1.4 一个划时代的开始——从0G到1G

摩托罗拉SCR-536的出现，让我们第一次看到了手机的影子。也是因为它，摩托罗拉凭借大量的军工订单实现了资本的积累和品牌知名度的提升。

早期的摩托罗拉主要从事民用和警用车载收音机产品的研发、生产，而Motorola这个名字，也源于其在1930年推出的一款车载收音机的品牌。自从1940年其生产的对讲机产品在第二次世界大战中得到广泛使用后，摩托罗拉看到了移动电话在民用领域的巨大市场潜力，1946年推出了历史上第一个大规模商用的移动无线电话（Mobile Radio Telephone）系统——移动电话服务（MTS）系统。

移动无线电话系统是一类以无线电为媒介为用户提供电话服务的技术系统。它是我们所熟知的蜂窝电话系统的前身（0G或Pre-Cellular）。它和早期的其他无线电话系统（如民用波段无线电通信系统和对讲机系统）的不同之处在于，在它出现的年代，有线电话系统［公共交换电话网络（PSTN）］已经大规模商用，它作为PSTN的一部分为用户提供移动电话服务。它是一个开放的系统，而不像对讲机系统那样是一个封闭网络。MTS系统是第一个大规模商用的“移动无线电话系统”，它源于电话巨头“贝尔系统”（AT&T）和摩托罗拉在1946年的合作。

MTS系统的原理现在看来非常简单，用户拿着一个特殊的无线对讲机，这个对讲机并没有自己的号码，而当用户需要拨打电话时，实际上是对讲机与移动电话台话务员进行对讲式通话，告诉话务员他需要连接的电话，然后由话务员拨通有线电话后把无线对讲通话线路和有线电话通话线路进行连接，如图1-10所示。早期的MTS系统由于体积、重量大（重36kg），最初只被作为车载通话设备使用，如图1-11所示。

早期的MTS系统由于只有3个无线电频道可用（后期频道数有所增加），因此在任何一个城市均只有3个客户可以同时拨打移动电话，容量极其有限。它采用半双工设计，移动台没有电话号码，且接入PSTN需要依赖于人工接续，这使得通话效率极低。此外，该系统的无线电频道并没有进行任何加密，因此，任何一台收音机或其他终端在对应的频率上都可以听到MTS通话，而且它对用户的无线接入也没有任何保持机制，谁的信号强，谁就可以使用频道，信号弱的只能“掉线”。

正是因为MTS的诸多问题（主要是容量问题）,1964年11月改进的移动电话服务（IMTS）系统在美国西弗吉尼亚州查尔斯顿启用。

IMTS提供23个无线电频道，实现了全双工（同时说话和接听）、自动拨号（MTS需要人工报号）、自动频道搜索（实现了自动搜索空闲频道并占用，而MTS需要手动搜索）、自动接驳PSTN（MTS需要话务员手动接驳），因此，其性能相比MTS有了较大提升。摩托罗拉的IMTS设备如图1-12所示。

虽然IMTS相比MTS频道数有了增加，但仍然杯水车薪。频道数的匮乏严重限制了用户总数的增加。在20世纪70年代和20世纪80年代初期，对于希望获得移动电话服务的人来说，需要数年时间来等待其他订户退订服务。也因此，IMTS设备购买和使用费用都非常高（IMTS设备大约为2000～4000美元，每分钟通话的价格为0.7～1.2美元）。

无论是MTS、IMTS，还是本书中并未介绍的ARP（芬兰第一个公共移动电话网络）、AMTS （日本第一个公共移动电话网络）,MTA（瑞典第一个移动电话系统）、OLT（挪威第一个陆地移动电话网络）都属于“移动无线电话系统”，也就是0G。它们的一个共同特征就是使用了“大区制”，如图1-13所示，这是区别于后续1G到5G的最核心特征。

