，构建5G对未来商业发展影响的思考和判断，特别是在新的历史机遇面前如何去创新、发展与合作，构建新的商业成长曲线。
果壳中的
5G
新网络时代的技术内涵与商业思维
祝刚__著
人 民 邮 电 出 版 社
北 京
图书在版编目（CIP）数据
果壳中的5G:新网络时代的技术内涵与商业思维/祝刚著. --北京:人民邮电出版社，2020.6
ISBN 978-7-115-53599-3
Ⅰ.①果… Ⅱ. ①祝… Ⅲ.无线电通信-移动通信-通信技术 Ⅳ. ①TN929.5
中国版本图书馆CIP数据核字(2020)第052838号
著 祝 刚
责任编辑 李 强
责任印制 彭志环
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
网址 https://www.ptpress.com.cn
三河市中晟雅豪印务有限公司印刷
开本：720×960 1/16
印张：22 2020年6月第1版
字数：315千字 2020年6月河北第1次印刷
定价：79.00元
读者服务热线：( 010) 81055493 印装质量热线：( 010) 81055316
反盗版热线：( 010) 81055315
广告经营许可证：京东工商广登字20170147号
本书是一本以全视角（历史、技术、商业形态、行业角色等）来介绍和分析5G的图书，它旨在通过挖掘通信技术发展和应用的内在逻辑，使读者，无论是资深的行业从业人员，还是初学者，都能够基于自己对5G的理解，构建5G对未来商业发展影响的思考和判断，特别是在新的历史机遇面前如何去创新、发展与合作，构建新的商业成长曲线。
本书的定位是一本科普加商业分析的图书，目标读者为IT行业从业人员、企业的管理者创新创业项目的策划者和实践者、5G产业规划的制订者，以及正在接受高等教育的学生或从事相关教育工作的教师等。
5G将会开启一个创新、创业的黄金时代：万物互联、云网一体、网络切片、智能边缘、超低时延等，每一个新的技术均可能是生态级变革的开始。未来，我们将会看到更多设备与设施被连接到网络上，并自主地实现为它们指定的工作目标。企业将会利用5G网络去构建感知体系，感知自己的员工、感知自己的用户、感知自己的资产，并基于这样的感知深度运营。企业将会基于5G网络获得大量从未拥有过的数据类型，并认识到从未认知过的规律。工业、农业、医疗、交通、畜牧、矿业等行业会形成各种各样创造性的5G应用。数字化的新物种会爆炸性地诞生并快速地进化。
而且，5G基础建设的投资巨大，网络运维成本偏高，相关技术复杂，网络安全风险加大，新的商业模式模糊，行业的界限也在被重新定义。因此，5G的发展需要设备厂商、软件厂商、运营商、监管机构、创业者、投资者等各方生态参与者进行合作、聚焦与尝试。每一个企业都需要能够及时把握5G带来的变化。
5G网络面向场景而生，必然会基于场景而成长，很多标准将会基于实践形成，并基于实践而推广，如同IT领域的技术发展，一切都将被快速地创造、快速地验证、快速地迭代。通信技术（CT）、信息技术（IT）、运营技术（OT） 会进一步融合，基于安全技术（ST）也将会形成独立的业务保障平台。在这个新的大连接时代，“果壳中的5G”一定需要深耕，才能破壳生芽，长成参天大树。
回顾40多年来改革开放及技术创新、创业的历史，我们是全球通信科技进步的最大受益者。正是由于我们对光纤传输、数字通信、移动通信与互联网技术以开放的态度学习借鉴，中国才得以建成了世界上最大的基础通信网络，并产生了世界级的设备、软件与互联网企业和企业家。在数字化产业时代，对于通信技术的吸取，将变得更为关键。
本书作者基于自己30多年的电信行业实践经验，详细阐述了通信行业的历史演进过程，并从技术理想、社会责任及5G时代将带来的机会与挑战等诸多方面，广泛地介绍了未来通信技术与未来产业之间的内在联系，这些内容一定会给读者带来相关的启发与思考。我相信，在未来的技术发展与实践中，中国将会以自己创造的通信技术、自己形成的信息技术与通信技术的融合方案、自己构建的创新业务模式为全球的数字化转型做出贡献。在这一实践的过程中，我们会不断总结出5G时代的“思想”性产品来与世界分享，本书是这方面实践的一个开始。
愿5G在中国大地生根发芽，成长出茁壮的生态。
田溯宁
著名物理学家霍金教授曾写过一本著名的科普读物叫作《果壳中的宇宙》。这本书纵跨宇宙历史，讲述了人类迄今为止几乎所有宇宙物理学的认知成就。霍金教授英文原书的标题是The Universe in a Nutshell，中文译者将其书名翻译成《果壳中的宇宙》。Nutshell在英文中确实是坚果壳的意思，字面翻译十分工整。译者还进一步引用了莎士比亚在《哈姆雷特》中所写的名句“我即使被关在果壳之中，仍自以为是无限空间之王”作为对书名的诠释，这更增添了这本书深奥而富有哲理的味道。
可见，这是个引经据典的翻译，不过，“在果壳中”其实另有简单的释义！
“In a Nutshell”是一个常用的美国俚语，其所表达的含义是“简要说明”的意思。美国有很多的科普读物都是这样命名的，这几乎就是一个科普读物的固定命名模式。你随便搜索美国的图书网站都能找出一堆这样的书名，诸如Internet in a Nutshell、Greek in a Nutshell等。这样命名只是为了表明本书是写给非专业人士看的，是一本读者可以快速全面理解该领域内容的读物。霍金教授的本意其实非常简单，他就是要把庞大浩瀚的宇宙规律做最精简的提炼和最全面的概括。所以，这本书的书名如果翻译成《宇宙概述》可能更为贴切，但也许会少了许多趣味。《果壳中的宇宙》天外飞仙般的译名标题反而成就了中文图书世界家喻户晓的名作。
眼下，5G的发展备受关注，来自不同方面的各种介绍和宣传此起彼伏其中不免也有很多一知半解的诠释。即便是在以5G命名的大型会展中，那些琳琅满目的应用很多，与5G并没有内在联系。5G大有演化成为一种商业包装形式而非网络支撑技术的趋势。这使得人们心中对5G的认知变得越来越模糊，对5G到底能做什么越来越迷茫，对如何判断5G发展趋势从而规划自己的商业未来越来越踌躇。相比以往的通信技术演进，5G给人们带来了更多的憧憬与困惑，尤其是从事非通信专业的人士，在如此纷繁复杂的信息风暴之下可能就更加难以把握5G的发展脉络。
5G的复杂性其实是客观存在的，一两句话，甚至一两篇文章确实很难说清楚5G的内涵与外延。因为，它与以往任何一次通信技术升级都完全不同的是，5G是一次全面而彻底的行业变革，如果试图从近两次通信技术迭代的体验中去惯性地理解5G就会形成很多认知上的偏差。
商业世界之中，任何技术发展总是被一些隐含的逻辑在推动着。把握未来趋势其实不需要一个预测未来的水晶球，只需要积极发现那些事物背后隐藏的逻辑，也需要小心剔除那些与本质无关的装饰与演绎。
非常感谢人民邮电出版社找到我，并给我提供机会，让我利用一些科普加商业分析的文字把5G相关内容向读者嘈嘈切切地道来，不求彻底揭示5G背后的商业逻辑，但一定可以为读者破解认知5G的坚果硬壳提供素材和线索。所以，当出版社的同志和我探讨如何为本书命名时，忽然一个想法就飘入了我的脑海中，就用《果壳中的5G》吧，十分贴切！
祝刚
通信技术的发展目标是非常清晰的，它就是要降低乃至消除时空距离对社会活动的限制。在实现这一目标的过程中，通信技术必然会对经济社会中的各行各业产生巨大影响，因为，一切社会活动总是会寻求时空最短距离进行，这样做消耗的能量最小，获得的收益最大。为此，旧的低收益的生产模式就必然会被抛弃，利用新通信技术的新生产模式必然就会形成。新的商业角色将会出现，旧的商业角色和商业价值则会被重新定位，产业的商业回报也会被重新分配。小到一个社会经济单元，大到整个国家均是如此，这就是随着通信技术变革而形成的商业发展机会。
虽然通信技术的发展目标是清晰的，但是其发展的路径却有很多不同的选择。历史上出现过众多的通信技术方案，有些成功了，有些则被抛弃了。被抛弃的技术方案之中，不乏构思卓越而理想丰满者。其中的缘由，我们只有通过解析通信发展的历史才能体会。好在，通信的发展历史并不是很长，我们完全有能力全面而细致地观察其中的脉络。
如果广泛地定义通信，那么无论是信件传递还是代人捎话乃至市井中流言的传播都是通信的形式，但是以这些通信的形式传递信息需要太长的时间。信息是存在时效性的，信息传递本身所花费的时间越长，信息本身的价值也就越低，直到越过某一时间阈值，信息价值便会陡降为零。所以，提升通信速度，就是保障信息价值，这也是通信技术演进的一大命题。直到今天，低时延通信仍然是通信技术发展的核心内容之一。信息社会与传统经济社会的最大差异也是在于信息网络对于信息价值的保障能力上。
但仅有信息传播速度是不够的，系统传递信息的容量也是通信技术的原生命题。中国早在西周时代就构建了烽火通信机制，可以很好解决通信的速度问题。而且为了增加传播距离，在秦朝还使用了万里长城的烽火台系统，在更广阔的范围内进行信息的中继传递。尽管中继本身需要时间消耗，但对于古代需要烽火传递的信息而言，那些中继延迟基本可以忽略不计。但是这种烽火通信的方式存在的最大问题就是信息容量太低了。信息编码只有0和1，1（烽火点燃）代表危机，0（烽火熄灭）代表太平。0和1无法表达周幽王的真实用意，否则也许他可以告诉众诸侯看在多年君臣关系的面子上，配合自己的娱乐项目，也不必导致灭顶之灾。
说到这些古今一致的通信需求，不得不谈到一个奇妙的螺旋形发展模式：似乎很多通信相关技术的发展就隐藏在一个螺旋式的发展模式之中。我们所谈到的烽火通信系统、旗语（Flag Signal）、臂板通信（Semaphore）等人类最古老的通信形态不但是通过光作为传输媒介的，而且是采用数字编码的！这与我们今天最先进的通信机制似乎有某种有趣的内在联系。这些通信机制可以被统称为Telegraph。我们长期以来，认为Telegraph是电报的意思，其实，电报的准确英文名称应该是Electrical Telegraph，只不过是由于其他形式的Telegraph已经不复存在了，所以人们将其简称为Telegraph。Telegraph并没有一个专门的中文译名，我们权且按照它的词根原意和它的本质称其为超距离通信吧。
人类真正意义上的通信系统应该从电报的发明开始算起，电报对于通信最大的改变就是将通信的媒介从光变成了电，这是一个重要的里程碑，因为这很好地解决了通信的可靠性问题，用电路进行通信比通过视觉进行通信，自然干扰更少，传播距离更远，更适合满足通信的需求。
图1-1 威廉·库克
第一台电报机是由英国人威廉·库克（William Cooke）（见图1-1）和查尔斯·惠斯通（Charles Wheatstone）于1837年7月在伦敦和伯明翰的铁路车站之间向世人展示的。库克希望铁路公司能够广泛地使用他的电报信号系统替代铁路原有的气动信号系统，但几次都被拒绝。即便是最终大西方铁路公司（Great Western）全面接纳了库克的技术，铁路公司也一直坚持独家使用该系统，并拒绝库克允许将电报系统开放作为公共通信服务系统的诉求。为此，库克爵士自费延长了电报线路，并同意铁路公司可以免费使用它的电报系统，这样将电报系统向公众开放的意愿才得以实现。铁路一直是通信系统发展的慢行区是有原因的，直到今天这一现象依然存在，我们后续的章节在讨论5G时代的铁路通信系统时还会谈到这个问题。不过，铁路对于通信技术的发展应该算是起到了奠基的作用。因为，除了军事应用之外，第一个能让通信技术成为不可或缺的、重要内容的民用场所就是铁路。
电报通过电媒介提升了通信的可靠性，但这还不足以使得电报能够成为公众服务内容。其中最大的问题就是通信系统的容量问题。军事单位、铁路这些专用场所往往只需要传递特定信息，可以通过有限的信息编码实现。而如果是为了满足民间需求的商业通信系统，则需要能够对于几乎无限的信息进行传递，这样才能够具备基本的可用性。
美国的一名肖像画家和发明家萨缪尔·摩尔斯（Samuel Morse）（见图1-2）在这一时代及时地出现，推动了电报成为普遍通信手段的进程。他最大的贡献是发明了一套完整的编码——摩尔斯电码（Morse Code），这套编码用两个简单声音信号：短音“滴”和长音“哒”的组合来表达几乎所有的信息内容。这使得人们通过电报线路进行复杂信息沟通成为可能。摩尔斯电码系统于1851年正式作为欧洲大陆电报系统的标准，后来很快就成为国际摩尔斯电码的基础。虽然在美国国内使用美国版的摩尔斯电码，但其通信机制与欧洲版基本一致，一般的通信运营人员都能够熟练掌握这两种代码。
不过，电报这种通信系统是存在很多限制的。首先，你必须熟练掌握摩尔斯电码，这本身就大量限制了使用人群。要知道那个时代很多人连字都没有认全，更别提使用一套文字的编码体系去熟练地沟通了。因此，那个时代的通信必须存在除了电媒介之外的通信媒介，就是电报员。电报员必须负责将用户的语言翻译成摩尔斯电码进行传送，对端也必须由专业的电报员将摩尔斯电码解读后再翻译回用户的语言，并告知用户。
图1-2 萨缪尔·摩尔斯
如果要消除通信过程的知识壁垒，就需要消除通信之间复杂的编码转译过程，让人们能够用语音自由地沟通。其实，声音本来就是人类传统的通信形式，我们日常的沟通是用声音的，古代军队打仗也是用军鼓的声音传递命令的。电话的英文单词是Telephone，其中Tele代表的是“远距离”的意思，phone代表的是声音的意思。Telephone本质上要实现的是一个远程通话系统。
图1-3 安东尼奥·梅乌奇
最早，人们曾尝试利用声学原理构建管道通话系统（Pipe Telephone System）。这个系统只是简单地部署一些可以传递声音的管道。人只要在一端说话，声音就会在管道中传播，可以在管道的任何部位开一个听音的端口，就能清楚地听到发话人的声音。本质上这就是一个多对多的广播通信系统。千万不要小看这种通话系统，这种历史悠久的管道通话系统目前仍在很多船舶、地下空间等封闭场合使用。因为，这种通信系统不仅便宜，而且有效、可靠！这不正是对通信系统最本质的需求吗？你如果用高度发达的现代通信技术去替代这些通信方式反而可能会降低可用性，这也正是技术与场景需求之间密切联系的例证。
