为什么5G是物联网时代判定标准？2G、3G、4G时代是怎么来的？

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今天，工业科技君主将谈论从1g到5g的进化，这是人类和信息载体之间的长期斗争。在它的背后，大国之间关于通信标准的竞争有无数暗流。

让世界分裂，过去能做的，也许能在今天的网络交流中做到。从信息的产生、传递和接收，为了缩短世界的宽度，改变信息传递的方式，人类通过技术不断地将一切有边界的东西变成无限。

模拟摩托罗拉

谈到第一代移动通信系统，摩托罗拉不容忽视。如果说at & T是有线通信，那么摩托罗拉是移动通信的先驱。

最初，无线通信主要用于航空航天和国防工业，带有军事色彩。我们经常在二战电影中看到美国通讯兵背上的15公斤重的东西，这是摩托罗拉开发的第一代跨时代无线通讯产品scr-300。

直到1973年，摩托罗拉工程师马蒂·库珀发明了世界上第一部手机——手机。手机是做出来的。什么网络用于传输？at&。T公司的贝尔实验室给出了一个迄今为止一直使用的答案，即蜂窝网络，也称为移动网络。

蜂窝网络的原理是将手机的服务区域划分成规则的六边形子区域，每个子区域都有一个基站，基站形成一个类似“蜂窝”的结构，由手机交换机控制。这个地区任何地方的手机都可以与其他地区进行通信。同时，只要标准相同，可以在两个或多个移动交换机之间进行自动和半自动切换，从而扩大了移动台的范围。

1978年，贝尔实验室提出了基于蜂窝网络的移动通信标准，即基于模拟技术的amps (advancedmobilephonesystem)，这是第一代移动通信系统(1g，1stgeneration)。

同年，国际无线电会议批准了移动电话800/900兆赫频带的频率分配方案。五年后，该系统在芝加哥投入商业使用，许多国家开始构建基于频分多址(fdma)和模拟调制技术的第一代移动通信系统。

在同一时期，欧洲国家也不甘示弱，日本、加拿大等国家积极效仿，建立了自己的第一代移动通信标准。瑞典等四个北欧国家于1980年成功开发了nmt-450移动通信网络并投入使用；德意志联邦共和国于1984年建成了c-netz。英国在1985年开发了900兆赫兹的全接入通信系统。这些网络实际上是美国amps的改进版本，主要在频带、信道间隔、频率偏移和信令速率方面有所不同，而其他网络则完全一致。

当时，中国使用英国tacs标准，中国自己的移动通信系统还是一块空白，固定网络设备都是进口的。

可以说，摩托罗拉是1g时代的唯一一家。它不仅垄断了世界手机市场，而且还是amps系统的设备供应商。全世界70多个国家采用amps标准。这也意味着美国牢牢掌握着第一代移动通信标准。

时分多址和码分多址之争

尽管美国已经建立了第一代标准，1g本身是有缺陷的。

首先，amps是一种模拟标准，容易受到静电和噪声的干扰，并且没有防止扫描窃听的安全措施。20世纪90年代，剽窃在行业内成为一种流行病，一些窃听者使用特殊设备来拦截手机信息；其次，amps仍有许多缺点，例如容量有限、仅传输语音流量、系统太多、系统不兼容、通话质量差、设备昂贵以及无法在世界各地漫游。

为了提高通话质量，业界提出2g用数字通信取代模拟通信，增加容量的主要解决方案有两种，即时分多址(tdma)和码分多址(cdma)。当时，欧美几乎所有的电信巨头都选择了tdma，只有新成立的高通公司坚持cdma。

在1g采用的fdma技术中，一个用户在通话时占用一个频道。Tdma可以在一个信道上服务多个用户。它将无线信道分成八个时隙，供八个用户轮流使用，从而提高了容量。例如，使用100赫兹表示1，105赫兹表示0，但第一个1秒表示A，第二个1秒表示B，第三个1秒表示C。只要旋转良好，5赫兹的带宽就足够三部手机使用，这只是一个严重的延迟点。这是时分多址。

从技术上讲，1989年，码分多址系统的容量被证明是时分多址系统的10倍以上。cdma在每个信号前添加了序列码，然后将它揉成一串进行传输。接收者只根据序列号接受自己的信号，就像快递员一次发送一叠信件一样，每个人都根据信封上的名字打开他们的信。不幸的是，cdma系统标准成熟较晚，错过了机会。

