从2g到4g是什么原理？

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图片来源@视觉中国

文丨产业科技

今天产业科技君来聊一聊从1G到5G的演进，这是一场人类与信息载体的长期斗争，其背后大国之间关于通信标准争夺较量，更是蕴含着数不清的暗流涌动。

让世界分裂，从前核武器能做到的，今天网络通信或许也能做到。从信息的生成、传输到接收，人类为了缩短世界的宽度，改变信息的传递方式，不断通过技术将有界限的一切变成趋近于无限。

模拟之王摩托罗拉

说起第一代移动通信系统，就不能不提摩托罗拉。如果说当年AT&T是有线通信之王，摩托罗拉就是移动通信的开创者。

最初，无线通信主要应用于国家级的航天与国防工业，带有军事色彩。我们常在二战电影里看到美国通讯兵身上背的那个重达15公斤的玩意，就是摩托罗拉研发出的第一代跨时代的无线通信产品SCR-300。

直到1973年，摩托罗拉工程师马丁·库珀发明了世界上第一台移动电话——大哥大。移动电话是造出来了，传输用什么网络？AT&T公司的贝尔实验室给出了一个沿用至今的答案，那就是蜂窝网络，也称为移动网络。

蜂窝网络的原理是把移动电话的服务区分为一个个正六边形的小子区，每个子区设一个基站，这些基站形成了酷似“蜂窝”的结构，并受一个移动电话交换机的控制。在这个区域内任何地点的移动电话都可以和其他地域进行通信，同时，在两个或多个移动交换机之间，只要制式相同，还可以进行自动和半自动转接，从而扩大移动台的活动范围。

1978年，贝尔实验室基于蜂窝网络开创了最早的移动通信标准——以模拟技术为基础的高级移动电话系统（AMPS，Advanced Mobile Phone System），这就是第一代移动通信系统(1G，1st Generation)。

同年，国际无线电大会批准了800/900 MHz频段用于移动电话的频率分配方案。5年后，这套系统在芝加哥正式投入商用，许多国家陆续都开始建设基于频分复用技术（FDMA，Frequency Division Multiple Access）和模拟调制技术的第一代移动通信系统。

同一时期，欧洲各国也不甘示弱，日本、加拿大等国也积极跟进，纷纷建立起自己的第一代移动通信标准。瑞典等北欧四国在1980年研制成功了NMT-450移动通信网并投入使用；联邦德国在1984年完成了C网络（C-Netz）；英国则于1985年开发出频段在900MHz的全接入通信系统（TACS，Total Access Communications System）。这些网络实际上是美国AMPS的修改版本，主要是频段、频道间隔、频偏、信令速率不同，其他完全一致。

当时，中国使用的是英国的TACS标准，中国自己的移动通信系统还是一片空白，固定网络设备也全靠进口。

可以说，1G时代的王者非摩托罗拉莫属，它不仅在全球攻城略地垄断了移动电话市场，还是AMPS系统的设备供应商，全球超过70个国家应用AMPS标准。这也意味着美国把第一代移动通信标准牢牢把持在手中。

TDMA与CDMA之争

虽然美国制定了第一代标准，但是1G先天不足。

首先AMPS它是一个模拟标准，很容易受到静电和噪音的干扰，而且也没有安全措施阻止扫描式的偷听，到了90年代，抄袭成为了工业界的流行病，一些偷听者采用特制的设备可以截取到移动电话的信息；其次，AMPS还存在容量有限、只能传输语音流量、系统太多、系统不兼容、通话质量差、设备昂贵、无法全球漫游等一箩筐缺点。

为了提高通话质量，业界提出2G用数字通信替代模拟通信，提升容量主要有两种解决方案，时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA），当时欧洲和美国几乎所有的电信巨头都选择了TDMA，只有刚成立的高通在坚持CDMA。