不过，管道通信系统在极大满足特殊场景需求的同时，也必然会受到特殊场景的巨大限制而无法普及，比较大的问题就是这种基于声学结构建设的通话系统传播距离十分有限，超出100米左右的范围，语音就衰减得难以听清了，更不用说城市与城市之间的通话了。
19世纪初期，意大利发明家安东尼奥·梅乌奇（Antonio Meucci）（见图1-3）在他受雇的一家剧院里也建造了这样一个管道通话系统，并把它用于舞台和控制室之间的通话。像每一个优秀的发明创造者一样，梅乌奇在设计、制作和使用这个通话系统的过程中萌发了更具挑战的想法，如何能让声音传得更远？
人类从不缺乏科技创造的能力，只是需要想象科技的需求。梅乌奇让声音传得更远的愿望和摩尔斯电码系统希望通过传送语音来实现自由通信的愿望高度一致。其实Telegraph的本质意义就是为了解决声音传输距离有限的问题的。电与声音的结合也因此成了这名意大利发明家倾尽全力的研究目标。这也是为什么梅乌奇后来把他发明的电话称为“Teletrofono”（见图1-4）的原因，因为Teletrofono的含义就是“能够通话的电报机”。
图1-4 Teletrofono的设计原型图
梅乌奇在明确了他的Teletrofono研发目标之后，于1850年，将全家迁移到纽约。他在家里搭建起了他的研究实验设备，夜以继日地进行他的研究。终于，在1856年，由于一个非常机缘巧合的情形，他的电话成功地通过铜质导线传送了他的声音。梅乌奇非常兴奋，他立刻意识到这个发明对于社会的巨大意义，也因此受到了极大的鼓舞。在1856年至1870年的时间里，梅乌奇在最初电话原型的基础上一口气先后开发了30多种不同类型的电话。到1870年，梅乌奇已经能够将通话的距离延伸至一英里（1英里约等于1.6千米）远的地方，实现了他构建城镇之间通话系统的最初梦想。Teletrofono的发明标志着工业时代新通信形式的诞生。凭借这个装置，梅乌奇参加了1870年在纽约举行的世界工业博览会，并引起参观者的极大关注。
梅乌奇是一个伟大的发明家。但很可惜，他并不是一个十分精明的商人。他本来依靠自己的一个蜡烛厂支撑他的科研经费，但由于经营不善蜡烛厂破产，他不得不寻求其他资本的帮助，但随后他又受到了债权人的欺骗很快就陷入了破产状态。为此，他变卖了几乎所有的家产用于清还债务。为了维持他在电话领域的研究和商业运作的梦想。梅乌奇还向纽约当地的一些资本家融资创建了环球电话公司（Globe Telephone Company），希望由这家公司继续支付他的电话发明专利费用，以保护他的发明专利权。但是，由于这家公司也经营不善，到1874年，环球电话公司及梅乌奇本人都已经资金耗尽，无力继续缴纳专利费用，电话发明的专利保护也就此终止。专利保护的终止，对于梅乌奇来说是个十分无奈的事情，但通信世界却因此迎来了一位改变历史的重要人物。
1876年2月14日下午，一位曾经和梅乌奇共用一个实验室的29岁的年轻人——亚历山大·贝尔（Alexander Graham Bell）（见图1-5）抱着一摞技术文档和专利申请文件走进了美国专利局，并申请了电话发明专利的保护。由于梅乌奇的发明专利已经失去保护，贝尔的电话发明专利保护申请很快获得了美国专利局的批准。
1877年，专利获得批准之后，贝尔立即成立了贝尔电话公司（Bell Telephone Company），并趁热打铁，以贝尔电话公司的名义向当地法院提起了诉讼，反过来指控梅乌奇的环球电话公司（以及其他许多公司）侵犯了其电话发明专利！而在这个时点，梅乌奇已经穷困潦倒，根本无力聘请法律团队，贝尔轻而易举地获得了诉讼案的胜利，并因此剥夺了梅乌奇的电话发明者身份。此后，梅乌奇虽然多次进行上诉期望夺回电话发明者的身份，但始终未能如愿。1888年，梅乌奇终于由于年龄太大，放弃了继续申诉。贝尔给电话发明者身份和权益的争夺圆满地画上了句号。
自诉讼案结束后的近120年的时间里，贝尔一直作为电话的发明者被广泛宣传，甚至写入了教科书。直到2002年6月11日，美国众议院第269号决议才重新把电话发明者的身份还给了梅乌奇。虽然，加拿大国会在2002年6月21日，对抗性地发布了决议，声明贝尔确实是电话的发明者，但这一旨在维护贝尔曾经是加拿大公民的荣誉的举措并没有得到大多数历史学家的认同，因为各方面的事实依据实在是非常清楚！
图1-5 亚历山大·贝尔
美国众议院的决议揭示了电话的真正发明者，对贝尔的历史形象产生了巨大的负面影响，但却不能完全抹杀贝尔在通信行业发展历史上的地位。贝尔尽管不是电话的发明者，但他绝对是一名嗅觉灵敏、判断力准确、想象力丰富、手段果决的商业天才。不同于梅乌奇沉迷于制造各式各样不同的电话机，贝尔一直关注着如何让电话成为一种公众服务，发挥巨大的商业价值。
为了实现这一理想，贝尔先是进一步取得他在电话行业的领导地位，进行商业机构的合并。1879年合并了他岳父的通信公司新英格兰电话电报公司（New England Telephone and Telegraph Company），1880年贝尔又与美国通信电话公司（American Speaking Telephone Company）合并构建了美国贝尔电话公司（American Bell Telephone Company）。1896年，为了彻底消除美国贝尔电话公司的竞争对手，贝尔又以17年之内分享贝尔电话公司收入的20%为条件，让西部联合电报公司完全出让所有的电话技术专利，并保证不再染指电话业。（注：西部联合电报公司（Western Union Telegraph Company）当时是贝尔电话公司的主要竞争者，为了这一商业竞争，它买下了另外两名电话专利权的争夺者伊莱沙·格雷（Elisha Gray）和托马斯·阿尔瓦·爱迪生（Thomas Alva Edison的电话专利，并与贝尔电话公司就最基础的电话专利权展开争夺，双方是你死我活的商业竞争关系）
图1-6 美国电话电报公司 Logo
自此之后，美国贝尔电话公司成了全美电话服务的垄断性企业，并最终逐渐演进成为美国电话电报公司（American Telephone & Telegraph Company）（见图1-6），也就是通信行业人尽皆知的AT&T。今天的AT&T仍然是美国甚至全球范围内最大的通信服务公司。这个运营了140多年的企业，正是源于贝尔最初对于通信商业化内涵的深刻认知。
如果这段历史可以被编辑，梅乌奇应该是一个典型的技术合伙人，贝尔则是一个理想的市场合伙人，任何一个人都不能脱离另一个人取得合法的成功。他们之间如果能够以合伙机制构建创业公司，电话发明的历史也许可以变得更加美好。但是很遗憾，这段历史以怪诞的方式启动了一个伟大的历程。自此通信行业开始从通话设备制造和销售，转换到了电话网络运营服务。让连接成为服务也自此成了通信行业的基本商业范式。
从严格的技术意义的角度而言，梅乌奇所发明的装置应该算作是有线的对讲装置，梅乌奇专利申请文件中的这个插图（见图1-7），说明了其基本的工作原理。其通话的技术实现方式在今天看来十分简单，工作流程如下。
图1-7 Teletrofono的工作原理
首先，通话发起方启动振铃，振铃会通过导线传送给接收方；接收方听到振铃后，拿起收话机接听，并用送话机讲话；通话发起方也同样用送话机讲话，用收话机接听，只不过通话发起方的收话机和接收方的送话机是相连的，而通话发起方的送话机和接收方的收话机是相连的，两条线路互不干扰，这就是最初的电话系统。更准确地说，它应该称为一个对讲系统。
这样的对讲系统虽然能够实现双方远距离通话，但它的用户容量只有两个人，而且由于线路是固定的，这个通信系统的用户也只能是固定的，也就是说用户A和用户B能够进行通话的前提条件是双方都已经预先部署了连接双方电话机的电话线，这样的专线式电话就是电话业务的初始形态。如果用户希望与多个用户都能通话，那么他的书桌上一定需要布满很多的电话。那样的话，他的书桌面积就会成为限制他通信自由的因素。如何能让电话的使用者摆脱固定的线路限制，而可以自由连接到其他的通话方，这就是电话业务发展初期最重要的一个命题，它直接关系到这个服务产业能达到多大规模。
为了解决这一问题，贝尔公司发明了一种非常巧妙的方法，他们制造了一种特殊的电话机，称为交换电话（Switch Telephone），所有的电话都连接到这部特殊的电话上。当通话发起方想和其他人通话时，他的通话不是直接连接到通话接收方的电话上，而是首先连接到交换电话上，交换电话旁会一直有人准备接听，这个角色就是电话接线员。电话接线员收到电话后会询问对方要把电话打给谁，然后，他会按照姓名和线路的对照表，拨打通话接收方的电话，告诉对方谁希望和他通话，如果用户表示愿意接听，他就会将通话发起方的电话线路与接收方的电话线路连接，这样双方就可以进行通话了，等到双方通话结束，接线员再将连接的线路断掉（拆线），这样一个通话过程就完成了。交换电话工作原理见图1-8。
图1-8 交换电话工作原理
交换电话的发明实现了大众通话的自由连接，这是电信服务后来能够出现爆发式增长的关键基础，而这项发明是贝尔公司对通信行业的伟大贡献。
为了能够满足通话量的日益增长的需求，贝尔电话公司其后又开始创建电话中心局（Telephone Central Office，TCO）。这个中心局有很多的交换电话，每个交换电话都有一名接线员守护。这就是最早的交换机房（Switch Room）。
当时美国正值西部大开发时代，电话通话的话务量增长飞快，交换机房因此越建越大，进入20世纪之后，大型电话中心局的交换机房可以有多达百人的接线员在同时工作（见图1-9和图1-10），还可以通过分布在不同区域的电话支局进行二次甚至多次的电话转接，使得通话的覆盖范围更广。
图1-9 早期的电话交换机房
于是，通信业务开始慢慢形成了一个网络级业务架构，这也就是最早的通信系统—— 公共交换电话网络（Public Switched Telephone Network，PSTN）（见图1-11）。公共交换电话网络极大地提升了人们通话的自由度，人们可以与任何连接到PSTN的用户进行通话。这种自由使得电话业务开始出现了指数级的爆炸性增长。
图1-10 贝尔电话公司的大型电话交换机房（Telephone Central Office）
图1-11 公共交换电话网络（PSTN）的基本架构
很快，这种快速增长就带来了一个问题，由于人工接续的速度是有限的，因此支撑一个城市的通话量就需要很多的话务员。话务员的增多不仅意味着人工成本的增长，也意味着物业成本和其他管理成本的增长，这就会导致随着电话业务规模的增长，商业回报反而会降低，从而限制通信业务的进一步发展。所以，缩短交换电话网络的接续时间就成了通信行业进一步发展的下一个命题。通信行业由此一直在寻求一种方法能够以自动方式替代人工方式进行电话线路的接续。有趣的是，解决这个问题的技术方法最终被一位非通信行业人士提了出来。
图1-12 阿尔蒙·史瑞乔
美国堪萨斯州一家殡仪馆的老板阿尔蒙·史瑞乔（Almon Strowger）（见图1-12）一直以提供优质的用户服务为宗旨进行着他的商业经营。但他逐渐发现，尽管他对客户的服务非常周到，用户也非常满意，但他的生意还是越来越冷清，而离他不远的另一家殡仪馆却莫名其妙地生意火爆。为了弄清原委，他进行了深入调查，结果发现，原来这个殡仪馆主人的妻子是电话公司的接线员，所以，每次接到客人打来的电话，询问有关丧葬的事宜，她都会转接到她丈夫的公司那里去。这个调查结果太令史瑞乔感到意外和愤怒了。但愤怒归愤怒，史瑞乔却也无可奈何，因为用户的来电并没有指明要连接到哪一家殡仪馆，电话的连接完全是由接线员的主观意志决定的，也没有办法规定接线员该如何分配用户的电话。史瑞乔即使告到法院也赢不了这场官司。
一气之下，史瑞乔决定要发明一种替代人工接续的自动电话交换设备，一劳永逸地解决这个问题。1892年，聪明的史瑞乔成功地发明了世界上第一个步进制自动电话交换机（见图1-13），这个交换机的设计构思十分精巧，它用电话发出的脉冲信号，控制与电话机相连的交换机继电器完成接线动作。这个接续过程完全不需要人工参与，对史瑞乔而言，这解决了公平接线的问题，而对于电话服务行业，这极大地提高了行业服务效率，且成倍提升了企业的服务效益。
图1-13 阿尔蒙·史瑞乔的步进制自动电话交换机
尽管，为了实现自动交换，用户需要交付一定的费用，将原来的电话更换成带有圆盘状拨号脉冲发生器的新电话，但这并没有成为阻止这项技术进行推广的障碍。用户的利益和电话公司的利益虽然各不相同，但实现的手段一致。这使得史瑞乔发明的自动接续技术获得了大规模的成功。
电话交换网络也由此开始进入自动交换技术时代。史瑞乔的发明开启了电话服务演进的新方向，在其后的很长时间里，通信行业的技术发展都是围绕着交换技术的发展进行的。尤其是计算机技术出现之后，程序控制的自动交换机开始出现，在数量级上又进一步提升了电话交换网络的容量，降低了电话服务运营的成本，使得电话逐步成了城市里每一个家庭都能拥有的通信设备。这并不是非常久远的历史，世界上第一台程控交换机在1970年才在法国问世。中国的第一台程控交换机直到1982年才在福州启用。
程控交换机出现之后，各种花样翻新的电话服务开始涌现，电话公司开始极尽想象地挖掘客户价值。用户之间的通话时间长短不同，他们会有不同的收费标准；用户之间的距离远近不同，他们会有不同的收费标准。电话公司开始进入黄金时代，他们可以通过各种服务形式对用户进行收费，最令人难忘的是AT&T对于主叫号码服务的业务运营。