标准的做法是，如果有很多人大声说话，拳头有力，你就会赢。你不可能是世界上唯一一个使用它们与众不同的人。在2g时代，美国的cdma输给了欧洲的tdma，这间接成为摩托罗拉走向神坛的起点。

各国已就tdma达成共识，然后将讨论标准。此时，欧洲国家已经吸取了在1g时代走自己道路的失败教训。1982年，欧盟联合建立了全球移动通信系统(GSM)，负责通信标准的研究，爱立信、诺基亚、西门子和阿尔卡特等电信巨头也加入了进来。

Gsm最初是法国移动专家组的缩写，后来缩写改为全球移动通信系统，这显示了欧洲人向全世界推广gsm标准的雄心。

可以说，进入2g时代后，移动通信的技术和应用取得了惊人的进步。Gsm易于部署，采用全新的数字信号编码来代替原来的模拟信号。除了语音，它还支持国际漫游，并提供sim卡，方便用户在更换手机时存储个人数据，还可以发送长度为160字的短信。

高通的铁壁

但是，高通公司不愿意放弃，而且必须说，高通公司确实是一个残酷的角色，把所有的鸡蛋放在cdma的一个篮子里。

为了证明cdma优于gsm，高通公司花了几年时间进行现场实验、驾驶测试和行业演示。高通公司不仅应该制造标准，还应该制造芯片。

当所有人的注意力都集中在A上时，高通公司围绕功率控制、同频复用、软切换等技术建立了一堵专利墙，并申请了几乎所有与cdma应用相关的专利。从一开始，他们就打算独享利润，扼杀下游公司。

高通聘请了一个无比庞大的律师团队，负责申请专利、谈论专利价格、起诉侵权、通过并购等法律斗争收集所有cdma相关专利，并指控专利侵权的反对者，从而使核心专利牢牢掌握在自己手中，这也是高通公司“专利流氓”绰号的来源。

Gsm在欧洲是开放的。当时，欧洲运营商与爱立信、诺基亚等设备制造商共享知识产权，不收取专利费用。然而，高通是一家公司，他们也将cdmai算法嵌入到集成芯片中。只要使用cdma技术的手机，就必须按照销售价格向高通支付5%-10%的专利费用。这项专利费用不是一次性支付的，而是根据生产的手机数量来计算的，这可以说是一个霸王条款。目前，小米、oppo和vivo等中国品牌仍在支付这笔费用。

1994年，高通和摩托罗拉合作在香港建立了一个“白老鼠”cdma网络，但效果和服务质量都很差，更不用说欧洲运营商对cdmai的怀疑了。高通公司的“保护费”根本无法收取，这也是cdma不能在早期做gsm的一个重要原因。

随着技术的成熟，高通迎来了一个转折点。1990年，高通公司和电子通信研究所签署了一项关于cdma技术转让的协议。高通公司承诺将韩国收取的专利费用的20%给予韩国电子通信研究所，以协助其研究。韩国政府还宣布cdma为韩国唯一的2g移动通信标准，并全力支持韩国三星和lg投资cdma技术商业化。

1996年底，韩国的码分多址用户数达到100万，首次证明了码分多址商用的可能性，这使一些美国运营商和设备制造商开始恢复对码分多址技术的信心，也使韩国制造商在码分多址市场上处于领先地位。此后，美国的朗讯、摩托罗拉和加拿大的北电都成了高通的支持者，而cdma进入了北美市场。运营商verizon是cdmai的最大支持者，并于1996年在美国建立了第一个cdma网络。

美国政府也尽力向中国销售cdma，要求中国引进高通公司的cdma技术。前国家计委副主任张说:“美国政府对中国施加了很大压力，理由是中美之间存在贸易逆差，要求中国购买美国的技术。”

《三国》之战

20世纪90年代，数据量越来越大，2g无法播放。

随着全球手机用户的快速增长，gsm网络容量有限的缺点不断暴露出来。当网络用户过载时，必须建设更多的网络设施。在这种情况下，有必要将通信技术升级到3g。3g最大的优势是其更快的网络速度。2g的下载速度只有9600bps-64kbps左右，而3g的初始速度是30万-2mbps，高出30倍。

当时，没有技术被证明优于码分多址。爱立信、诺基亚、阿尔卡特等强大的欧洲制造商都知道，tdma很难与cdmai竞争，而tdma更难成为3g的核心技术，但没有人愿意接受高通的专横解决方案。