1G所采用的FDMA技术，一个用户在通话时占用一个信道。TDMA则可实现在单个信道内服务多个用户的能力，它将无线信道分成8个时隙，供8个用户得轮流使用，从而提升了容量。举个例子，用100Hz表示1，105Hz表示0，但是第1秒给甲用，第2秒给乙用，第3秒给丙用，只要轮换的好，5Hz的带宽就够3个手机用，就是延时严重点而已，这就是TDMA。

从技术上来看，后来1989年CDMA被证明系统的容量是TDMA的10倍以上，CDMA在各自的信号前面加上序列码，再揉成一串发送，接收端按序列号只接受自己的信号，就好像快递员一次性送了一叠信过来，大家按照信封上的名字打开各自的信，只可惜，CDMA系统标准成熟得晚，错失了先机。

标准这东西就是人多嗓门大、拳头硬的就赢了，总不能全世界就你一个人跟别人用不一样的。在2G时代，美国的CDMA输给了欧洲的TDMA，这也间接成为了摩托罗拉跌下神坛的起点。

各国在TDMA上达成共识，接下来就要讨论标准，这时欧洲各国吸取了1G时代各自为政的失败教训，1982年，欧盟联合成立了GSM（GlobalSystem for Mobile communications）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都加入了进来。

最初GSM是法语移动专家组的缩写，后来这一缩写含义被改为全球移动通信系统，以此彰显欧洲人将GSM标准推广到全球的雄心。

可以说，进入2G时代以后，移动通信的技术与应用有了惊人的进步。GSM易于部署，采用了全新的数字信号编码取代原来的模拟信号，除了语音，支持国际漫游、提供SIM卡方便用户在更换手机时仍能储存个人资料，还能发送160字长度的短信。

高通的铜墙铁壁

但是高通不死心，不得不说，高通确实是个狠角色，在CDMA上孤注一掷。

为了证明CDMA比GSM好用，高通花了数年时间进行实地实验、驱动测试以及行业演示，高通不仅要做标准，还要做芯片。

当所有人的注意力还在TMDA上时，高通围绕着功率控制、同频复用、软切换等技术构建了专利墙，几乎申请了与CDMA应用所有的相关专利，从一开始他们就打算独享利润，掐死下游公司的脖子。

高通雇佣了一个无比庞大的律师团，律师团们负责申请专利、谈专利价格、控告侵权，通过并购、控告对手专利侵权等法律战，将所有CDMA相关专利收拢过来，使核心专利牢牢掌握在自己手里，这也是高通“专利流氓”绰号的来源。

欧洲的GSM是开放的，当时是欧洲运营商和爱立信，诺基亚等设备商共享知识产权，不收专利费。但高通是一家公司，他们还把CDMA的演算法嵌入集成芯片，只要使用CDMA技术的手机，就必须按销售价向高通交纳一笔5%-10%的专利费，这个专利费不是一次性的，是按生产了多少部手机来算，可以说是一个霸王条款，当前中国的小米、OPPO、VIVO等品牌到现在还在交这笔费用。

1994年，高通与摩托罗拉合作在香港建立起全球第一个“小白鼠”CDMA网，但效果和服务质量都太差，更别提欧洲运营商对CDMA的质疑，高通的“保护费”根本没地方收，这也是早期CDMA干不过GSM的重要原因。

随着技术的成熟，高通迎来转机。1990年，高通和电子通信研究院签署有关CDMA技术转移协定，高通答应把每年在韩国收取专利费的20%交给韩国电子通信研究院、协助其研究，韩国政府也宣布CDMA为韩国唯一的2G移动通信标准，并全力支持韩国三星、LG等投入CDMA技术的商用化。

1996年底，韩国的CDMA用户达到一百万，第一次向市场证明CDMA正式商用的可能性，让美国一些运营商及设备厂商对CDMA技术开始恢复信心，也让韩国厂商在CDMA市场上初露头角。这之后，美国的朗讯、摩托罗拉，加拿大的北方电讯都成了高通的支持者，CDMA在北美登堂入室，运营商Verizon是CDMA的最大支持者，1996年建成了美国第一个CDMA网络。