AT&T曾推出这样的服务，如果用户希望电话振铃时显示通话发起方的号码用于决定是否接听，AT&T可以提供呼叫发起方的电话号码显示服务，但要收取主叫号码显示的服务费用。人们当然希望获得这样的服务，于是主叫号码显示服务成为当时AT&T广受欢迎的服务内容，AT&T也因此获得了丰厚的利润。但实际上这个业务内容的实现，AT&T并不需要做太多的系统改造，那只是程控交换机上的一个参数设置，唯一要求的是用户需要从AT&T购买新的可以显示主叫号码的电话机。
当主叫号码显示服务覆盖了大部分用户之后，AT&T又以隐私保护为名推出了主叫号码保护服务，即使接收方申请了主叫号码显示服务，只要通话发起方申请了主叫号码保护服务，那么主叫号码仍将不会显示。由于用户都有保护隐私的天性，很快这个服务又捕获了大量的用户为AT&T每月缴纳服务费用。AT&T在没有对系统做任何改动的情况下，又凭空制造了新的服务，再次获得了增值利润。
创意没有因此结束，令人惊讶的是，在主叫号码保护服务推出后不久，AT&T居然又推出了主叫号码保护穿透服务，即使通话发起方申请了主叫号码保护服务，只要接收方申请了主叫号码保护穿透服务，用户将仍然可以看到呼叫方的主叫号码。当然这需要服务的申请者有一定的授权。但从运营层面而言，AT&T在没有进行系统改造，没有任何额外投入的情况下，居然依靠交换机的同一个配置参数，凭空构建了三种服务内容，迭代了三次用户价值，这不能不令人称奇。
电话公司如此的业务模式，不能不令其他行业羡慕不已。这得益于电话公司创造了最早的平台化服务模式。平台化服务模式使得用户与用户之间的交互都可以成为它的商业源泉，这自然比传统的企业对个人服务模式在商业规模上会超出一个量级，成为不同维度的商业物种。直到互联网业务发展的成熟期，这样的业务模式才得以被其他行业有效地复制。
电话服务给社会发展注入了巨大活力，也给人民生活带来了巨大便利随着电话的广泛普及，人们在家里、办公室、社会活动场所随时随地都可以和任何人进行通话，不必在意两人相距多远，即使远隔重洋也只不过是一串电话号码就可以解决的问题。
图1-14 公共电话
为了能够使得这种服务实现得更加充分，电话公司甚至开始在城市的街道上遍布安装公共电话（Pay Phone）（见图1-14），公共电话的部署，使得用户随时都可以找到附近的电话进行通话。在那个时代，电话系统已经如此方便和发达，人们很难想象除了把电话做得更漂亮一些，通信技术还可能有哪些可以进步的空间。
直到私人汽车开始大面积出现，通信世界也随即感受到了移动的呼唤。话说，移动通信行业和汽车工业似乎有着不解的缘分，事实上，5G的很多通信技术需求也是面向汽车工业构建的。仔细想一想这似乎并不是巧合，因为汽车为人们构造了一个独特而又普遍的私人空间，这个空间的移动性天生就和移动通信的性质匹配。而且，随着人类生活的城市范围越来越大，生活元素之间的距离越拉越远，人们在车内的时间也自然就会越来越长。车内也就自然成为人们的重要生活空间，人们自然地渴望这个空间具备与其他生活空间一样的条件，包括随时随地进行通话。遍布街道的电话亭无法随着用户一起移动，忙时可能还需要排队等待，这并不是通信服务应该呈现的自由。而要想彻底解决这个问题，方案也只能有一个，那就是要想办法去掉电话线！这就是移动通信的原始驱动力和技术目标。
前文谈到，通信的本质就是通过一切可能的技术手段获得一种不被时空束缚的自由，切断电话线（Cut the Cord），正是这种理念的具体体现。“Cut the Cord”也是其后移动通信行业实现技术价值变现的一个典型路径。5G时代的固定宽带无线接入（Fixed Broadband Wireless Access）解决方案的价值也正是在此基础上的构建。
时势造英雄！当世界呼唤能够在汽车上进行无线通话的时候，美国芝加哥的一对兄弟恰好在此领域已经沉浸多年，并取得了相当的成功，他们就是大名鼎鼎的保罗·高尔文（Paul Galvin）和约瑟夫·高尔文（Joseph Galvin）兄弟。
图1-15 高尔文兄弟和GMC生产的50XC车载收音机
1928年，高尔文兄弟俩创建了高尔文制造公司（Galvin Manufacturing Corporation，GMC），他们所生产的产品是用车载电池供电的车载收音机（见图1-15）。这款型号为50XC（1940）的车载收音机取得了巨大的市场成功，GMC也从一个仅有5名员工的芝加哥小作坊一跃成为在全球汽车行业最具统治地位的车载收音机供应商。哥哥保罗·高尔文兴奋地将这款获得巨大成功的产品更名为摩托罗拉，英文名称为Motorola，“Motor”是汽车的意思，“ola”是胜利的意思。摩托罗拉这个产品名称是如此的流行以至于它最终成了这家公司的名字。保罗·高尔文还用他最喜爱的蝙蝠侠造型设计了这个公司的标志（见图1-16）。摩托罗拉这个蝙蝠侠造型的图标在相当长的时间内代表着超前的技术和领先品质，至今仍令中国广大的20世纪六七十年代的移动通信用户念念不忘。
图1-16 摩托罗拉公司Logo
车载收音机通过无线方式接收广播基站信号并将音频信号播放给用户的技术实现过程，与车载移动通信的技术需求距离最近，而高尔文兄弟也敏锐地发现了即将到来的移动通信需求浪潮。他们果断地投入了大量研发资金，进行双向无线通话的研究，并首先发明了无线对讲机。在1942年的“第二次世界大战”期间，摩托罗拉生产制造的SCR-536型无线对讲通信设备是盟军的必备通信设备。摩托罗拉相关的通信技术也得以在严苛的实践中锤炼得十分成熟。另外，由于摩托罗拉公司已经基于车载电话的成功形成了广泛汽车前装市场的客户基础以及后装市场的渠道推广体系，因此，其进一步推进车载移动电话的业务过程可谓是一马平川。
图1-17 用户在车内使用MTS移动电话
1946年10月，摩托罗拉的车载通信设备作为唯一的通信设备，首次接通了伊利诺伊州贝尔电话公司在芝加哥城的新汽车无线电话服务。这是移动通信历史的里程碑式进展，电话终于摆脱了电话线的束缚成了自由通话的工具。摩托罗拉将其为贝尔电话公司所建设的这套系统称为移动电话系统（Mobile Telephone System，MTS）（见图1-17），MTS因此成了人类移动通信业务发展历史的开端。这一服务的推出受到了市场极大的欢迎！摩托罗拉的蝙蝠侠也因此开启了其在通信领域傲视群雄的商业时代。
从通信行业发展史的角度看，以MTS为代表的移动电话通信系统被称为第零代移动通信系统而非第一代移动通信系统是有原因的。MTS还不能算作一个完整的业务系统。一个完整的移动通信业务系统，除了能够在技术上实现移动终端与电话网络的连接和通信之外，它还需要能够基于这种能力提供服务业务。这就要求系统必须有独立的用户管理系统、计费系统等业务支撑内容。而这些能力都是伊利诺伊的MTS所不具备的。MTS与PSTN的业务架构见图1-18。
图1-18 MTS与PSTN的业务架构
伊利诺伊MTS的技术实现本质上是通过交换接续的方式把无线对讲设备接入到公共交换电话网络。用户相当于拿了一个特殊的无线对讲机，这个无线对讲机并没有自己的号码，而当用户需要打移动电话时，实际上是用这个无线对讲机与一个移动电话服务台的话务员进行对讲式通话，告诉话务员他要连接的电话号码，然后由这个话务员拨通有线电话后再把无线对讲通话线路和有线电话通话线路进行连接，从而形成了无线终端与有线电话的通话能力。
在这个系统里，移动电话不能自由连接其他固定电话，也不能连接其他移动电话。更为本质的问题是这个通信系统的车载移动终端只能当作固定电话的一个附属品，这个移动通话的服务也只能作为固定电话业务的一种增值服务开展，而并非是一种独立的通信业务。这是伊利诺伊的MTS不被认为是一个完整的移动电话通信系统的原因。
虽然第零代移动通信系统并不能称为是一代完整的移动通信系统，但它为后来移动通信技术的进一步发展明确了技术发展方向，同时它也对后来第一代移动通信系统的发展起到了非常重要的业务圈地和用户培训的作用。这种通过前一代业务的实践为后一代业务进行商业价值铺垫的模式，也成了解读通信行业发展线索的重要模式。
伊利诺伊的MTS的限制还不仅仅在业务层面上，在技术层面上也存在很多限制。首先是工作频率，MTS工作在VHF 150MHz的频段，美国和加拿大总共只有25个频段用于在全北美地区的移动电话通信，被称为RCC（Radio Common Carriers）频段，当时摩托罗拉所生产的车载通信设备只有3个通信频率，也就是说在MTS覆盖的全芝加哥城范围内，同时只能有3个人进行移动通话！这样的系统容量显然难以支撑移动业务的发展。
更令人难以忍受的是，由于在整个通话过程中没有连接的保障，谁的设备无线信号更强，谁就会占领通话频率。因此，经常会出现两个用户正在进行通话时，突然被其他方的通话打断的现象，这就是早期无线通信的典型问题——“串线”。出现串线问题之后，用户除了挂机并重新建立通话之外，没有其他选择。如果这种问题经常发生，移动通话的可用性就会被大打折扣。不仅如此，MTS通话的安全性也没有保障。任何人只要用一台业余无线电接收装置，并将接收频率调谐到150MHz的MTS通话频段上，就能听到空中飘荡的各种通话，这在当时是很好的喜剧题材。即使，你并非有意想窃听别人的隐私，但由于“串线”事故的发生，你也会被莫名其妙地拉入到别人的通话之中，清晰地旁听另外两个陌生人的通话过程。这是非常令人尴尬的！用户由此不能不联想到，自己在通话时，是不是也有不速之客在被系统“安排”旁听。
图1-19 用户需要在后备厢里安装的车载通信设备
除了通话的体验之外，MTS终端设备也是一个大问题，因为这个通信终端实在太大，MTS车载电话终端的使用，需要在汽车的后备厢安装一个巨大的供电设备和通信设备（见图1-19）。这个设备基本占据了汽车后备厢的空间。这对于用户而言是一个十分痛苦的抉择，要么用后备厢来装货物，要么用后备厢来装设备。所有这些问题都严重阻碍了移动电话系统的进一步普及。
摩托罗拉公司也深刻意识到这一点，在1946年伊利诺伊MTS上线之后，摩托罗拉公司持续进行大规模研发投入，致力于对MTS进行小型化改进。到1964年，摩托罗拉终于推出了一个可以替代MTS的新通信系统，它被称为IMTS，英文全称是“Improved Mobile Telephone System”。IMTS在当时是非常先进和时尚的系统。考虑到当时集成电路还不是十分普及，摩托罗拉采用了高超的防器件串扰的科技手段，只用了两个大约8平方英寸（1平方英寸≈6.4516平方厘米）的电路板就精密地排列和焊接了大量的通信元器件，大大降低了车载电话的体积，并使得摩托罗拉TLD-1100系列车载电话成为时尚新宠（见图1-20）。
图1-20 摩托罗拉TLD-1100系列车载电话
如果时尚与科技并举，那么其必是成功产品。摩托罗拉TLD-1100系列车载电话比起MTS的车载电话更像是一个电话，用户不再需要和话务员通话进行电话网络的接续，而是可以通过拨号的自动交换方式完成与固定电话的连接。
在频率使用上IMTS也更为合理。IMTS基站会在所有空闲信道上发送一个稳定的2kHz音调标记，标记这个信道为空闲信道。而移动电话在通话前，首先扫描所有可用的信道，并锁定发送空闲信号的信道进行通话，这种机制也称为LBT（Listen Before Talk）机制，即在发射信号之前，必须先听一听信道有没有人在用，如果有人在用就不能发射信号，而必须等待直到信道空闲。此后，LBT机制也成为很多国家无线电管理的基本规则LBT机制大大解决了无线频道乱入的问题，使通话质量和安全性得到了很大的提升。
IMTS不仅在通话质量和设备实用性方面得到了很大的提升，其通信系统的容量也得到了很大的提升。由于IMTS发射功率更大，天线也放置得更高，因此IMTS的基站站点一般能够覆盖城市直径40～60英里（1英里≈1.6093千米）范围的区域。通话信道数量也从MTS时代的3个增加到了7～8个，这些都使得IMTS能够形成更优的客户体验。
但是IMTS对于频率还是独占性使用的，也就是说一对用户使用了一个通信频率，其他用户就不能同时使用该频率。这种频率独占性的使用方式使得通信系统的容量仍然受到很大的限制。IMTS为了保障用户的通话质量，避免通话信道的过度竞争，不得不限制申请服务的用户数量。很多希望使用IMTS服务的用户只能等待其他用户终止他们的ITMS服务才能得到移动电话号码和移动电话服务。为此，申请的用户常常需要等待长达3年左右的时间。
由于这些限制，IMTS终端的销量很低，移动终端非常昂贵。不仅如此由于频道太少，用户通常还需要“排队”等待空中的通信频道空闲才能进行通话。与现代通信系统相比，这显然不是很好的用户体验，但即便如此，用户所付出的通信服务费用却并不便宜。IMTS用户当时通常以每月120美元的价格租用通话设备，然后以每分钟0.70～1.20美元资费标准支付通话费用。而如果拥有设备，则是每月需要支付120美元限量包月通话，超出限量部分的通话需要按更高价格另行计算，这对于那个时代的用户而言是一个天价的服务。
虽然IMTS仍有诸多令人不如意的地方，虽然IMTS仍然不被后人认为是一个完整的移动电话服务系统，但其已经具备移动通信业务网络的特征，成为后来移动通信网络发展的基础。在IMTS发展时期，全球很多发达国家也都开始纷纷建立自己的移动通信系统（见表1-1）。
表1-1 在全球范围内不同移动通信系统标准的分布
这其中包括1963年苏联建设的Altai移动电话系统；日本在1970年启动的AMTS；挪威在1966年投入使用的OLT移动通信系统；瑞典在1956年开始启动的MTA/MTB/MTC/MTD等移动通信系统；芬兰在1971年启动的ARP移动通信系统；德国在1972年开始建设的A-Netz/ B-Netz通信系统等，移动通信发展至20世纪70年代已经成为全球范围内普遍盛行的通信服务。
在商业社会里，推动通信技术迭代的最深层动力是对商业利益的最大化追求，通信技术再优秀也必须要有一个令投资人满意的投资回报才可能持续发展。以IMTS为代表的第零代移动通信系统所使用的通信信道数量十分有限，因此能够承载的用户容量也就十分有限。因为所有的网络建设与运维成本都需要由用户缴纳的服务费用去支撑，用户数量有限，每一个用户所要承担的网络平均成本就会很高，网络服务价格自然也就会很贵。如果不能提高系统的用户容量，面向用户的服务价格就不可能降低，移动通信业务也不可能有一个良好的商业回报。
