贝尔实验室与蜂窝移动通信系统的诞生

1.贝尔实验室

贝尔实验室成立于1925年，当时，美国唯一的长途电话公司AT&T在脱离了亚历山大·贝尔(电话的发明人)所创立的贝尔电话公司后，生意兴隆，趁势收购了其设备供应商西方电器公司的研究部门，两者的工程研究部门合并成贝尔电话实验室。贝尔之名来自电话的发明者亚历山大·贝尔先生。成立初期，贝尔实验室总部设在美国纽约(后迁至新泽西州的Murray Hill)。他是一个在全球享有极高声誉的研究开发机构，成立时的主要宗旨是进行通信科学的研究。新泽西州Holmdel贝尔实验室外景如图2-9所示。

图2-9 新泽西州Holmdel贝尔实验室外景

当时的AT&T从美国蓬勃发展的电信业中获得垄断利润，研究经费十分充足。因此贝尔实验室的研究领域实际上远远超出了通信科学的范畴，涵盖了信息技术、数学、物理、材料、计算技术等各个方面。除了作为AT&T的研究部门，贝尔实验室同时也为美国政府做研究和咨询。

贝尔实验室网罗了美国最优秀的科学家和工程师，实验室先后有11人获得了诺贝尔奖。在贝尔实验室全盛的20世纪70年代，这里每年要发表2 000多篇学术论文，申请700多项专利，是当时世界上最大的工业研究机构，被誉为“思想工厂”和“皇冠上的钻石”。

贝尔实验室开创并发明了许多革命性的技术，如无线电天文学、晶体管、激光技术、Unix操作系统、编程语言C/C++、太阳能电池、CCD、MOSFET，以及大量的通信技术和系统。

在通信领域，贝尔实验室一直是业界的执牛耳者。光纤、信息论、蜂窝网、OFDM(后来成为4G的核心技术)以及MIMO技术都是在贝尔实验室完成的概念性工作。

当年的贝尔实验室代表了全球科技的最高水平。由AT&T提供的充足的研究经费、优秀的科学家群体、宽松自由的研究环境、对基础研究和创新的重视都是其获得巨大成功的重要原因。

但是到了20世纪末，贝尔实验室的命运随着AT&T的拆分而发生了巨大的变化。1984年，美国司法部依据反垄断法拆分了AT&T，产生了专营长途业务的AT&T和7个区域性的贝尔子公司。美国电信市场的竞争日益加剧，此举对消费者是很有好处的。不过，电信企业的利润也就大大地下降了，贝尔实验室的研究经费也大受影响。

到了1996年，AT&T的设备研发和生产部门从总公司分离出去，成为朗讯科技公司(以下简称“朗讯”，Lucent)，朗讯不仅给AT&T，也给其他的电信运营商如MCI、Sprint提供设备。贝尔实验室也跟随设备研发和生产部门从AT&T分离出去，成为朗讯的一部分。

朗讯成立后在通信市场上一直表现平平，虽然有过短暂的发展，但是后来在瑞典的爱立信、芬兰的诺基亚、加拿大的北方电讯、法国的阿尔卡特，以及日益崛起的中国公司华为和中兴的竞争压力下，业绩表现非常不理想。朗讯又不幸赶上了2000年美国互联网泡沫破裂，电信行业投资下滑，投资人失去信心，朗讯的财务状况日益恶化。贝尔实验室也经历了大规模的经费缩减和人员裁减。许多实验室的研究人员转向研究能快速挣钱的方向和产品，至此，贝尔实验室进行前瞻性、开创性研究的能力开始下降。

2006年，亏损严重的朗讯宣布和阿尔卡特公司合并，成立了阿尔卡特朗讯(以下简称“阿朗”，Alcatel-Lucent)。但是，合并后的阿朗并未让两家公司走出困境，其财务状况也不乐观。2008年起，阿朗宣布不再支持贝尔实验室的基础研究，以及其在材料物理和半导体方面的研究，转而支持在市场上可以看到短期效益的研究方向，如网络技术、高速电子、无线网络、纳米技术和软件。

2015年，阿朗被芬兰诺基亚收购，贝尔实验室正式成为诺基亚的一部分。今天的贝尔实验室虽然仍具有很强的科研创新能力，是通信、电子领域顶尖的研究所，但是已经没有了往日的辉煌。

2.蜂窝网的概念

1947年，AT&T在美国的圣路易斯开通了第一个使用150 MHz频段的被称为MTS的商用无线通信系统，其后又在美国多个城市开通了移动电话服务。MTS的基本通信方式是大区制的，即一个城市由一个基站提供服务。通信的容量受到很大限制。

贝尔实验室的工程师杨(Young)当时正在从事移动电话在城市和高速公路沿途覆盖能力的研究。他发现，如果以类似于蜂窝的方式来安排小区并分配频率资源，可以大大地减少不同覆盖区域的同频干扰。杨后来成为贝尔实验室蜂窝移动通信系统部门的负责人，并在1964年成为IEEE的院士。