美国政府还极力向中国推销CDMA，要求中国引进高通的CDMA技术。据原国家计委副主任张国宝回忆，“美国政府向中国施加了不小的压力，理由是说中国与美国之间有贸易逆差，要求中国买美国的技术。”

“三国”斗法

到了90年代，数据量越来越大，2G玩不转了。

随着全球手机用户快速增长，GSM网络容量有限的缺点不断被暴露，在网络用户过载时，就不得不构建更多的网络设施。在此背景下，必须要把通信技术进行升级到3G，3G最大的优点是更快的网速，2G的下载速度约仅9600bps-64kbps，而3G初期的速度则为300k-2Mbps，足足提升了30几倍。

在当时，没有一种技术被证明优于CDMA。爱立信、诺基亚、阿尔卡特等实力雄厚的欧洲厂商深知TDMA难敌CDMA的优势，TDMA更难以作为3G核心技术，但谁也不想接受高通霸道的方案。

为了绕开高通的铁壁铜墙，1998年，爱立信、诺基亚、阿尔卡特联合欧洲各国厂商成立了一个叫3GPP(3rdGeneration Partnership Project)的组织，商讨措施负责制定全球第三代通信标准。

3GPP小心翼翼地参考CDMA技术，最终开发出了3G标准——通用移动通信系统(UMTS，UniversalMobile Telecommunications System)，采用W-CDMA技术，就是宽带CDMA的意思。虽然还是绕不开高通的底层技术，专利费是交定了，就是多少的问题，

W-CDMA不断扩展着自己的版图，1999年开始，欧洲国家基于WCDMA标准，发了不少3G牌照，英国单单通过拍卖5张3G执照而获得近225亿英镑收入。

这可吓坏了高通，高通赶紧与韩国联合组成3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2) 与3GPP抗衡，推出了CDMA2000。

与此同时，在经历了1G空白、2G追随之后，目光这时候来到了中国，中兴、华为、巨龙、大唐几家通讯设备商逐渐发展起来了。起初中国是支持欧洲W-CDMA的，在吃了闭门羹之后，这时候中国也想在3G上争夺一些话语权，天无绝人之路，中国找到了一个突破口：TDD技术。

实际上，无线电通信大会给3G分配的频率的时候就有FDD（频分双工）和TDD（时分双工）两种。由于欧洲地广人稀，基站数量不多，欧洲的W-CDMA是基于FDD技术的，在相同频率相同功率的条件下，FDD比TDD能提供更好的覆盖。但是中国人口稠密，基站本来就建得多，所以无人问津的TDD成了中国的突破口。更重要的是，国外厂商关注TDD比较少，中国在TDD领域提自己的标准，成功的希望要大一些。

1998年6月，以大唐电信为主的研发团队提出了中国自己的TD-SCDMA标准。2000年5月，在国家信息产业部、中国移动和中国联通等运营商的强硬表态支持下，国际电信联盟正式宣布将中国提交的TD-SCDMA，与欧洲主导的WCDMA、美国主导的CDMA2000并列为三大3G标准。

虽然与其他两大标准来比，TD-SCDMA最弱鸡，以至于即便在九年后中国移动拿到3G牌照时，中国依然在心里打鼓，全球建设TD-SCDMA的只此一家，压力可想而知。

但是，中国对于TD-SCDMA的研发，就相当于通信领域的“两d一星”。现在看来，这个战略是无比英明的，展讯等一批芯片公司逐渐成长起来，从此之后，我们在技术标准上不再受制于人。更重要的是，我们让西方人明白了一件事，如果在标准制定中不增加中国的话语权，中国完全有能力自己搞一个标准出来，到时候极有可能失去中国市场。因此，欧洲在制定4G标准时极力拉拢中国加入。

标准也有了，按说3G之争应该如火如荼的进行，但实际上在2000年初，3G建设的推进十分缓慢。因为对当时的人们来说，3G多出来的网速根本用不上，打电话和发短信，2G的GSM足够了。