所以，通信系统要想有良好的商业回报，就必须提升系统的用户容量。直接的想法就是增加通信信道的数量，通信信道多了自然就可以支撑更多的用户。但问题是，通信信道就意味着无线频率资源，而无线频率资源是有限的。当时美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）批给IMTS的频率只有450MHz频段的12个频点，IMTS已经将其发挥到了极致，所以增加系统的用户容量必须另辟蹊径。
正当摩托罗拉沉浸于对于IMTS进行进一步的升级改造以提升用户容量的同时，AT&T公司的贝尔实验室（Bell Lab）在1983年推出了一种称为先进移动电话系统（Advanced Mobile Phone System，AMPS）的技术标准。AMPS采用了一个近乎艺术的方式优化了IMTS对于频率资源的使用效率问题。这个精彩的技术方案奠定了现代移动通信网络的基本架构。
AMPS将原本对于城市大范围整体的频率覆盖的网络建设方式，改为了小范围拼接的频率覆盖的建设方式（见图1-21）。这样原来的一个大的通信频率工作区域就被划分成了很多小的工作区域，只要是两个通信工作区域不相邻，人们就可以使用相同的通信频率不会产生同频干扰。虽然，通信系统整体的频率资源还是那么多，但一个城市所能容纳的用户数量却由于频率在不同单元的复用而大幅度提高。
图1-21 AMPS的基站覆盖方式的变化
设想一下，如果原来大家都在一个大房子里谈话，那么，为了确保谈话时不产生相互干扰，你只能设定一个规则，即，有人谈话时其他人不要谈话。如此机制下的最终结果就是这个房间里同时只能有唯一一组对话。但如果我们把大房间划分成了很多小房间，那么，只要保证在每个小房间同时只有一组人谈话，大家的谈话就都不会相互干扰。而这样的方式会使得整个大房间可以容纳更多的人同时对话。如果系统可以巧妙地调度，谈话的双方依然可以在整个大房间的区域里一边漫步一边谈话，只要系统确保不会有两对的谈话者同时进入同一个房间即可。这就是AMPS通信系统的工作机理（见图1-22）。
AMPS将网络分割成单元化的形式很像细胞相互毗邻的样子，所以摩托罗拉将其形象地命名为细胞状通信网络，英文名称为“Cellular Communication Network”。Cellular这个名词也自此成了移动通信的代名词直至今日。当20世纪80年代摩托罗拉将其引入中国时，这个网络被赋予了更加形象的名字——蜂窝移动通信系统，因为这个网络的结构看起来确实很像蜂窝。
1979年，摩托罗拉在美国伊利诺伊州芝加哥城成功地部署了全球第一个蜂窝移动通信网络。同年，日本最大的电信运营公司NTT也在东京启动了蜂窝移动通信系统的商业运营。蜂窝通信系统的架构一直延续到今天，5G也依然会采用蜂窝式通信系统的基本架构。
图1-22 AMPS的通信频率使用方式
蜂窝通信系统不仅很有效地提升了移动通信系统的用户容量，还为移动通信终端设计了国际移动用户识别码（International Mobile Subscribe Identification Number，IMSI），这个号码对于全球每一个AMPS用户是唯一的，就像电话号码一样。IMSI的诞生使得移动电话像固定电话一样，成为独立的通信工具。运营商为此进一步构建了移动交换网络（Mobile Switch Network，MSN）。移动通信系统的业务架构的变化见图1-23。
图1-23 移动通信系统的业务架构的变化
图1-23 移动通信系统的业务架构的变化（续）
自此，移动通信系统终于可以摆脱固定电话增值业务的地位，开始独立发展业务。事实上，由于AMPS的出现，全球各大电信运营商陆续开始进行移动通信业务的拆分，移动通信正式作为一个独立运营实体开始出现，这也是为什么直到这个时代，才可以称得上是移动通信时代的真正开始。
尽管，比起MTS时代，第一代通信技术的通信成本已经大幅下降，但第一代通信系统对于广大的普通民众而言仍然属于奢侈品。1987年，中国广东省开通了全国第一个移动通信网，当时移动电话设备的公开售价大概2万元，但由于供给有限，大部分用户只能通过黑市购买，而黑市的移动电话售价曾高达5万元。而且，为了能够开通业务，用户还需要向运营商缴纳入网费6000元。每分钟的通话费用是0.6元，而且是双向收费！也就是说无论用户是主呼还是被呼，都要被收费。算下来1小时的通话费大约是80元，这相当于当时中国一个普通工人一个月的工资。并且，无论是否通话，都需要每月缴纳基础服务费200元。
图1-24所示是当时最流行的一款蜂窝移动通信手机。它是由摩托罗拉生产的DynaTAC 8000X。如果按质量核算，它每克的价格要比纯金还贵。能够拥有它的人往往都具有远远超出普通人的经济实力，所以民间就把这个移动电话戏称为“大哥大”。即使是这些用得起摩托罗拉“大哥大”的人，也分三个阶层。第一阶层的用户虽然购买了大哥大终端，但并不开通服务，这样，既省去了入网费用，又省去了每个月的基础服务费用。他们携带“大哥大就相当于佩戴了一件昂贵的首饰，起到的作用是身份的标识，拿着这样的电话与人谈生意时比递给对方一张标着总经理的名片还要管用。第二阶层的用户在此基础上开通了网络服务。但他们平时基本不使用，也会特意叮嘱其他人不要打他的移动电话号码，只有在万不得已的紧急情况下，才会使用移动电话进行通话，拿着大哥大就是为了面对紧急情况时得到保障。第三阶层的用户才会像使用固定电话一样随意使用移动电话。但即便是这些凤毛麟角的富豪，也不可能像现在的在校学生那样动辄煲几个小时的电话粥。他们不是没有这样的需求，而是无法承担这样的通话费用！
第一代移动通信系统虽然有所进步，但运营商显然不能接受移动通信网络只能为少数富人服务的情况。无论是为了通信的社会效益，还是为了运营商自身的经济效益，扩大移动电话的使用群体都是通信行业必须推动的发展目标。这就需要进一步提高系统的通信容量，让用户的平均通信服务资费进一步降下来，让更多的人用得起移动电话。但是在蜂窝通信网络这样的方案基础上，还有可能进一步提升网络的通信容量吗？
答案是：有可能，方法还不止一个！
图1-24 DynaTAC 8000X
AMPS只是第一代移动通信系统实现的一种形式，在全球范围内除了北美采用AMPS技术外，在北欧和苏联所采用的是NMT（Nordic Mobile Telephone）系统；在英国所采用的是TACS（Total Access Communication System）；德国采用的是C-Net系统；法国采用的是Radiocom 2000系统；西班牙采用的是TMA系统；意大利采用的是RTMI系统；日本采用的是NTT研发的TZ-801、TZ-802和TZ-803系统；KDDI采用的是基于英国TACS演进的JTACS。
尽管这些技术标准在通信协议的细节上千差万别，但他们都采用的是频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）技术。多址技术本质上是划分通信信道的方法，它决定了通信系统容量。FDMA的特点是按照不同的频率来划分通信信道，见图1-25。在FDMA的系统中，每一组通话都占用一对频率。一个用于发送，另一个用于接收，这就组成了一个信道。在FDMA的机制中，这个通信信道是独占的，一个通话占用了这个信道，其他通话就不能再占用这个信道了。这就意味着，一对收发频率只能支持一个通信信道，因此一对收发频率就只能支持一组通话，这是FDMA系统通信容量的基本限制。
图1-25 FDMA工作原理示意
这也是第二代移动通信系统要进一步提升蜂窝系统通信容量的主要入手点，即要打破信道对于频率的独占性。20世纪90年代，数字通信技术面世为解决这一问题带来两个极其精妙的方案！
第一个技术方案是由美国的电子工业联合会（Electronic Industries Associations，EIA）以及电信行业联合会（Telecommunication Industries Associations，TIA）在1991年联合发布的时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）的通信技术。顾名思义，不同于FDMA按照不同频率划分信道，TDMA是按照不同时间划分频率的。
TDMA的基础是建立在数字信号处理的科学理论的基础上的，在数字信号处理中有一个被称为奈奎斯特采样定理（Nyquist Sampling Theorem），它的意思是说：你可以对任意一个模拟信号进行基于一定时间间隔的采样，只要采样频率大于被采样信号最高频率的两倍，你就能通过采样的信号完全恢复原始信号（见图1-26）。
图1-26 TDMA对语音信号进行数字采样，然后传输数字信号，并在接收端进行信号还原
这就意味着可以在传输过程中使用数字信号。由于数字信号并不是连续的而是存在固定的时间间隔，TDMA就可以将一个频率划分成不同的时间间隙（时隙，Time Slot），如果每组通话的数字信号传输只占一个时隙那么一个物理频率就可以容纳多组通信同时进行了。这也就相当于凭空将一个物理信道划分成多个虚拟信道（见图1-27）。
比如，我们将一个频率按照时间段划分成A、B、C、D 4个时隙，A组通话的数字信号在时隙A进行传输，B组通话的数字信号在时隙B进行传输，以此类推。那么由于各组通话都是在不同时隙里进行传输的，所以通话信号之间不会相互干扰，我们把时隙分得越小，这个物理信道实际承载的虚拟信道也就越多。
蜂窝通信技术在空间上把通信区域分成微小单元，TDMA技术又进一步在时间上将通信信道分成微小单元。两者叠加之后，TDMA的数字化通信技术在频率资源不变的情况下，就可以凭空几倍地扩展通信系统的容量！这对于通信行业来说算得上是一个划时代的飞跃，将其称为新一代通信技术名副其实。
图1-27 TDMA按照不同时隙传输不同的通话内容
TDMA技术不仅可以扩大通信系统的容量，更重要的是它的数字化信号传输过程具有很高的抗干扰性和安全性，因此，TDMA的通信质量要优于模拟通信系统的通信质量。通信质量高，同时系统容量高，TDMA自然就成了全球通信系统设备制造商的追捧对象。北美在原有第一代移动通信系统——AMPS的基础之上进行数字化改造，推出了新的Digital AMPS（D-AMPS）。它能够基于TDMA技术在一个物理通信频段上构建出3个虚拟通信信道，也就是说它能对原来的通信系统容量进行3倍的提升。D-AMPS在1993年首先由美国的AT&T公司和加拿大的Roger Wireless Networks进行了商业部署，之后很快就在北美地区全面普及。
北美虽然是TDMA技术的发源地，但应用TDMA技术最成功的地区却是欧洲。欧洲电信标准委员会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）根据TDMA技术推出了全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）技术标准。GSM技术标准的特点不仅仅在于它采用了TDMA技术，它还有一个独特标准定义就是可以将每一个GSM系统用户的国际移动用户识别码（IMSI）写到一个称为SIM卡的存储模块内。这张SIM（Subscribe Identification Module）卡不仅可以安全地存储IMSI号码，让手机的内置程序随时读取它，还可以与手机分离，随意插到其他的GSM标准的手机之中进行工作，这在当时被称为“机卡分离”。这是一个十分拉风的能力因为在此之前，用户的移动电话号码是完全写死在手机里的。用户如果需要更换一个新手机，只能放弃原号码，重新申请一个新的移动电话号码。而SIM卡的引入使得电话和电话号码解绑，这意味着用户可以随心所欲地更换手机而不会失去已被朋友熟知的电话号码。机卡分离不但解决了用户的实际使用问题，也彻底激活了手机行业。正是从GSM时代开始，手机生产厂商开始极尽所能地生产漂亮的手机。拥有了GSM服务的用户也会因为持有GSM手机而倍感时尚。
GSM很快就凭借其魅力征服了世界。自1991年诺基亚公司在芬兰建设了第一个商业GSM系统大获成功之后，GSM技术标准开始走出欧洲，成了全球移动通信的公共标准。在其后的发展过程中，GSM曾一度实现了全球电信行业近90%的市场覆盖，GSM网络遍及了全球193个国家和地区。直至今日世界上很多地方仍在使用GSM服务。GSM也因此被称为移动通信历史上最成功的技术标准。
除了美国的D-AMPS和欧洲GSM技术标准之外，日本NTT实验室于1989年还发布了另外一种采用TDMA技术的通信标准，这就是个人手持电话系统（Personal Handy Phone System，PHS），很多人对于PHS可能并不熟悉，但是对于它的中文名字一定很熟悉，那就是“小灵通”。“小灵通”其实是中国电信将PHS技术引入到中国后为其所推出的服务品牌所定义的名称，但人们已经习惯于称中国的PHS系统为“小灵通”系统。
PHS其实是从DECT系统演化出来的技术标准，DECT（Digita Enhanced Cordless Telecommunications）即数字增强无绳通信，是欧洲ETSI发布的一种技术标准。它的基站部署和系统建设要比GSM简单得多，相关设备也便宜得多，所以，PHS又被称为“穷人的大哥大（Poor Man’s Cellular）”。不过，不同于电信级的GSM标准，PHS的低成本不是通过技术进步实现的，而是通过技术简化实现的。PHS系统在覆盖能力和通话质量上要比GSM差很多，用户必须忍耐经常性掉话、断线。另外，由于这个系统在全球范围只有日本、中国和泰国等有限区域进行了网络部署，因此其支持国际漫游的能力也远远不及GSM。