为了绕开高通公司的铁壁，爱立信、诺基亚、阿尔卡特和欧洲制造商在1998年成立了一个名为3GPP(第三代合作伙伴计划)的组织，讨论制定全球第三代通信标准的措施。

3gpp仔细参考了cdma技术，并最终开发了3g标准——通用移动通信系统(umts)。w-cdma技术意味着宽带cdmai。尽管高通公司的基础技术无法避免，但专利费用已经解决，也就是说，问题有多大。

W-cdma继续拓展其领域。自1999年以来，欧洲国家已经发行了大量基于wcdma标准的3g牌照，而英国仅通过拍卖5个3g牌照就获得了近225亿英镑的收入。

这吓坏了高通公司，高通公司很快与韩国联合成立了3gpp2(第三代合作伙伴计划2)，与3GPP竞争并推出cdma2000。

与此同时，在经历了1g空白和2g之后，目光此时来到了中国，中兴、华为、巨龙和大唐等几家通信设备厂商逐渐发展起来。起初，中国支持欧洲的w-cdmai。被封锁后，中国也想争夺3g的话语权。没有出路。中国发现了一个突破:tdd技术。

实际上，无线通信会议分配给3g的频率有两种:频分双工(fdd)和时分双工(tdd)。因为欧洲人口稀少，基站数量少，所以欧洲的w-cdma是基于fdd技术的。在相同的频率和功率下，fdd可以提供比tdd更好的覆盖。然而，中国人口稠密，而且已经建立了许多基站，所以无人关心的tdd已经成为中国的一个突破。更重要的是，国外制造商对tdd关注较少，而中国在tdd领域提高了自己的标准，这有更大的成功希望。

1998年6月，以大唐电信为主的R&D团队提出了中国自己的td-scdma标准。2000年5月，在信息产业部、中国移动、中国联通等运营商的大力支持下，国际电信联盟正式宣布将中国提交的td-scdma、欧洲领先的wcdma和美国领先的cdma2000列为三个3g标准。

虽然与其他两个标准相比，td-scdma是最弱的，所以即使中国移动在9年后获得3g牌照，中国仍然在心中打鼓，建设TD-scdma在世界上的压力是可以想象的。

然而，中国对TD-scdma的研发相当于通信领域的“两弹一星”。现在看来，这一策略非常明智，一些芯片公司如展讯已经逐渐成长起来。从那时起，我们不再受制于人的技术标准。更重要的是，我们让西方人明白了一件事:如果中国在制定标准时没有增加发言权，中国完全有能力自己制定标准，到时候中国很可能会失去市场。因此，在制定4g标准时，欧洲尽力争取中国。

标准已经确立。人们认为3g之争应该全面展开，但实际上，在2000年初，3g建设非常缓慢。因为对当时的人来说，3g的额外网络速度根本不用，而2g的gsm足以打电话和发短信。

首先，在2000年，it泡沫破裂了。欧洲受害最深。前期投资巨大的3g项目不能暂停。沃达丰、法国电信和t-mobile等运营商面临巨大的财务压力。法国电信也因巨额损失自杀。

美国误躲过了一劫，高通公司的cdma2000标准后来问世。在it泡沫破裂之前，美国没有时间发放3g牌照，直到2004年才开始大规模开展3g服务。然而，高通也好不到哪里去。它过去能够通过专利来赚钱。然而，在那些年里，全球3g市场根本不起作用，高通不得不招募数千名律师。

华为也在3g上遭受损失。事实上，华为在1998年就开始了gsm的研发，但发展很快。一年半后，它赢得了第一个gsm商业项目的竞标。当时，华为利用东南亚金融危机的影响，以比竞争对手低30%的价格赢得了东南亚的大市场。

在gsm上赚钱的华为对3g充满信心，并投入大量人力和资金攻克3g技术。华为采取了三次下注的策略，并对所有三个3g标准进行了技术研发投资，给公司造成了巨大的财务压力。华为渴望政府尽快发放3g牌照，任何标准都可以。

不幸的是，中国政府推迟了3g牌照的发放。当时，中国在3g领域什么都不需要，没有芯片、手机、基站和仪器。一切都必须从基础开始。如果3g牌照在那时发行，wcdma和cdma2000i无疑将是世界。

华为当时唯一的高业务量业务是使用3g数据卡作为便携式电脑上网，这使得数据卡的销售很受欢迎。当时，华为改进了在欧洲非常流行的数据卡。然而，与3g R&D的投资相比，销售数据卡的收入仍然是杯水车薪。2008年，也动了卖终端业务的念头，但失败了。