首先是2000年，IT泡沫破灭。最遭殃的是欧洲，前期投入巨大的3G项目无法暂停，沃达丰、法国电信、T-MOBILE等运营商背负了巨大的财务压力，法国电信还因为陷入巨幅亏损搞得不少员工自杀了。

美国阴差阳错躲过一劫，高通的CDMA2000标准出来得晚一些，美国还没来得及在IT泡沫破灭之前发3G牌照，直到2004年才开始大规模开展3G业务。不过，高通也没好到哪去，本来靠专利躺着都可以收钱，但是那几年全球3G市场根本不行，而高通还要养着上千名律师。

华为也在3G上也是受尽折磨。实际上华为做移动通信已经非常晚了，1998年才启动GSM研发，不过发展速度很快，一年半之后就中标第一个GSM商用项目，当时趁着东南亚金融危机的影响，华为凭借比竞争对手低30%的价格，拿下了东南亚的大片市场。

在GSM上赚到钱的华为对3G充满信心，投入大量人员和资金攻克3G技术。华为采取了三头下注的策略，对三个3G标准都进行了技术研发投入，给公司造成了很大的资金压力，华为迫切希望政府尽快发放3G牌照，哪个标准都行。

很可惜，中国政府迟迟没有发放3G牌照。当时，中国在3G领域可以说是要啥啥没有，没有芯片，没有手机，没有基站，没有仪器仪表，一切都要从基础做起，如果当时发放3G牌照，无疑将是WCDMA和CDMA2000的天下。

华为当时唯一上量的业务，是用3G数据卡做便携机上网，数据卡因而销售火爆。当时华为改进了数据卡，在欧洲大受欢迎。但是卖数据卡赚的钱，和3G研发投入相比仍是杯水车薪，2008年任正非还动了卖掉终端业务的念头，只是未能成功。

再之后，2007年金融危机爆发，西方电信设备商遭遇当头棒喝。

大幅亏损的朗讯卖身阿尔卡特，诺基亚和西门子的电信部门合并，后来诺基亚收购阿尔卡特-朗讯，加上北电破产、摩托罗拉分拆出售，到最后，市场上仅剩下爱立信、诺基亚、中兴、华为、三星五家主要移动设备供应商。中兴、华为啥也没干，排名就上升好几位。

LTE一统江湖

这时候，一个穿着万年不变的牛仔裤和蓝色上衣的人，笑微微的走上了历史前台。

2007年，iPhone横空出世。史蒂夫·乔布斯用IOS系统和iPhone手机这样的完美组合重新定义了智能手机，几乎在同一时间，Google发布了安卓系统，高通发布了第一代骁龙芯片。

iPhone的出现，重塑了终端市场的格局，诺基亚被拉下神坛，曾经的手机大国日本彻底退出了终端市场，而这些空缺都在日后被中国厂商所填补。

iPhone更深远的意义则在于，APP Store带动了移动互联网业务井喷，创业者用APP创造出丰富的内容和业务，人们对网速提升的需求一下子被引爆。经历了命途多舛的七年之后，3G终于找到了它的归宿。

随着智能手机的发展， W-CDMA随后演进出3.5G的HSDPA、3.75G的HSUPA ，但其中的CDMA技术框架没有改变。本来照这样发展下去，以CDMA为核心的技术或许有可能一路称霸到4G，可惜事与愿违。

半途中有一号人物杀进市场将一切计划打乱，他叫Intel。

IT界的Intel在WiFi上取得成功后野心膨胀，想进一步蚕食CT(通信技术)的地盘。普通WiFi对应的标准是IEEE802.11，抢地盘的标准是802.16，这是一个城域网标准，就是覆盖范围更广大，在商业上的名称是WiMax。

Wimax采用了OFDM技术。OFDM并不是新技术，早在1960年代贝尔实验室就发明了，到1980年代建立了比较完整的链路技术框架，OFDM技术已经在ADSL，DVB等领域获得了商用，并且1998年征集3G提案的时候，也有几个基于OFDM的提案，但是没有敌不过高通大法师Viterbi领军的CDMA阵营。