通信技术的竞争永远都是这样，谁的生态基础大，谁最终就会胜出！由于GSM的广泛部署，参与GSM生态的企业都可以享受更大的边际效益，因此，随着GSM的发展，PHS原本在价格上的优势也很快被缩小。同时由于用户群体有限，PHS设备供应商也没有动力进一步提升系统能力，或生产时尚的高端手机，再加上PHS明显的服务质量劣势，在短暂的运营之后，全球各地运营商就开始普遍放弃PHS，原来PHS的部署区域也很快被GSM所替代。我国也于2009年由工业和信息化部发文中止了PHS在中国的进一步实施和发展。
我们在前文谈到有两个精彩的技术方案可以进一步解决蜂窝系统的通信容量问题，TDMA技术是其中之一，而另一个技术方案就是曾一度引领通信技术发展主线的码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）技术。
CDMA技术是一个非常神奇的技术方案，它不需要像TDMA那样把一个频率分成若干时隙进行信道的虚拟化复用，它让所有通话仍然可以使用同一个频段同时通话且不会相互干扰！它的神奇之处就在于，它采用不同的编码来定义不同的信道，并用这种编码的差异来屏蔽不同信道之间的相互影响（见图1-28）。举个例子来说，在同一房间内，我们有A、B、C、D 4组人在进行通话。如果我事先定义好，A组用中文，B组用英文，C组用法文，D组用德文。尽管他们在同一空间里讲话，但是收话方只会接收他能听懂的语音。
图1-28 CDMA通过对转换成数字信号的语音进行不同的编码运算实现信道隔离
单从技术角度讲，CDMA具备很多优势。由于编码方式的数量几乎没有什么限制，因此，它的频率复用能力比TDMA更强，CDMA的系统容量比第一代的AMPS要大10倍，比基于TDMA技术的GSM也要大5倍不仅如此，由于CDMA采用编码方式进行语音隔离，所以CDMA没有频率干扰的概念，它的通话质量还要远远高于GSM。另外，由于其对于频率干扰的敏感性相对较小，因此，CDMA网络的频率规划就相对简单，建网成本就比GSM要低很多。所以，尽管当时GSM技术标准发展如日中天，但CDMA技术仍被认为是比GSM先进的数字通信技术。
图1-29 好莱坞女演员 海蒂 · 拉玛
这里需要澄清一个小小的轶闻，当年CDMA流行时，曾经盛传CDMA技术是一个叫海蒂·拉玛（Hedy Lamarr）的好莱坞女演员发明的（见图1-29），而且据称海蒂·拉玛是在弹钢琴时产生了灵感，然后她随手就画出了CDMA系统的设计图，并申请了专利。这确实与历史事实相近，只不过，海蒂·拉玛所发明的是跳频（Frequency Hopping）通信技术，而非CDMA技术。跳频技术主要是通过随时变动无线电频率来对通信进行加密的，这也是海蒂·拉玛在弹钢琴时通过观察音符的跳动产生乐曲旋律而领悟到的。CDMA技术虽然也采用了跳频工作的技术内容，但它与跳频技术完全是两个不同层面的技术内容。
事实上，CDMA技术最早是由苏联的科学家德米特瑞·阿奇夫（Dmitry Ageev）在1935年的学术论文中发表的，1958年，苏联就采用了CDMA技术部署了他们的Altai全国移动电话系统，而这时候，摩托罗拉才刚刚开始在美国部署IMTS。虽然发明CDMA技术的是苏联人，但CDMA真正的发扬光大还是要归功于美国的高通公司（Qualcomm）。高通公司自1985年成立，就一直矢志不渝地推动CDMA技术标准。高通公司特别崇尚高质量的通信，公司的名称也正是来自于Quality Communication的前缀缩写。CDMA技术十分符合他们对于技术效果进行追求的理想。在高通公司的推动下，TIA/EIA于1995年正式把CDMA作为美国电信行业的通信标准，称为IS-95或cdmaOne。
高通公司对通信行业发展的贡献不仅仅来自于其对于CDMA技术的推广，更在于它颠覆性的商业理念重新塑造了电信行业的商业格局。在那个时代，电信行业的设备商、网络运营商等几乎都有自己的前沿技术实验室，他们研究通信技术，生产相关设备和芯片，并推动相关技术标准。对于先进的技术成果他们都更倾向于封闭，他们更希望好的技术只为自己所用，并借此领先其他对手。技术专利在他们看来就是阻止竞争对手发展的技术壁垒。高通公司的核心理念却完全不同，他们认为：如果所有参与者都能接触到所有的专利发明，那么通信行业就会实现最快、最有效的增长，高通公司自身也将会从中受益。
高通公司因此将自身定义为通信行业创新发展的引擎，为了能够使专利费用不对市场的最终价格形成过高影响，他们还制定了一系列的专利交易的商业规则。比如，专利使用费不能超过手机厂商手机批发价格的5%；如果上游已经支付了专利费用，则下游不再需要支付专利费等。设备供应商既可以从高通购买通信芯片进行通信设备的组装，也可以从高通购买技术专利使用权，自己生产芯片、模组等核心组件。高通公司这种围绕核心技术进行经营的商业模式反过来又使得它能够比其他公司更加专注于对通信核心技术的研究。
在其后的很长一段时间里，高通公司专利的数量都一骑绝尘般地远远甩开了其他的通信企业。高通公司也在此过程中得到了十分迅猛的发展，构建了令通信行业咋舌的神话！
高通公司1997年上市时股价只有14.32美元，经过短短三年时间，高通公司的股价飞跃至237.35美元，历史上从未有任何其他公司实现过这样惊人的成长。这首先当然归功于高通公司恰恰处于通信行业发展的风口，它自己又拥有卡位的技术能力，但更值得思考的是它先进的生态化商业思维。高通公司坚信如果能够通过一个生态合作实现更大价值，那么自身的获益也一定会远远大于自己封闭地去做所有事情所获得的收益。这种开放的商业理念，随着通信行业的不断发展在各个领域不断被验证。
无论是TDMA技术还是CDMA技术都是以数字信号处理技术为前提条件，这也是为什么人们将第二代移动通信称为数字化移动通信时代的原因。数字信号处理技术是移动通信实现第二代飞跃的基础。将信号数字化之后，人们得以对通信信道进行各种各样的神奇操作，以至于在有限的频率资源下，神奇地、大幅度地提升了通信系统的容量。
图1-30 摩托罗拉的StarTAC手机
虽然，这一切在现在看来似乎顺理成章，但站在当时的历史视角，能够顺势而为也并非易事。当时的通信巨头摩托罗拉就非常抵触数字通信技术。特别是，当时摩托罗拉公司成功地推出了风靡全球的StarTAC手机（见图1-30），这款手机当时被疯抢的程度完全不输于当代任何一款苹果手机。这不仅是当时最小的手机，也是当时唯一一款小于手掌可以单手操作的移动电话。摩托罗拉人对于StarTAC是如此的自豪，乃至，当时的全球终端产品负责人曾经骄傲地向记者赞叹道，“我们能够将模拟手机做得这么小，这么漂亮，数字化通信系统还有什么希望！”
深究原因，并非是摩托罗拉的战略管理者们缺乏睿智去洞察数字通信时代的来临。他们只不过忧虑这个改变对于他们全球通信市场的霸主地位产生冲击。在中国，摩托罗拉一度占有90%的市场份额，这是现在任何一个设备供应商无法想象的。
事实证明，面对时代大势，再痛苦也必须主动求变。数字通信系统凭借其高系统容量所带来的用户回报很快就拉开了与模拟通信系统在网络建设收益上的巨大差距。GSM的全球用户数量一路攀升，极大地激发了产业的积极性，时尚的GSM手机、各种GSM服务层出不穷。当摩托罗拉公司幡然醒悟之时，全球的移动通信的格局早已改天换地。欧洲通信设备制造巨头爱立信（Ericsson）乘着GSM不可阻挡的大势，迅速从斯德哥尔摩走向了全欧洲，走向了全世界。到1997年，爱立信已经拥有40%的全球移动市场份额，遍及117个国家，成了通信行业的新贵。
第二代移动通信不仅用技术手段极大地拓展了通信系统的容量，还在功能上融合了其他通信形式。在GSM标准的发展过程中，出现了一种用通信控制信道传输一定文字信息的服务，被称为短消息服务（Shor Messaging Service，SMS）。短消息服务可以被认为是与当时如火如荼的寻呼服务（Paging Service）的一种融合，寻呼业务所培养的大量用户群体被短消息服务不费吹灰之力地接管进了GSM。这不仅成了GSM的一个新业务，还同时为GSM电话增加了使用形式。0.1元/条的短消息对于GSM用户而言是一种经济的GSM电话使用方法。人们可以先通过短信进行联系，然后再根据当时的情况和自己的经济能力确定是采用固定电话进行回复还是通过移动电话直接回复。这种选择降低了用户购买GSM服务的心理门槛，推动了GSM用户的进一步增长。
对于运营商而言，短消息所消耗的网络资源又远远小于通话过程所消耗的网络资源，因此短消息带来的利润远远超过语音通话带来的利润。在这样的双赢因素的推动下，短消息很快就成为电信运营商的核心收入来源之一。众多短消息设备厂商和内容服务商也因此一夜暴富。短消息的火爆使得人们普遍意识到通信行业就是一个随时可能喷发的金火山，只要能把握住一个热点需求就可以通过它庞大的用户基础获得极高的成长速度。那时，通信行业最流行的词汇就是“杀手应用”。寻找短消息之后的下一个“杀手应用”成了行业参与者们普遍的追求。那时最流行的融资逻辑就是：“中国有几亿的移动通信用户，我的商业计划就是每年只赚每个用户1元钱！”
短消息服务所带来的更为本质的变迁是在1992年，第一条短消息“Merry Christmas”经由英国沃达丰的GSM网络发出后，移动通信系统的性质开始悄然发生了变化。在此之前，移动通信网络就是一个纯粹的语音通话服务网络，而短消息服务使得这个网络开始逐渐向信息网络进行演进。
一旦这个信息通信能力有所显现，人们就开始探索推动它进一步发展的途径。GSM短消息时代，也是互联网方兴未艾的时代。人们不满足于通过互联网内容提供商用短消息服务的形式将互联网上的丰富信息发送到手机上，人们更希望能够像使用计算机一样，随时上网自由浏览。那时通信行业的理想就是能够让移动通信网络和互联网结合，让人们拥有一个随时随地、永远在线的信息网络。
图1-31 诺基亚7110手机
为了推动这种移动互联网络的发展，1998年，爱立信、摩托罗拉、诺基亚和无线星球（Unwired Planet），成立了一个行业协作组织WAP Forum，这个组织旨在对移动互联网的各种尝试进行标准化并在全球范围内进行推广。WAP是Wireless Application Protocol的简称。本质上WAP是一种对互联网工作协议的简化，包括用WML替代HTML用于降低所需传输的数据量并适应移动终端的显示能力，也包括一系列诸如WDP、WTLS、WTP、WSP、WAE等技术协议以用来满足移动通信网络特性和移动终端特征。
1999年10月，全球第一个WAP服务由荷兰移动电话运营商TelstortBV首次推出。芬兰的手机制造厂商诺基亚公司（Nokia），还为此服务专门推出了NOKIA 7110手机（见图1-31）。但令人遗憾的是，WAP推出的效果远远低于预期，不但不能比拟短消息的成功，而且可以说是极其失败的！为了等一个菜单页面的反应，花费5分钟时间是再平常不过的事情。几乎没有任何业务可以成功地在这样的平台上展开，行业广泛嘲讽WAP不是“Wireless Application Protocol”而是“Worthless Application Protocol”（毫无价值的应用协议）。初次尝试的失败，动摇了很多通信人的信心，很多人开始反思，移动通信网络是否就是应该聚焦于通话，互联网是笔记本电脑的事情，就不该把它带到通信世界来。
然而，就在全球一片失落的阴霾之中，日本NTT DoCoMo重新点燃了移动互联网的烽火。他们推出了一个名为iMode的移动互联网服务。iMode采用了NTT DoCoMo特别开发的私属通信协议，它用私属的ALP替代了互联网的HTTP，甚至用私属的TLP替代了互联网的TCP/UDP，HTML语言也被C-HTML替代，所有这些改造都大大强化了互联网应用在移动网络上的可用性。
iMode最成功的设计是：它不仅是一种技术协议，还是一种生态协议iMode允许应用开发者专门为移动通信网络开发应用，并且能够和运营商进行收入分成，这极大地激发了开发者的创新热情，开发者们开始绞尽脑汁让自己的应用能够充分地对移动网络特点进行优化，并由此博得用户的青睐，从而实现对自己的商业回报。一时间iMode生态声名鹊起，iMode应用从电子邮件到办公工具，从时事消息到各种游戏应有尽有。iMode业务也成了DoCoMo移动通信业务收入的主力。
当时DoCoMo的一款iMode钓鱼游戏的收入就可以抵得上欧洲一个中等运营商全部的数据业务收入。iMode验证了移动互联网的技术可行性并且让人们看到了移动互联网的巨大商业潜力。iMode作为“杀手级模式开始成为全球各大运营商争相效仿的对象。欧洲、亚洲、大洋洲的众多运营商甚至开始大量引入iMode成功的应用。
细究原因，iMode成功的关键其实并非是它的技术比WAP有多么出色，而是它主动破除了移动运营商业务的封闭性，全面主动地引入了广泛的生态力量为其创造业务收入，这与高通公司的思路异曲同工！自iMode将移动互联网激活之后，移动通信技术的发展命题就开始变得更加多元，对于新一代通信技术的需求不仅仅是通信系统容量提高，而且还有提升数据传输速度的命题。于是就催生了所谓2.5代通信系统的出现，这就是通用分组无线服务（General Packet Radio Service，GPRS）。
GPRS是由欧洲电信标准委员会（ETSI）为了应对iMode的成功而推出的另一种移动数据传输与交换技术。由于其采用的是更互联网化的数据传输机制，因此，GPRS的数据传输速率要比GSM基于电路交换（Circuit Switch）的传输机制要快得多。标准的GSM数据传输速率大约只能达到9.6kbit/s，而GPRS的传输速率可以达到114kbit/s，快了10倍有余。而且，由于GPRS采用的是互联网式的数据分组交换传输机制，因此，它不需要像通话过程那样先要建立连接，然后进行通信，再拆除连接的复杂过程，它随时就可以发送和接收数据包，而且即便是用户正在接听电话，数据传输也不会受到影响。因此，GPRS系统也被称为“永远在线”的通信系统。