然后，在2007年，金融危机爆发，西方电信设备供应商受到重创。

损失惨重的朗讯将自己卖给了阿尔卡特，诺基亚和西门子的电信部门合并了。后来，诺基亚收购了阿尔卡特朗讯，北电破产，摩托罗拉被分拆出售。最终，市场上只剩下五大移动设备供应商:爱立信、诺基亚、中兴、华为和三星。为什么中兴和中国什么都没做？排名上升了几倍。

Lte统一了河流和湖泊

当时，一个穿着牛仔裤和蓝色夹克的男人走上了历史的前台，他已经几千年没有改变了。

2007年，iphone水平空诞生了。史蒂夫·乔布斯用ios和iphone的完美结合重新定义了智能手机。几乎与此同时，谷歌发布了安卓系统，高通公司发布了第一代Snapdragon芯片。

iphone的出现重塑了终端市场的格局，诺基亚被拉下了神坛，曾经的手机大国日本已经完全退出了终端市场，而这些空的缺点将在未来被中国制造商填补。

iphone的深远意义在于appstore推动了移动互联网业务的井喷，企业家用app创造了丰富的内容和业务，人们对速度提升的需求突然被引爆。在经历了七年的糟糕生活后，3g终于找到了自己的家。

随着智能手机的发展，w-cdma已经发展成为3.5g的hsdpa和3.75g的hsupa，但cdma技术框架并没有改变。根据这一发展，以码分多址为核心的技术可能会一直主导4g，但不幸的是，它适得其反。

中途，有一个头号人物闯入市场，打乱了所有计划。他的名字是情报。

信息技术行业的英特尔在wifi领域取得成功后，扩大了其雄心，并希望进一步侵占通信技术领域。与普通wifi相对应的标准是ieee802.11，而抢占土地的标准是802.16，这是一个城域网标准，即覆盖范围更广，其商业名称是wimax。

Wimax采用正交频分复用技术。Ofdm不是一项新技术。贝尔实验室早在20世纪60年代就发明了它，80年代建立了一个相对完整的链接技术框架。ofdm技术已经在adsl、dvb等领域商业化。1998年，当3g提案被征集时，也有几个基于ofdm的提案，但是没有一个能与高通公司exorcist viterbi领导的cdma阵营相提并论。

Ofdm通过循环前缀和频域均衡等不太复杂的技术有效地消除了用户间的干扰，其效果远远优于cdma。

除了高通之外，当ofdm重返视野时，所有电信巨头都欣喜若狂:它可以有效地提高4g的传输速率，并且可以绕过高通的cdma专利陷阱。最后，没必要再看高通的脸了。

2008年，3gpp提出长期演进(LTE)作为3.9g技术标准。由于这项技术需要澄清，高通的专利陷阱太深，3gpp在2011年提出lte-advanced作为4g技术标准，并准备用ofdm取代w-cdma。

4g标准最终统一到了lte，高通失去了优势，陷入了危机。

高通公司已经看到了ofdm的发展前景。持有大量资金的高通公司最终发现，美国有一家名为flarion的公司，专门将ofdm用于移动通信。他们开发的系统叫做flash-ofdm。高通公司在2006年立即投资了8亿美元收购了它，而“专利流氓”拥有了flarion的所有专利。

高通公司主要致力于解决ofdm同频复用问题，并采用干扰平均的思想。高通的软切换技术可以继续应用于lte。2007年，高通公司提出了cdma2000i的演进和升级版本umb(cdma+ofdm+mimo)，并希望继续保持cdmai的优势。

然而，高通公司过早地感到高兴，而被高通公司专利费用严重滥用的lte公司从未支持过高通公司的计划，排除了他所有的软移交专利。此外，全球覆盖的基站是w-cdma，因此所有主要运营商都决定采用lte-advanced作为第四代通信技术标准。

2005年，lte阵营加入了一支重要力量。在中国在法国召开的3gpp会议上，大唐联合国的厂商提出了基于ofdm的tdd演进模式方案，同年11月，3gpp工作组会议通过了中国对td-scdma后续演进的ltetdd技术方案。

lte阵营变得更加强大，天平很快落到了欧洲一边。高通公司看到它在3g中建立的技术系统被摧毁，而umb很快被压制，因为没有支持。高通停止了umb，并宣布每隔一年加入3gpp的lte阵营。在4g时代，美国不仅没有和老对手欧洲竞争，还眼睁睁地看着中国崛起。

Lte核心专利包括sfr、sofdm、sc-fdma、turbocode和alam-out code。Turbo和alam-outicode是史诗般的技术，但专利已经到期或即将到期。华为发明了前两个，占据了lte核心专利的位置