他的同事道格拉斯·林(Douglas Ring)基于杨的基本思路又做了延伸和扩展，并在1947年12月的贝尔实验室技术备忘录中正式提出了蜂窝网的概念。图2-10为蜂窝网概念草图。

图2-10 蜂窝网概念草图(3个频率情形)

蜂窝移动通信系统的核心思想是频谱资源的空间复用，即把无线系统按蜂窝的方式划分为小区，通过控制每个小区的发射功率，同样的频率资源可以被在空间上保持一定距离的不同用户所使用而相互之间没有干扰。

在如图2-11所示的频率复用模式中，每7个小区构成一个小区族，频率的复用率为1/7，假定总共有490个信道，那么每个小区就有490/7=70个信道。在整个大区域范围内，由于可以划分为很多小区，由此可支持的用户数量大大地增加了。与此同时，由于小区的区域范围变小了，所以用户终端的发射功率和耗电量大大地降低了。

图2-11 蜂窝网的频率复用模式示意

于是，在1947年，贝尔实验室向美国联邦通信委员会(FCC)提出了部署“城市宽带移动系统”的提案，并建议在100～450 MHz之间取40 MHz带宽的频谱，用于部署蜂窝移动通信系统。但是，提案遭到了FCC的否决，原因是当时没有多余的频率可分配给移动通信使用。1958年，贝尔实验室又向FCC提议分配764～840 MHz频段做蜂窝移动通信系统，但再次遭到了否决。在当时的情况下，把有限的频率资源用于广播电视以及应急通信也许更有社会价值。

因此，蜂窝网的概念虽然在1947年就已经提出，但是其真正大规模试验实现则一直拖到了20世纪70年代。

3.第一代蜂窝移动通信系统

到了1968年，FCC发现，当时分配给电视的UHF(特高频)频段并没有达到预期的社会效果。因此，FCC就开始考虑把原先用于电视播放的UHF部分频率用于移动通信。

1971年，AT&T在做了充分的研究试验后再次向FCC提出了部署“高容量移动电话系统”的非常详细的提案(“High Capacity Mobile Telephone System Feasibility Studies and System Plan”，Joel Engel，Richard Frenkiel，Philip Porter)。提案建议把该UHF频段重新用于部署蜂窝移动通信系统。

但是在当时，许多人并没看到蜂窝移动通信系统的价值。如当时老牌的通信巨头摩托罗拉对蜂窝网概念提出了反对意见(当然，这也可能是因为摩托罗拉试图保持其模拟大区制移动系统制造商的垄断地位，因此希望延迟蜂窝移动通信系统部署的时间表，以作更充分的准备)。电视运营商也表示反对，他们并不希望放弃这个频段，希望继续用这一频段做电视直播。此外，贝尔实验室内部也有怀疑的声音，人们怀疑蜂窝移动通信系统的可行性和市场价值。

一些小的设备商则视其为一次翻身的机会，非常支持AT&T提出的这一新概念。为了获得更多厂商的支持，AT&T承诺以后会专注于移动网络的运营，而放弃设备的生产制造业务。

1971年后，AT&T开始进入面向蜂窝移动通信系统商业应用的设备开发和测试。在当时，蜂窝移动通信系统的实现存在很多非常实际的困难需要解决。比如，蜂窝移动通信系统采用了频率在不同地理区域内复用的概念，由于相邻小区不能使用同一频谱，因此在整个大范围内(如一个国家)系统就需要大量的无线信道和频谱资源。而当时的频谱资源主要集中在低频段，十分稀缺。又比如，用户在不同小区出现时需要重新在基站侧登记注册，否则别的用户就无法找到该用户，如何实现登记注册也是个问题。

此外，由于在一个小区内基站的服务区域大大地减小了〔从大区制的上千平方英里(1平方英里=2.59 km2)减小到了数平方英里级别〕，因此，在行驶的车辆中使用移动电话的人就很容易会在通话的过程中跨越不同的小区。此时，如何保持通话的连续性是个大问题，需要做小区间的连续切换，否则语音通话就会被不断中断。在当时的技术条件下，要实现小区的切换并不那么容易，这将大大地增加基站和移动终端的复杂性，信令协议的处理也会变得很复杂。AT&T后来开发了一套电子交换系统(Electronic Switching System，ESS)，通过软件方法实现了自动切换功能。

蜂窝移动通信系统服务区域的减小也带来了一定的好处，由于用户终端的发射功率可以大大地减小，所以其体积、质量、功耗都得以减少，这就使得实现小型化的手持式终端成为可能。

在理论上，蜂窝移动通信系统覆盖了小区每个六角形蜂窝区域内的所有地方。但是在实际中，由于无线信道的特性，电波的传播和每个小区的自然地理环境关系很大，许多小区内存在覆盖不到的区域，有的地方则会和别的小区相互重叠并且相互干扰。因此，外场试验的效果很多时候是个统计和概率问题(如呼叫成功率、连续通话时长、切换成功率等)。此时，出现的很多问题都是AT&T的无线工程师们以前没有碰到过的。(www.xing528.com)