严格意义上说，GPRS是一个与GSM共享无线接入网络的通信系统。它在无线技术的实现上，实际上是将GSM的一些传输时隙固定用于数据传输，这样就保障了数据传输的带宽（见图1-32）。
图1-32 GPRS对于传输信道的使用示意
而在交换层面，GPRS与GSM各有各的交换网络。无线接入网收到用户端的数据后会由分组控制单元（Packet Control Unit，PCU）来辨别和分拆数据包中的语音和数据，PCU会把语音的部分传送给语音交换网络，把数据的部分传送给数据交换的核心网络（见图1-33）。数据核心网络的出现为原来纯粹面向连接的电信网络结构增添了新的元素，也为日后电信网络基本服务架构的改变埋下了伏笔。
图1-33 GPRS为移动通信网络建立了单独的数据交换中心
GPRS系统有效地提升了移动网络的数据传输速度，开启了数据应用的广阔天地，它不仅使得原本不堪忍受的WAP业务变得实用，同时也大大提升了短信业务的能力，如果用GPRS发送短信，每分钟可以发送30条而在GSM控制信道发送短信通常每分钟只能发送6条左右。这是对于既有主力数据业务5倍能力的提升，这使得GPRS变现的周期更短，经济效果呈现得更快。随着GPRS业务的开展，移动通信网络的数据业务呈现了蓬勃发展之势。WAP应用、WAP Push消息、JAVA程序下载等都成了继短信之后，移动通信运营商新的杀手业务。
数据业务的命题确定了，但承载数据业务的网络技术竞争却越发激烈。GSM+GPRS的技术标准与CDMA技术标准各霸一方，各不相让。在GSM通过与GPRS融合构建实现了114kbit/s的数据传输能力的同时，以高通公司为主导的CDMA技术阵营也进一步推出了cdma2000技术，CDMA技术本来就是基于数据传输的技术，因此在数据传输领域具有原生的技术优势。cdma2000推出后，CDMA的传输带宽又进一步扩大了两倍传输速率可以高达153kbit/s，超越了GPRS的传输速度，CDMA技术取得了暂时的技术领先优势。但随即，GSM家族又推出了EDGE（Enhanced Data Rates for GSM Evolution）技术进一步将GPRS的数据传输速率提升至400kbit/s，业界称之为2.75G标准。
欧洲ETSI主导的GSM技术标准与美国TIA/EIA主导的CDMA技术标准，由此展开了迎接3G技术标准的白热化争夺。双方都各自建立生态体系和技术联盟，各自进行技术迭代，你来我往，互不相让。在当时，几乎没有人能够清晰地判断这场技术竞争的结局，全球的运营商们大都首鼠两端，不敢轻易投入所有赌注，一场通信行业的大思辨、大争夺也就此拉开了序幕。
在3G到来之前，行业的气氛像极了今天的5G，大众对3G普遍充满了憧憬，但也普遍充满了疑惑。3G到底要朝哪个方向发展，3G网络应该具备哪些特征，这是当时全球通信行业都在深入思考的问题。通信行业自最早的MTS面世以来，还是第一次就通信技术的未来发展，进行如此全面的、深刻的、全球性的思考。
1996年，在国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）的主导下，所有成员国经过讨论，正式开始对未来公众陆地移动通信系统（Future Public and Land Mobile Telecommunication System，FPLMTS）进行愿景式规划，并将FPLMTS更名为IMT-2000（International Mobile Telecommunication 2000）（见图1-34）。IMT-2000就是3G的正式名称。它描述了ITU对于未来通信系统发展的框架性目标，这个目标随着时间的推移不断更新，4G时代更新为IMT-Advanced，而今天的5G在ITU的正式名称是IMT-2020！
ITU是一个国际联盟组织。因此，它的工作方式是汇集各个国家技术组织的建议并组织相关的讨论形成国际标准。符合ITU标准的产品更容易在全球范围内进行推广，因此所有的电信行业参与者都会极力将对自己有利的标准推进成为ITU的全球电信标准。为了能够在ITU上实现更大的话语权，各个国家的技术组织往往也因为共同利益建立专题性标准发展组织，并联合将技术标准建议提交给ITU。围绕3G的主题有两个著名的标准组织：3GPP和3GPP2。
图1-34 IMT2000通信世界愿景框架
3GPP（3rd Generation Partnership Project）是1998年， 由美国、欧洲、中国、日本、韩国、印度等7个区域性电信标准组织建立的3G标准联合研究组织。它的目标就是基于GSM技术，定义未来3G通信的技术标准体系，包括无线接入网络、核心网络、通信终端以及服务框架4个方面工作内容。而且，原来的CDMA技术标准生态机构为了应对3GPP对于GSM技术标准的推动，于同一年成立了3GPP2的组织，拉开了与3GPP分庭抗礼的架势。3GPP2的组织由北美的TIA（Telecommunications Industry Association）、日本的ARIB/TTC、中国的CCSA（China Communications Standards Association）和韩国的TTA（Telecommunications Technology Association）4个主要的标准组织构成。3G技术标准之争的主战场就是由3GPP和3GPP2两大标准组织所驱动的，它们各有拥趸，各有生态，比拼的就是对未来的看法。
2000年第一季度，3GPP正式发布了Release 99，并将其命名为UMTS（Universal Mobile Telecommunication System），UMTS可以称为是第三代移动通信的第一个国际化标准。在3GPP发布的UMTS无线传输协议的标准中，又分为两种不同的技术实现思路，它们分别是 UMTS-FDD（UMTS频分复用）和UMTS-TDD（UMTS时分复用）。有趣的是，UMTS虽然是基于GSM体系所发展起来的技术标准，但在无线通信协议上它却采用了更加适合数据传输的CDMA技术。
UMTS-FDD也被称为宽带CDMA（Wideband CDMA，WCDMA），为了提高数据传输的带宽，它实际所做的事情是将原来cdmaOne的1.25MHz传输信道直接扩大形成一对5MHz的信道，然后让这对信道分别处理上下行的数据传输（见图1-35）。这样，WCDMA的数据传输能力在物理基础上就已经超出原来cdmaOne系统的几倍。形象地说，这就好比把一条单行道路，改造成了双向四车道的道路。基于此，WCDMA可以支持7.2Mbit/s的下行传输速率和5.7Mbit/s的上行传输速率。这与GPRS 114kbit/s的传输速率相比提升了60倍以上，完全不可同日而语。
图1-35 UMTS-FDD（WCDMA）信道工作机制
2001年10月，日本的NTT DoCoMo正式推出了全球一个3G服务FOMA（Freedom of Mobile Multimedia Access），而这个服务正是采用了WCDMA技术。虽然WCDMA技术的优势明显，但当时对于WCDMA的批评声音也不绝于耳。最主要的原因是，人们认为WCDMA虽然数据传输能力很高但其对于频率资源的使用效率太低，形成了太大的资源浪费。
所以，比WCDMA更加精巧的UMTS系统标准才会出现，这就是UTMS-TDD标准。UMTS-TDD方案利用了TDMA系统的特点，它仍然像GSM网络那样，将通信信道分成若干虚拟信道以扩大信道容量，而与此同时，UMTS-TDD在虚拟信道的传输过程中又采取了CDMA的编码方式，这使得每一个虚拟信道的传输能力可以得到二次的容量提升（见图1-36）。不同于FDD模式，UMTS-TDD不需要为上下行通信专门建立信道，而是在同一物理信道中，分配一部分时隙用于上行传输，另一部分用于下行传输，这就比在WCDMA模式对于频率资源的使用效率更高。凭借将TDMA与CDMA技术的优势结合，UMTS-TDD可以实现下行2.8Mbit/s，上行2.2Mbit/s的数据传输速率。
图1-36 UMTS-TDD信道工作机制
值得一提的是TD-SCDMA技术标准，这个技术标准最早是基于德国西门子（Siemens）公司的SCDMA（Synchronous CDMA）技术，后经中国电信技术研究院、大唐公司以及西门子公司联合开发，改造成为一个属于中国自主可控的3G通信标准。对于中国通信行业而言，TD-SCDMA就像是辽宁舰，它使得中国第一次走上了世界通信标准主要制定者的舞台。它对于中国摆脱在通信技术上过分依赖于西方起到了关键性作用。TDSCDMA比UMTS-TDD更进一步，它不再固定分配哪些时隙用于上行，哪些用于下行，而是可以根据实际情况灵活配置，这就给网络资源使用提供了更大的自由度。
2009年中国政府正式将TD-SCDMA列为中国的3G实施标准之一，并把带动这个产业发展的任务交给了中国移动。虽然，当时TD-SCDMA技术还存在很多问题，整体生态的成熟度也远不如其他技术标准，但也正是因为这段实践，才使得中国目前在5G的技术标准上能够得到突飞猛进的发展，建立了对于国际通信标准举足轻重的话语权。
虽然WCDMA、TD-SCDMA在通信协议上并不相互兼容，但它们均能够基于原有的GSM进行平滑的升级。而且，终端方面也可以实现对于两种通信协议的兼容。因此，从生态角度看，这两种技术标准属于同一生态家族，这也是3GPP组织向ITU推荐的3G两大技术标准内容。
另外，3GPP2标准组织则在原来cdmaOne的技术基础上，推出了cdma2000的技术标准。由于3GPP2的cdma2000与其2G技术的cdmaOne都是采用CDMA技术，因此，其从2G的cdmaOne系统过渡到3G的cdma2000系统将十分平滑，这就意味着运营商将付出很少的系统升级代价就可以实现2G到3G的升级。这是cdma2000技术标准相比UMTS技术标准而言最大的竞争优势。
在向cdma2000演进的路线上，3GPP2第一阶段首先推出了cdma2000 1X技术标准。其中的“1X”代表cdma2000将在原来的cdmaOne的通信信道基础上扩大1倍的信道容量。cdma2000 1X对于cdmaOne的编码技术进行了进一步优化，将原来cdmaOne的64个编码信道拓展到128个。这就是CDMA技术的特点所在，它能够十分便捷地通过编码技术提升信道的容量，而不需要在频率资源上做文章。
不过，虽然cdma2000 1X可以有效提升信道容量，但cdma2000 1X的数据传输速率只能达到153kbit/s，这虽然相比GPRS的数据传输速率有所提升，但难以和UMTS的兆级传输速率抗衡。为此，3GPP2又进一步推出了cdma2000 1X-EVDO。EVDO将cdma2000 1X的语音信道和数据信道分开，从而使得数据信道可以支持下行（前向链路）数据速率最高到3.1Mbit/s，上行（反向链路）速率最高达到1.8Mbit/s，接近了UMTS的通信能力。
由于在cdma2000技术标准向3G演进的过程中，运营商进行系统改造所需要付出的成本最小，因此，在世界范围内有很多运营商采用了cdma2000的技术体系，据3GPP2自己的统计，截至2014年，全球共有118个国家和地区的314个运营商采用了cdma2000的技术体系。
所以，从全球范围的实践层面看，WCDMA、cdma2000、TDSCDMA 3种技术也是3G网络实施的最终选择，它们分别来自欧洲、美国和中国。
美国的无线通信行业发展较早，因此，很多通信频率已经被分配，通信频率资源十分匮乏。在美国通信工业协会（TIA）看来，WCDMA技术是在没有明确商业场景的情况下对频率资源的极大浪费。因此，以高通公司为技术代表的美国通信行业把cdma2000技术作为其3G技术实现的主要选择。而欧洲为了扶持自己的3G产业生态发展自然是将WCDMA作为3G网络的实施方案。
中国当时对于这3种技术标准的未来发展持比较谨慎的观望态度。除TD-SCDMA具有战略意义之外，WCDMA和cdma2000到底谁会成为未来世界的主宰，很难判断清楚。因此，我国政府向三大运营商分别颁发了不同的3G技术标准的商业经营许可。中国联通拿到了最具应用优势的WCDMA技术，中国移动获得了最具战略意义的TD-SCDMA技术，而中国电信则拿到了最小升级代价的cdma2000技术。中国也是当时世界上唯一一个将所有3G技术标准都投入商用的国家。
在第三代移动通信的发展过程中，3GPP2的cdma2000技术由于一直受到带宽的限制，在传输速率上远远落后于3GPP技术标准的发展，尤其是3GPP后期又陆续推出了传输速率更快的3.5G技术标准系列：HSPA（High Speed Package Access）、HSPA+（High Speed Package Access+）以及DC-HSPA（Dual Carrier High Speed Package Access）等，这使得3GPP在技术标准的领先性上与3GPP2拉开了越来越大的差距。在3GPP发行的Release 11版本中已经可以将3G网络的传输速率提升到337.5Mbit/s。为了应对来自3GPP的巨大压力，3GPP2组织在2006年宣布了其基于cdma2000 1X-EVDO技术标准将进一步发展为UMB（Ultra Mobile Broadband）技术的构想。UMB的设计数据传输速率可达280Mbit/s，可以形成对于HSPA技术系列的抗衡。
纵观3G时代，3GPP的UMTS技术体系和3GPP2的cdma2000技术体系对于未来的争夺十分白热化，大家都在完善自己的技术体系试图在4G的全球技术标准选择上一举击溃对方，但它们其实并不是仅有的候选者！