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干扰，效果远远优于CDMA。

OFDM的重回视野，除了高通以外，众家电信巨头都乐得不行：又能有效将4G传输速率提升，又能绕过高通的CDMA专利陷阱，终于不用再看高通面子了。

2008年时，3GPP提出了长期演进技术 (Long TermEvolution, LTE) 作为3.9G技术标准。因为技术上需要澄清，加上高通的专利陷井太深，3GPP在2011年提出了长期演进技术升级版 (LTE-Advanced) 作为4G技术标准，准备把W-CDMA汰换掉，转而采用OFDM。

4G的标准终于统一到了LTE，高通失去了优势处在危机当中。

高通当然也看到了OFDM的发展前景，手握重金的高通终于发现美国有一个公司叫Flarion，专门研究用OFDM做移动通信，它们开发的系统叫做Flash-OFDM，高通公司立刻在2006年斥巨资8亿美金将其收购，“专利流氓”拥有了Flarion的全部专利。

高通主要看中Flarion解决了OFDM同频复用的问题，采用了干扰平均化的思路，高通的软切换技术还可以继续在LTE当中应用。2007年，高通提出了CDMA2000的演进升级版本UMB（CDMA+OFDM+MIMO），想继续维持CDMA的优势。

可是高通高兴的太早了，被高通专利费虐惨了的LTE，绝不支持高通的方案，将他的软切换专利全部排除，况且全球覆盖率最高的基站正是W-CDMA，因此，各大运营商无不纷纷决定采用LTE-Advanced当作第四代通信技术标准。

2005年，LTE阵营新加入了一支重要力量。中国在法国召开的3GPP会议上，大唐联合国内厂家，提出了基于OFDM的TDD演进模式的方案，同年11月，3GPP工作组会议通过了中国针对TD-SCDMA后续演进的LTE TDD技术提案。

LTE阵营如虎添翼，天平很快就倒向了欧洲这边。高通眼看着自己在3G所建立的技术体系被摧毁了，UMB因为没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阵营，4G时代美国不仅没竞争过老对手欧洲，还眼睁睁地看着中国的崛起，

LTE的核心专利，有SFR，sOFDM，SC-FDMA，Turbo code，Alam-outicode。Turbo和Alam-outicode是史诗级的技术，但是专利已经过期或者快过期了，华为发明了前两项，在LTE的核心专利上占据领先的地位

自此，中国作为手握4G核心专利的巨头之一，成为了美国在世界上最重要的对手。

不容有失的较量

4G时代LTE一统江湖，在普及的过程中，5G时代拉开帷幕。

5G通将比4G实现单位面积移动数据流量增长1000倍；在传输速率方面，典型用户数据速率将提升10到100倍，峰值传输速率可达10Gbps（4G为100Mbps）；同时，端到端时延缩短5-10倍，频谱效率提升5-10倍，网络综合能效提升1000倍。5G的速率可以这样形容，下载一个文件大小1G的电影，只需要一秒钟。

5G频率如此之高，对于我们来说，对5G的印象可能只局限在VR、AR、无人驾驶这些终端应用上，但是站在国家层面来说，在人工智能方面和大数据领域方面5G也是一个重要的转折点，它对经济、军事、国际关系的重塑，足以用革命性三个字来形容。

那至少是未来十年的国运。

根据“光速=波长×频率”公式，频率越高，波长就越短，5G波长可以短至毫米级。再来说增加频谱利用率，主要通过信道编码技术来实现，这是“信息论之父”克劳德·香农在1948年提出的，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地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一速率。

几十年来，信道编码技术经过几代人的努力，已经越来越接近香农极限。

1991年法国人发明的Turbo码被认为是第一个接近香农极限的编码方案。

1996年，有研究表明采用LDPC长码可以达到Turbo码的性能，高通公司对LDPC的发展有着不小的贡献。

2007年，华为的Polar码由Erdal Arikan教授提出，Polar码所能达到的纠错性能超过目前广泛使用的Turbo码、LDPC码，被认为是迄今唯一能够达到香农极限的编码方法。