从那以后，作为拥有4g核心专利的巨头之一，中国已经成为美国在世界上的竞争对手。

一场不能输的比赛

Lte在4g时代统治了江湖，在普及的过程中，5g时代开始了。

5g将使单位面积的移动数据流量比4g增加1000倍；在传输速率方面，典型速率将增加10到100倍，峰值传输速率可达10gbps(4g为100 Mbps)；同时，端到端时延缩短5-10倍，频谱效率提高5-10倍，网络综合能效提高1000倍。5g的速率可以描述如下:下载一部文件大小为1g的电影只需要一秒钟。

由于5g的频率如此之高，对我们来说，5g的印象可能仅限于终端应用，如vr、ar和无人驾驶。然而，在国家层面，5g也是人工智能和大数据的一个重要转折点，它对经济、军事和国际关系的重塑可以用革命性的词汇来描述。

这至少是未来十年的全国性运动。

根据“光速=波长×频率”的公式，频率越高，波长越短，5g波长可短至毫米。此外，频谱利用率的提高主要是通过信道编码技术实现的，信道编码技术是信息论之父克劳德·香农在1948年提出的。与此同时，他还提出了著名的香农极限，即在给定带宽上，以一定质量可靠传输信息的最大速率。信道编码技术可以实现无限接近，但不能超过这个速率。

几十年来，经过几代人的努力，信道编码技术已经越来越接近香农极限。

法国人在1991年发明的Turbo码被认为是第一个接近香农极限的编码方案。

1996年，一些研究表明turbo码的性能可以通过使用ldpc长码来实现，高通公司为ldpc码的发展做出了巨大贡献。

2007年，erdalarikan教授提出了华为的极坐标编码。极坐标码的纠错性能超过了目前广泛使用的turbo码和ldpc码，被认为是唯一可以达到香农极限的编码方法。

迄今为止，已经产生了三种代码。在2016年国际通信大会上，一些技术巨头就5g-embb(增强型移动宽带)领域的通信标准、高通公司的ldpc方案、华为的polar方案以及欧洲的ldpc+turbo方案展开了激烈的讨论。会议就5g技术进行了投票。在turbo码被彻底击败后，欧洲公司开始支持ldpc码，因为他们拥有更多的ldpc码专利。从1g到4g，美国和欧洲的利益从未如此统一。面对强大的竞争对手，美国和欧洲最终在5g时代站在了一起，5g标准之争从中国和美国、欧洲演变成了中国和美国、欧洲之间的对抗。

最终，高通以一票之差击败华为，全面赢得了5g-embb标准，而华为只获得了5g短码的国际标准。目前，embb场景的编码方案已经在5g的三种场景中确定，但urllc(超可靠、低延迟通信)和mmtc(海量机器通信)场景的标准仍有待商榷。

高通公司在获得制定5g标准的专利权后，很快宣布了按照旧程序使用专利权的费率标准。无论是谁使用其他部件和芯片，只要使用ldpc网络，单模(5g)手机收费2.275%，多模(5g/4g/3g)收费3.25%。

如果我们估计目前国内手机的出货规模，我们将每年向高通支付大约300-400亿的专利费用。

但华为也不是素食者。2019年6月，德国专利数据公司iplytics对全球主要公司持有的5g基本专利数量进行了排名。全球有11家制造商拥有超过100项基本5g专利，华为以1554项专利位居全球第一，中兴、大唐和oppo分别拥有1208545项和207项专利，高通以846项专利位居第六。

去年，华为还要求美国最大的运营商verizon支付230多项专利的许可费，总金额超过10亿美元，涉及核心网络设备、有线基础设施和物联网技术。

尽管华为拥有最多的专利，但高通的专利更核心。在5g通信领域，涉及的专利技术太多，很多公司分别拥有不同技术的专利，导致5g领域复杂的交叉许可协议。使用华为的短码标准时，高通需要支付部分专利费用，使用高通的5g标准时，华为也需要支付专利费用。总的来说，华为给了高通更多的专利费用。

因此，美国再次瞄准华为的手机业务。高通、arm、谷歌和其他重要供应商都表示，他们将暂停与华为的合作，并在芯片和操作系统层面打击华为。从一开始，关于5g标准的争议就不是华为和中兴之间的事情，这场竞争还没有结束。

5g市场已经足够大了，但并不像想象的那么大。这个市场是有上限的。这场竞赛在美国是一场“零和”游戏，别人得到的就是美国失去的。中国的残忍不会带来任何好运。归根结底，这也是一场不可输的国家大赛。