基站小区的半径变小，带来的另一个问题是需要建设大量基站才能实现某个区域的全覆盖，这使得整个系统的建设成本非常高昂。

在这一时期，电子行业出现的很多技术进步使得蜂窝移动通信系统设备的实现成为可能。例如，前面提到的贝尔实验室开发的可编程中央电子交换系统(ESS)使得用户小区注册和移动时小区间切换得以实现；还有集成电路技术的进步使得移动终端的小型化成为可能；射频合成器(synthesizer)的出现使得移动终端可以灵活地切换到不同的频率点；计算机的小型化使得更为方便地控制复杂的基站成为可能。

随着时间的推移，区域中的无线用户数一般会不断增加，甚至达到饱和。为此，贝尔实验室后来还提出了小区分裂的概念。这是一种通过降低发射功率从而缩小小区半径(同时也增加了小区个数)，而与此同时保留原有站点的方法。后来，在实际的蜂窝移动通信系统中，人们又通过定向天线采用了扇区化的方法(即把一个小区划分为3～6个扇区)，以提高小区中信号干扰比和容量。

1977年3月，经过很长时间的研究讨论，FCC正式批准了试验蜂窝移动通信系统。次年，AT&T开始在芝加哥和新泽西州的Newark两地进行外场试验。芝加哥试验网成为世界上第一个蜂窝移动通信系统。试验网包括一个大型的中央交换系统、10个无线蜂窝小区，以及由3家不同厂商提供的2 000多台移动终端。

与此同时，摩托罗拉公司也在华盛顿开始了自己的外场试验，虽然摩托罗拉在基站和网络切换设备方面稍微落后一些，但他的手机技术却十分先进。

1981年4月，经过无数的现场试验，FCC正式批准了部署商用的蜂窝移动通信系统。美国的每个城市都被分配了A和B两个执照，分别给予两家不同的运营商(一家是AT&T，另一家则是当地的运营商)，以鼓励相互竞争。

美国从1983年起正式开始部署蜂窝移动通信系统。AT&T专门成立了一家公司在全美部署该系统，公司取名为AMPS(Advanced Mobile Phone System，AMPS也是美国的第一代无线通信系统的称呼)。

AMPS的基本架构如图2-12所示。

图2-12 AMPS的基本架构

在呼叫时，AMPS用户(个人手持或车载)首先连接到基站的收发信机，再通过基站连接到移动交换中心，然后再由移动交换中心接入公用电话交换网(PSTN)，与固定电话或网络中别的移动用户相连接，实现通话。

FCC分配了800 MHz的部分频率资源给AMPS使用。早期的AMPS频率分配从基站到终端的下行信道为825～845 MHz，从终端到基站的上行信道为870～890 MHz。每组信道中又分为A、B两个部分，分配给两家运营商。

1983年，美国第一个AMPS蜂窝系统由AT&T在芝加哥正式开通并投入商用。从此开启了美国第一代蜂窝移动通信系统的时代。

AMPS具有如下特点。

①采用模拟通信制式，语音采用FM调频方式。

②初期总共占据40 MHz频率(上下行各20 MHz)，后期扩展到上下行各25 MHz。

③上下行采用频率分割(FDD)，间距为45 MHz，以防止上下行信道间的干扰。

④以30 k Hz为信道带宽。

⑤采用频分多址(FDMA)区分不同用户的通话。

在国际上，除了美国的AMPS，其他一些发达国家也相继开发了第一代蜂窝移动通信系统。这些系统大都出现在20世纪70年代末80年代初期，主要提供语音服务。

1979年，日本的NTT在东京开通了移动通信服务。

1981年，北欧的NMT(Nordic Mobile Telephone)系统在丹麦、芬兰、挪威和瑞典正式部署，NMT在这几个国家还成功地实现了跨国漫游。

20世纪80年代的初期到中期，包括英国在内的几个国家都部署并商用了TACS(Total Access Communication System)。联邦德国则开通了C-450系统。

当时比较典型的蜂窝移动通信系统及其主要特点如表2-1所示。

表2-1 世界主要第一代蜂窝移动通信系统及其主要特点

在设备制造商方面，早在1961年，瑞典的爱立信就重组了旗下的生产无线调度和寻呼设备的Svenska Radio Aktiebolegete部门，使之进一步聚焦于未来的无线通信业务，该部门后来成为爱立信在无线通信方面的核心部门。1967年，芬兰橡胶厂和电缆厂合并成为诺基亚公司，开始了半导体和数字交换设备的研究，并在20世纪90年代进入无线通信领域。这两家公司后来成为世界无线通信领域最主要的设备供应商。

1G时代世界上最主要的无线通信设备商是美国的摩托罗拉和瑞典的爱立信。摩托罗拉在北美处于市场领先地位。而爱立信则在北美之外占有市场优势。

在我国，第一代移动通信系统的代表是1987年从欧洲引进的TACS，该系统引进后在我国获得快速发展，最多时拥有600万的用户，当年生活中常见的大哥大即出自于此。由于入网费很贵，手持终端价格昂贵，加之体积庞大，所以拥有它一度成为身份和地位的象征。