至此，三大编码已经诞生。在2016国际通信大会上，多家科技巨头开展了关于5G-eMBB(增强型移动宽带)领域通讯标准，关于高通的LDPC方案、华为的Polar方案、欧洲的LDPC+Turbo方案的激烈讨论，大会围绕5G技术进行了投票，在Turbo码彻底没戏后，欧洲公司开始站队LDPC码，原因是他们有更多的LDPC码专利，从1G到4G，美国、欧洲的利益从未如此统一过，面对强大的对手，美国、欧洲终于在5G时代站到了一起，5G标准之争从中国与美国欧三国杀演变成了中国和美欧的对峙。

最终，高通以一票的微弱优势胜过了华为，在5G-eMBB标准方面全面获胜，而华为仅是获得了5G短码的国际标准。当前，在5G的三大场景中eMBB场景的编码方案已经确定，但URLLC(超可靠、低时延通信)、mMTC(海量机器类通信)场景的标准仍待争夺。

高通获得了制定5G标准的专利权后，按照老套路很快就宣布了使用该项专利权要收取的费率标准，不管其他零件芯片用谁的，只要使用了LDPC网络，单模（5G）的手机收取2.275%，多模（5G/4G/3G）收取的费率收取3.25%。

如果以国产手机目前的出货规模来估算的话，每年最低要给高通支付约三、四百亿专利费。

但华为也不是吃素的。2019年6月，德国专利数据公司Iplytics将全球各大公司占有的5G标准必要专利数量进行排序，全球5G必要专利持有量过百的厂商共有11家，华为以1554个位居世界首位，中兴、大唐、OPPO的专利数量分别为1208个、545个和207个，高通的5G专利数量排名第六位，共846个。

去年，华为还要求美国最大运营商Verizon支付超过230项专利的许可费用，总金额超10亿美元，这些专利涵盖了核心网络设备、有线基础设施和物联网技术。

虽然华为的专利数量最多，但高通的专利却更为核心，5G通讯领域中，涉及到了太多的专利技术，多家公司都分别掌握着不同技术的专利权，导致了5G领域出现了一个复杂的交叉授权协议，高通使用华为的短码标准需要缴纳一部分专利费，华为使用高通的5G标准也需要缴纳专利费，但整体上，华为交给高通的专利费用更多。

于是，美国又瞄准华为的手机业务，高通、ARM、谷歌等重要供应商均表示中止与华为的合作，要在芯片和 *** 作系统层面对华为造成打击。从一开始，5G的标准之争就不是华为、中兴一两家企业的事，而这场较量，至今还未盖棺定论。

5G的市场够大，却并不如想象中那么大，这个市场是有上限的。这场较量在美国看来就是“零和”游戏，别人所得就是美国所失。对它的残酷性，中国不能有任何侥幸，归根结底，这也是一场不容有失的大国较量。

图中关系不是很明确，假设几种情况：

一、图中OC⊥AB

则AD=DB（垂径定理）

这样的话：式中AD·DB=AD^2

由勾股定理：

AD·DB=AD^2=OA^2 - OD^2

图一 OC⊥AB

也可以通过射影定理使等式成立

但是同样要求OC⊥AB，且AOB是直角

在图二Rt△ABC中，∠ABC=90°，BD是斜边AC上的高，则有射影定理如下：

BD²=AD·CD

AB²=AC·AD

BC²=CD·AC

由古希腊著名数学家、《几何原本》作者欧几里得提出。

图二 射影定理

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二、图中OC不垂直于AB

那我们可以用CAD画一画这个图

实际测量并计算发现原手写图中等式不成立

图三 OC、AB不垂直

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三、条件不足

这位兄台可能图中关系没有给足够

需要增加条件来判断

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