就在3GPP和3GPP2两个标准组织为争夺4G技术标准的主导权而进行你追我赶的演进时，另一个标准组织却早已悄无声息地来到通信世界的前台，这就是美国电气和电子工程师学会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）的802.11技术标准体系。
1999年，一个基于这个技术标准体系的全球联盟Wi-Fi Alliance成立（见图1-37），深刻地改变了通信世界的发展格局。特别是，苹果公司在1999年首先在iBook系列中采用了Wi-Fi的网络连接，并专门推出了AirPort Base Station的产品（见图1-38）用于提供Mac电脑与网络的无线连接，给通信世界造成了极大震撼。深深浸染了乔布斯的产品设计理念，AirPort Base Station的造型脱俗，性能卓越，让计算机用户第一次感受到了不用网线就可以连接上网的美妙自由。Wi-Fi技术标准也因此一炮而红。随即，IBM也不甘落后并于2000年在笔记本电脑ThinkPad 1300系列中推出了Wi-Fi功能。
当时的Wi-Fi连接可以提供11Mbit/s的无线传输能力，这比当时的3G系统的实际传输能力要快出几倍。Wi-Fi技术从天而降并迅速在IT用户市场普及，强烈地动摇了通信世界的网络观。
图1-37 Wi-Fi的Logo
图1-38 苹果公司的AirPort Base Station
当时，本来就存在着对于移动通信网络向高带宽发展的严重质疑，不仅仅是频率资源的使用问题，更重要的原因就是高带宽、高速率的网络能力缺乏实际的应用场景。人们当时无法想象一个移动电话，平时充其量是进行网页浏览，为什么会需要10Mbit/s以上的数据传输速率？即使真有这么大数据量的内容提供给移动电话，凭借移动电话的计算能力也无法支持这种内容的实时接收与呈现。除非是一台笔记本电脑才可能有这样的数据传输量需求，但问题是谁又会捧着笔记本电脑四处移动呢？
Wi-Fi的降临触发了通信行业最深层的思考，移动通信网络到底为什么服务的问题被提了出来。4G的技术标准之争本来就已经非常纷乱，Wi-Fi的加入使得局势更加混乱。运营商看着Wi-Fi热点正在抢走本该属于自己的流量，也都开始防御性地部署Wi-Fi网络。当时，出现了一种非常流行的思潮认为通信网络的未来就应该是移动的语音通信网络（Mobile Voice Network）再加上游牧的数据通信网络（Nomadic Data Network）构成（见图1-39）。
图1-39 移动式通信（Mobile Communication）与游牧式通信（Nomadic Communication）
所谓的游牧式的数据网络，是指用户并非在持续移动的状态下使用网络，网络虽然支持用户移动，但也认为用户只有停止移动之后，才可能在笔记本电脑上进行大数据量的传输。因此，数据网络应该更关注传输带宽和传输速率方面的性能，而不需要像电话网络那样关注移动性和广域覆盖能力。这种想法得到了以Intel为首的IT厂商的强力支持，这也是电信行业与IT行业第一次在移动通信领域交手。
IEEE为此创建了802.16的技术标准体系，这个技术标准体系也称为WiMAX技术标准，见图1-40，WiMAX是Worldwide Interoperability for Microwave Access的首字母缩写。相比于Wi-Fi，WiMAX的目标从构建一个本地无线网络（Wireless LAN），提升到了构建一个广域的移动网络（Wireless WAN）。从覆盖范围上来看，当时Wi-Fi的覆盖范围基本上在100米左右，传输速率可以达到54Mbit/s，而WiMAX的覆盖却可以达到40英里（1英里≈1.6093千米）以上，并提供70Mbit/s以上的传输速率。另外，由于Wi-Fi主要面向局域网需求而设计，因此其对每个终端所提供的接入带宽是固定的，因此Wi-Fi能够支持的终端连接数量也是非常有限的，对于一般性使用邮件，下载中等大小文件的应用而言，一个Wi-Fi接入点仅能够支持25个终端的使用，但WiMAX网络可以动态地为每个终端分配不同的带宽，因此可以提供几百个用户的同时连接。这些功能大大强化了WiMAX网络作为公共通信网络的服务运营能力。
由于WiMAX是一种基于IT行业需求的技术标准。因此，这项技术也得到了以Intel、IBM等为代表的IT厂商的大力推动。他们纷纷宣布在未来的笔记本电脑中全面支持WiMAX技术。WiMAX的接入能力也成了当时笔记本电脑的时尚配置。笔记本电脑当时被认为是数据消费的主力终端，运营商也不断推出各种无线网卡来鼓励通过移动网络进行互联网的连接。
图1-40 WiMAX论坛的Logo
IT厂商对于WiMAX的热捧，很大程度上推动了通信行业对于未来网络的认知。WiMAX网络和Wi-Fi网络可以结合起来构建一个非常完整的数据通信网络，而笔记本电脑就是这个网络的最主要的用户通信设备（见图1-41）。一个笔记本电脑在一天内产生的流量，可能比一个手机一年产生的流量还要多。游牧式数据通信网络作为重要的流量收获空间也因此得到了全球运营商的极大关注。亚洲和欧洲的一些运营商甚至也在积极研发自己的游牧式网络技术标准。
图1-41 支持WiMAX的笔记本电脑
比如韩国的WiBro（Wireless Broadband）和欧洲的HiperMAN（High Performance Radio Metropolitan Area Network）等。这些技术标准也都是基于IEEE 802.16的变种，与WiMAX的功能和特征十分类似。不过最终这些技术标准还是因为生态的弱小被融入了WiMAX的大技术社区之中。至WiMAX论坛发布WiMAX 2.0时，WiMAX的数据传输速率已经可以达到100Mbit/s，当时的3G通信技术从传输速率上是无法望其项背的。
WiMAX强大的数据传输能力使其在发展初期展现了强劲的势头。到2010年，据WiMAX Forum的统计，全球有148个国家部署了超过592个WiMAX网络，覆盖了6.21亿多人，这个数字在2011年又迅速拓展到8.23亿人。行业内人士当时普遍认为WiMAX就是数据通信世界的未来！当时的各种世界级通信展会上，占据迎面主咖位置的一定是WiMAX技术WiMAX技术不仅一时抢了UMTS和cdma2000的风头，也顺理成章地成为4G的核心候选技术标准之一。
但是随着移动终端技术的不断发展，WiMAX作为下一代移动网络通信技术的问题也越来越明显地呈现在世人面前。首先，移动通信网络建设是一个巨大的投资，任何投资方都希望自己的投资具有较大的杠杆效应，而WiMAX技术与其他技术相比最大的劣势在于其不能向后兼容已有的通信系统和通信设备。这意味着，投资建设以WiMAX为标准的网络将等同于抛弃之前所有的网络设备投资，这不仅意味着运营商需要重新投资建设一个新的移动通信网络，而且各种基站设备、交换设备、终端设备以及移动应用等的生态体系也需要相应地重新建立。这对于运营商和投资者而言代价过于沉重，很难令人全力以赴。
其次，WiMAX毕竟是一个源自于IT社区的技术标准，在满足移动通信服务的很多性能指标上，WiMAX的表现都差强人意，甚至根本不具备可用性。比如对于移动性的支持，由于WiMAX最初的设计理念就是面向游牧式通信的服务，所以，一旦用户进入持续移动状态，比如在车中，其通信性能就会显著下降。WiMAX设计之初，这被认为是稀有场景，无须重点考虑，但实际上，人们捧着笔记本电脑边移动边操作的场景非但不是稀有场景，而且随着笔记本电脑越来越轻薄，续航能力越来越强，这一场景变得越来越普遍。WiMAX糟糕的移动支持能力，也因此难以让用户忍受。
最后，还有一个WiMAX的原生问题，就是WiMAX信号穿透性。WiMAX虽然理论上可以覆盖40英里（1英里≈1.6093千米）范围的区域，但是由于WiMAX采用的是高频的2.5GHz/3.5GHz载波频段，其信号的穿透性非常差，距离基站2km的室内环境基本上就失去了信号联系，所以，即便是支持游牧式通信服务，WiMAX也捉襟见肘。为了能够保障服务的质量，运营商往往必须应对比部署UMTS要复杂得多的WiMAX网络部署。
综合所有这些原因，ITU在推动4G标准时最终放弃了WiMAX的4G候选地位，ITU放弃了WiMAX也就同时意味着WiMAX的技术定位完全终结。鉴于Wi-Fi仍在继续发展高速无线局域网的事实，再进一步推动WiMAX就显得毫无意义。因此，IEEE也不得不于2017年宣布中止对于WiMAX标准的继续发展和支持。WiMAX由此全面退出了通信历史的舞台。
WiMAX的惊艳亮相给通信世界带来了很大的冲击和思考，尽管最后它黯然离场，WiMAX仍然给通信行业留下了很多财富，例如，大规模天线阵列（MIMO）技术、波束赋形（Beam Forming）技术等，这些技术都成为后来4G、5G通信技术标准的重要内容。
WiMAX对通信世界未来发展的基本判断是：手机只能是一个通话终端，由于供电电池和计算能力等诸多因素的限制，手机不太可能进行大数据量的计算，因此，手机的主要使命还是打好电话，收好信息。真正的大数据流量只能来自游牧式的笔记本电脑。在当时看来，这个判断逻辑非常合理，大众也普遍接受这就是未来通信技术发展的轨道。但在不足十年的时间里，这个对于未来通信行业发展的判断却被两个通信行业之外的技术内容彻底否定。
其一，就是RISC处理器的出现。RISC是Reduced Instruction Se Computer的首字母缩写，与之相对应的是传统处理器CISC（Complex Instruction Set Computer）。顾名思义，RISC处理器是对CISC处理器的一种简化，因为在很多移动终端设备中，并不需要计算单元具备复杂的指令执行能力，因此计算芯片可以去除对那些不必要指令的支撑能力。而这样做之后，不仅可以大大降低芯片设计的复杂度、芯片的体积、硬件生产的成本，还可以大幅度降低移动终端设备的耗电量。这些特征以及其所带来的经济效益促使计算设备制造商开始重新设计自己的产品。
最早采用RISC处理器的是Sun Microsystem的SPARC工作站，其后IBM的PowerPC等也开始跟进，随后有大量的芯片制造商开始采用RISC处理器，其中最有代表性的产品就是英国计算机制造商Acorn Computers的ARM处理器——Acorn RISC Machine，后更名为Advanced RISC Machine。
进入21世纪后，RISC处理器的特点开始被移动通信设备厂家所广泛认知。ARM处理器以其低能耗、低成本的特点为手机成为计算平台铺平了道路。因此，智能终端开始兴起，大量智能终端在市场上涌现。这些智能终端的功能远远超出了一个普通电话的通话和收发信息的能力。其中，流行的产品有苹果手机（见图1-42）、微软视窗手机、黑莓手机等。在这些智能手机中，通话功能只是众多应用中的一个。移动办公、移动娱乐、移动媒体等新概念开始作为更加重要的移动信息服务出现。原来WiMAX所构想的通信世界完全被颠覆，大部分的移动数据消费确实不是在笔记本电脑上完成的，而是在手机终端上完成的！而且随着Pda、iPod等平板类设备的进一步出现，移动数据消费量开始极速增长。手机终端作为计算平台的属性远远超越了其作为通信平台的属性，而这一切的改变正是基于RISC处理器所撬动的新计算技术基础。
图1-42 苹果公司的iPhone 3
其二，推动手机成为移动数据消费终端的因素除了RISC处理器以外，还有另一个巨大的引擎就是手机终端的软件操作系统。在3G时代，手机操作系统基本上都是封闭的，摩托罗拉有自己的Java系统，微软有Windows CE，黑莓有BlackBerry OS，诺基亚有Symbian系统。所有的这些操作系统只为厂家自己的终端服务，开发者如果想让自己的应用程序安装在手机厂商的终端平台之上，就需要面向厂家特定的操作系统进行应用的开发、测试和发布，并为此付出大量精力和成本。由于这些手机厂商的操作系统相互之间并不兼容，因此应用开发者如果希望自己的应用程序能够为更多的用户所使用，就必须去适配不同厂家的操作系统。应用开发者为此则需要重复进行不同平台的开发和测试工作。这样的市场推出成本和效率极大地打击了手机应用开发者的积极性。对于高质量的应用，手机终端厂家通常还会要求应用开发者签署排他性协议，不允许应用开发者在其他平台发布相同应用，这也大大降低了优秀应用程序的普及范围。从用户的角度而言，他们所看到的就是移动应用十分匮乏，因此他们使用移动终端的场景也会相对有限。
在到了3G发展的中后期，手机生产厂商普遍意识到了不同手机平台面向移动应用全面兼容的重要性。2007年，由谷歌公司倡议并主导，建立了手机开放协会（Handset Open Alliance，HOA），当时有33个厂家参与到这个协会之中，包括手机制造商、应用开发商、移动网络运营商，甚至包括一些芯片制造商。而其后统治移动设备操作系统半壁江山的安卓（Android）移动终端操作系统，正是这个组织最主要的产物。
安卓操作系统是一款基于Linux内核的完全开源开放的操作系统，任何人不需要为其使用权支付任何费用。为了保证操作系统的一致性，所有参加HOA的成员单位都被禁止基于开源版本独立开发任何其他的新版本，这极大限度地保护了安卓操作系统的一致性和兼容性。为了方便开发者，HOA还同时发布了安卓系统的开发工具——Android SDK，使得移动应用的开发难度大幅度降低，开发者群体也因此得到了快速增长。自2008年当T-Mobile把第一款商用的安卓手机HTC Dream带到市场之后，安卓操作系统以其卓越的性能、开放的社区、丰富的应用开始大面积地被手机终端厂商所采纳，由此所引发的是智能电话价格因为应用开发成本的降低而大幅下降，与此同时，智能终端应用却得到了极大的丰富，这就大幅增加了用户使用智能终端进行数据消费的场景。
智能终端硬件成本的降低和移动应用开发成本的降低，像两匹飞奔的骏马，牵引着移动数据的消费量的爆炸性增长，使其最终呈现井喷式发展状态，这为面向数据传输的移动网络提供了充分的服务内容，人与移动终端的关系也因此变得越来越密切。