大区制部署相对目前广泛采用的蜂窝部署的优点是其网络结构相对简单，基站设备较少且单一，因此网络建设的成本相对较低。但相应的缺点也同样明显。

一个最大的问题是容量，虽然移动无线电话系统从MTS的3个频道升级到IMTS的23个频道（后续的增强系统信道数进一步增加），但整体而言，由于并未采用任何多用户复用技术（比如后期出现的TDMA、CDMA和OFDMA），可支持的同时通话数有限，容量成为制约移动无线电话系统商用的主要因素，这严重影响到运营商、设备商和终端厂商的商业利益。

另一个比较严重的问题就是干扰问题，因为早期的移动无线电话系统并未采用频率复用的方法，而且无论是基站侧还是终端侧都采用很大的发射功率（IMTS基站发射功率一般为100～250W），所以邻近基站和邻近终端间都会出现较强的小区间干扰，这使得在实际部署方案中，基站与基站间往往需要较大距离的隔离。

此外，由于大区制单个基站需要实现极大的覆盖范围，天线高度越高覆盖范围越大，因此，这对网络部署而言是一个不小的挑战；由于大区制要求较大的发射功率，终端也很难实现小型化，电磁辐射也较大，而且因为大区制利用单基站实现大范围的覆盖，也更容易因为建筑物的遮挡而出现覆盖盲区，如图1-14所示。

正是这些问题的存在，移动无线电话系统始终没有真正地走入千家万户，而是成为那个年代的“奢侈品”。

如何解决这些问题呢？

1947年，贝尔实验室工程师威廉·杨在给美国无线电制造商协会（RMA）的一份报告中提出了蜂窝的概念，即在每个城市中以六角形蜂窝布置许多移动电话塔，以便每个移动电话用户都能够通过电话系统利用至少一个蜂窝进行通信。1947年12月11日，贝尔实验室工程师道格拉斯·林在另一份内部技术备忘录中称赞威廉·杨提出的六边形蜂窝布局，并扩展了威廉·杨的概念，如图1-15所示。虽然，这份备忘录和现在的蜂窝通信还有很多明显差异，但无论如何，这两位工程师开启了一个新的时代。

贝尔实验室对蜂窝网络的设想其实就是通过在小区中使用低功率发射机完美解决容量问题。六边形的小区布局，使频率可以在非相邻小区中重复使用而不会产生小区间干扰。小区越小，重复使用的频率就越高。当然，移动终端在小区间移动时，需要切换。

虽然蜂窝网络被提出，但早期的应用推广并不顺利。在20世纪50年代至70年代整整20多年间，FCC多次拒绝为蜂窝通信批准新频谱资源（当时民用波段无线电通信的商用如火如荼，拥塞和容量问题并未引起注意），但“贝尔系统”并未放弃对蜂窝通信的研究，此时蜂窝通信的商用面临着两个重大的挑战，即允许大量呼叫者同时使用相对较少的可用频率，以及允许用户从一个区域无缝移动到另一个区域而不会掉线。最终这两个问题被贝尔实验室工程师阿莫斯·爱德华·乔尔解决，并于1970年申请专利。

1973年4月3日，摩托罗拉的美国工程师马丁·库珀博士发明了世界上第一部手持式移动电话，并完成首次通话试验，马丁·库珀被誉为“手机之父”，如图1-16所示。1978年，贝尔实验室在芝加哥安装了第一个试验蜂窝网络，如图1-17所示。1979年，日本电报电话公司（NTT）推出世界上第一个商用蜂窝网络，5年内，NTT网络已扩展到覆盖日本的全部区域，并成为第一个全国性的蜂窝网络。1981年，北欧移动电话（NMT）系统在丹麦、芬兰、挪威和瑞典同时推出，成为第一个具有国际漫游功能的移动电话网络。1983年10月13日，贝尔实验室和摩托罗拉合作推出高级移动电话系统（AMPS），在北美实现商用。自此，1G正式走上历史舞台。

从“大区制”的汽车电话到“小区制”的蜂窝通信，不得不说这是一个划时代的开始。那么，又是什么驱动了这项技术的下一次蜕变呢？