3G时代发展的后期，移动通信网络需要面向数据传输服务的需求越来越清晰。ITU发展下一代网络通信技术最核心的目标获得了广泛的共识。面对3G时代所形成各种4G候选技术，ITU决定进行统一规划，启动了一个名为 True 4G的规划工作。这其中主要的候选技术包括3GPP在Release 8版本中所描述的基于UMTS的LTE技术演进路线（Long Term Evolution）、3GPP2官宣的UMB技术演进路线，以及IEEE的WiMAX2.0三大候选技术。
其中，UMB技术是3GPP2 在2006年基于cdma2000 1X-EVDO所提出的技术演进路线。UMB技术路线虽然消除了其前身使用CDMA技术过程中的许多缺点，但由于美国高通公司对于UMB的知识产权几乎是垄断性的，这使得UMB通信标准始终也没能取得大规模的生态支持。事实上，全球范围内没有一家运营商宣布采用UMB作为其4G网络建设技术的规划。而且，由于CDMA技术本身的限制，UMB又不得不采用一些LTE的技术内容来完善自身的能力。UMB技术越往后发展，其所采用的LTE技术内容也越多，这使得UMB作为一个单独技术标准存在的意义越来越小。终于，在2008年11月，作为UMB技术标准的主要推动者，美国高通公司不得不宣布中止一切有关UMB技术的继续研发，UMB因此成了首先退出True 4G竞争的技术标准。
UMB技术退出不久，WiMAX技术也由于前文已经谈到的原因退出了4G标准的竞争，LTE当仁不让地成了True 4G通信技术的唯一标准，它也成为通信历史上第一个被全球运营商一致采用的技术标准，全球通信标准的大统一因为LTE的最终胜利而实现。这对于通信发展的历史而言是一个伟大的里程碑，因为，通信网络的基本构建形式就在于连接。连接的标准越统一，构建连接的成本也就越小，而基于连接的效益也就越高。
LTE是Long Term Evolution首字母的缩写，它本来是3GPP Release 8版本中一个研究工作组的研究课题。该课题本是探讨UTMS技术如何进行长期技术演进的。其实，3GPP刚推出LTE的概念时，LTE并不能满足ITU所定义的4G技术的所有标准，所以，LTE在当时实际被称为3.95G技术。但由于LTE不仅涉及了无线接入技术，还全面涵盖了核心交换网络的未来设计思路，以及诸多应用场景的实现思路。因此，它得到了全球运营商的普遍关注，LTE技术也成了True 4G中最完善的技术标准。而且，相比而言，LTE技术有一个巨大的优势就是其对于GSM、UMTS、cdma2000等技术标准完全兼容，它甚至对于2G通信技术也能实现网络建设上的兼容，这意味着运营商如果采用LTE技术升级原网络到4G网络将会节省大量的投资。
成本低就是硬道理！2004年，日本NTT DoCoMo首次提议将LTE作为全球通信技术的统一标准。这一提议一经提出立刻得到了大多数行业参与者的积极响应。2007年5月，一个旨在促进供应商和运营商之间进行LTE试验的全球协作组织——LSTI联盟（LTE/SAE Trial Initiative Alliance）成立。LTE标准的发展也因此得到了一个全球性实践平台。在仅仅两年之后的2009年，欧洲的电信运营商TeliaSonera 就在挪威推出了全球第一个使用LTE技术的USB调制解调器服务。其后，全球主要的CDMA运营商，如美国的Verizon、Sprint、MetroPCS，加拿大的贝尔和Telus，日本的KDDI，韩国的SKTelecom以及中国的中国电信、中国联通等都陆续宣布了他们将网络迁移到LTE的计划。
生态的推动力量是巨大的，为了全面满足ITU对于4G标准的要求，2011年，LTE又进一步发布了升级版本LTE-Advanced。到LTEAdvanced技术标准的正式发布时，LTE的设计能力已经可以支撑下行300Mbit/s、上行75Mbit/s的传输速率，还可以支持低于5ms的网络时延以及350km/h的移动通信能力，并支持单播、多播、广播等多种通信机制，全面满足了日常生活中的各种数据通信需求。2015年，3GPP发布了LTEAdvanced PRO，所有移动通信技术的发展被统一到了同一个轨道，直至今日LTE的技术发展仍在演进之中。
LTE技术其实内含两个技术标准：一个称为LTE时分双工技术（LTE Time-Division Duplex），也简称为LTE-TDD或TD-LTE；另一个标准称为LTE频分双工技术（LTE Frequency-Division Duplex），也简称为LTE-FDD或FD-LTE。
LTE-TDD技术和LTE-FDD技术的主要差异在于上下行数据在传输时的分割方式不同。LTE-FDD技术用一对不同的频率分别用于上下行的数据传输，因此，它被称为频分双工技术，这样的双工方法使得上下行的信道更加稳定和可靠。而LTE-TDD的上下行数据则使用同一个频率，按照不同时隙来分割上下行的数据传输。由于LTE-TDD的上下行数据用时隙隔离，因此其在上下行频率带宽的分配上更加灵活一些。LTE的两种信道分割形式见图1-43。
图1-43 LTE的两种信道分割形式
从性能角度看，LTE-TDD在高频段表现更好一些，而LTE-FDD在低频段表现更好一些，两种标准各有千秋。尽管LTE-TDD和LTE-FDD有一些技术差异，但它们所采用的绝大部分核心技术是完全一致的，所以大多数的LTE网络和终端设备都可以同时支持这两种协议模式，因此它们在实践中可以被视为是同一种技术标准。
LTE除了在无线通信协议层面进行了数据通信的优化之外，为了能够满足未来网络面向数据通信的核心需求，LTE技术标准还引入了另外一个更加重大的变革性动作，它将网络架构进行了重新设计并将其简化成为完全基于IP的通信系统，这是一次革命性的网络架构改变。3GPP甚至将其与LTE无线接入网标准统一的重要性等同，这就是LTE技术协议中的通信系统架构演进（System Architecture Evolution，SAE）。
SAE是一种全IP的网络架构。在谈论全IP网络架构之前，我们先简要介绍一下传统电信核心网络的工作原理。我们想象整个电信核心网络是一个邮政系统，如果我们用传统电信核心网络的工作机制发送一封邮件，它的过程大体是这样的，发信人在发出信件之前，首先需要向邮局询问收信人是否能够收到邮件，邮局会沿着邮政脉络一个邮局一个邮局地问下去直到问到收件人本人。如果收件人表示可以接收，那么这个确认信息再沿着原路一个邮局一个邮局地传回发信人。当发信人收到确认后，同时也会锁定从发件人到收件人的整个邮件传输路径，然后才会将邮件发出，并让邮件按照这个路径送达收件人的手里。这就是电信基于连接的信息传送方法，它的优点是可靠，只要信息发出，则必会到达。但它的缺点是网络使用效率太低，这一方面体现在发信人和收信人完成通信的过程都必须进行长时间等待，另一方面体现在他们传输信件的过程之中，整个信道被独占，见图1-44。
在这个过程之中，网络需要经历一个非常复杂的信令交换过程，如连接申请、连接响应、数据发送申请、数据接收响应等一系列指令动作，而每一个指令动作相互确认都意味着大量的等待时间和网络资源消耗。
全IP网络则采取了一个完全不同的方式，它不是基于连接而是基于地址，它更像我们今天邮局的工作机制。信息的发送方把要寄的信件写好收件人姓名和地址之后投递给附近的邮局，对于其他事情就不用再操心了。这个邮局就会帮你一个邮局一个邮局地传递下去，直到把信件传送到收件人的手里。如果没有找到收件人，邮局就会把信退回给你，你可以选择重新投递或放弃。邮寄信件的过程之中，你只需要关心你是否寄出了你的信，其他结果则基于这个传输链路的最佳努力。这样做的好处在于大大降低了整个通信过程中的等待时间和对于网络资源的占用时间，见图1-45。
图1-44 电信行业面向连接的信息传输方式
图1-45 全IP的信息传输方式
全IP的网络架构去除了面向连接的请求1应答机制，意味着传输时延的大幅度降低，同时也意味着网络数据传输的吞吐能力的大幅度提升。这种架构无疑更加适合数据通信。事实上，基于全IP的网络架构不仅数据传输的速率高、时延低，而且网络结构也更加简单，建设和运维成本也都会显著降低。这些都将最终导致传输数据的单位成本大幅度降低，而传输数据成本的降低必然会推动用户的数据通信资费得以进一步降低，用户也因此更加无所顾虑地利用移动终端进行面向互联网业务的各种数据交互。
数据通信资费的不断下降改变了用户生活和工作的行为模式，从而推动了4G网络成为连接互联网化企业和互联网化用户之间的信息桥梁，并从根本上引发了一场产业级的革命——“互联网+”。其实“互联网+”应该准确地表述为“移动互联网+”，因为，综合前文所述，4G网络实际上在默默推动和运作着众多的技术支撑能力，才得以能够将大量数据带到用户面前如果没有像4G这样的移动网络作为互联网商业的用户通道，互联网对于商业的作用将会大大缩减。是技术推动产业的变革，还是产业的变革呼唤了技术的诞生，仁者见仁，智者见智。可以肯定的是，4G网络从根本意义上改变了移动通信行业在各个产业中的地位，它从一个独立的行业，慢慢开始融入其他行业之中，变成其他行业不可分割的一部分。
4G的LTE技术是通信发展历史上的一次巨大成功，它在统一了全球移动通信标准的同时，也在各个方面全面地满足了人们日常生活的需求。人们在行色匆匆之中低头点击着手机屏幕可以观看任何希望看到的内容，可以随意召唤任何所需的物品，可以被指引到任何想去的地方，移动通信与生活完美地融合并默默地发挥着巨大的作用。这一切正如同通信发展历史中固定电话的巅峰时代，一切如此之完美，人们很难看到未来的发展空间。我们还想要什么？你说更快的速度，但更快的速度用来做什么呢？事实上，“我们是否真的需要5G”是当下一个被经常提及的话题。更有甚者，有一些群体甚至谈到5G的出现不过是通信设备厂商、通信网络运营商为了寻求新的业务增长机会而向社会强推的技术概念。
通信行业是一个极端民主的行业，一切的成功与失败最终需要每一个用户的投票表决。仅是技术或服务提供者们构建一个华丽的开始，完全无法导致一个必然的成功。同时，通信行业又是个重资产投入行业，一念天堂、一念地狱。在这个行业中一项技术的成败与一个互联网企业的一款APP的成败完全是不同尺度的概念。没有人会在电信技术发展的轨道上进行“试错”式的赌博，一切都必须深思熟虑，循序渐进。5G经过十年的规划、研究、讨论、选择、决策，最终面世，绝非一个行业的技术和商业愿望，其后有着巨大的社会需求在推动，只不过这一社会推动力不再像以往那样容易被大众消费者所感知。
科技发展有很多平行的线索，通信技术只是线索之一，通信技术在发展的过程之中会不断地与其他科技发展线索进行交互产生共鸣式的影响。比如，计算技术的发展就是其中一个对于通信技术发展影响至深的线索。RISC处理器把手机这个通信终端打造成了便携式计算平台，从而掀起了以智能终端为基础的数字化生活浪潮，移动通信网络得以大显身手。计算技术的发展却并没有因此停止，更加微小、更加简捷的计算技术不断推动着更小的设备，以更小的耗能和更低廉的价格实现从电子控制设备向着微型计算平台的方向演进，而且推动这一演进的力量是来自全方位。MISC（Minimum Instruction Set Computer）技术可以进一步支撑更高经济效益的微型处理器；EUV（极紫外光刻）技术可以实现纳米级的光刻精度构建超高集成度、超小体积的芯片。所有这些都在推动各行各业之中各式各样的电子设备普遍具备计算能力，而一旦设备拥有了计算能力，就必然会开始进入智能化的演进过程。从技术发展的进程来看，设备智能化的进程越来越快，成本越来越低。
图1-46是美国卡内基梅隆大学机器人研究学院Hans Moravec教授的一张非常著名的计算能力演进图表，图中所展示的是人们花费1000美元（按1997年的货币计算）可以获得的计算能力，其中计算能力以MIPS来衡量。
图1-46 Hans Moravec教授的计算能力演进示意
从图1-46中可以看到，在20世纪60年代，1000美元获得的计算能力还不如一个细菌的思维能力。而这一切发展得如此迅速，到了如今人们只需要1000美元就可以实现与人脑一样快的计算能力。
设备智能的进化需要营养，而这个营养就是数据，智能设备需要更多的数据，也会产生更多的数据向外输送，而构建数据通道的方式只有一个——建立网络连接！这就是导致设备连接需求大爆发的深层原因之一，也是5G被赋予的网络技术发展的核心命题。
需要深刻地意识到，5G通信技术的需求与以往任何一代通信技术需求之间的巨大差异。5G之前的通信网络是面向人群的，面向人群的通信网络无论是终端设备还是网络特征都是非常一致的。一个移动通信用户拿着手机在整个城市漫步，他对于网络的需求没有什么差别，事实上他希望网络的性能是高度一致的。而5G是面向物群的，“物”可就不同了，每一个“物”的计算能力和计算目的都不一样，所以，它们所需要的网络能力也完全不一样。5G网络提供“物”的连接服务，不但需要能够满足所有这些“物”对于网络能力的不同需求，而且还必须能够按照它们所处的不同应用场景，用户化地提供这些能力！
如果5G构建了这样一张网络，能够让所有的“物”都实时获得各种数据并进行自由计算。那么，具备连接能力的“物”们，就必然会一骑绝尘般地拉开与不能连接的“物”们之间的功能差距。没有连接的“物”们，最终会因为缺乏智能而被用户抛弃。进一步去想象，那些由智能的“物”所构建的组织、社会和国家会因此产生怎样的竞争优势，这无疑是不容被忽视的重大变革力量，也是5G成为全球政治、经济、文化等诸多方面焦点的重要原因。
这一切看起来很未来主义，但实际上人们已经为此在各个方面准备了很久。就在我们期待在各种宣传材料中所看到的5G应用场景能够真实地呈现在我们面前的时候，5G必定会静悄悄地潜入到比以往的通信技术更加广阔的领域之中。5G不是为某一个杀手应用而来，它是为万物之联而来，为万物之智而来。
