手机通信制式的发展历程和技术特点

世界上的第一部民用手机是出现在1973年4月，由美国著名的摩托罗拉公司工程技术员马丁·库帕发明。人们将马丁·库帕称为现代“手机之父”，从此移动通信技术开始了崭新的历程。目前移动通信的发展已经历了第一代（1G）、第二代（2G、2.5G）、第三代（3G）及第四代（4G）。

（1）1G

1G（First Generation）是第一代移动通信技术的简称，是以模拟技术为基础的蜂窝移动电话系统，它只能传输语音流量，并受到网络容量的限制。AMPS为1G网络的典型代表。目前模拟移动网已逐渐被淘汰。

第一代手机是指模拟的移动电话，也就是在20世纪80～90年代出现的大哥大。由于当时的电池容量限制和模拟调制技术需要硕大的天线，并受到集成电路的发展状况等制约，致使其外表四四方方，只能称为可移动，算不上便携。该类手机分为NMT、AMPS、TACS等多种制式，但是基本上使用频分复用方式，只能进行语音通信，收信效果不稳定，无线带宽利用也不充分；且此种手机类似于简单的无线电双工电台，通话是锁定在一定频率，使用可调频电台就可以窃听通话，其保密性不足。

（2）2G

2G是第二代手机通信技术规格的简称，它具有通话、传送以及一些如时间、日期及执行手机短信（Short Message Service，SMS）等传送的手机通信技术规格，但无法直接传送如电子邮件、软件等信息。在移动通信系统中2G通信技术又可分为GSM和CDMA两种规格形式。

1）GSM：GSM（Global System for Mobile communication，全球移动通信系统）俗称全球通。GSM的工作频率为890～960MHz或1800MHz，使用全数码化的空中传信界面，其安全性和保密性均较好，我国目前主要使用该系统。

① GSM结构：GSM即蜂窝移动通信系统，它采用时分多址技术，该系统由网络交换系统（NSS）、基站系统（BSS）和移动台（MS）三部分组成，其结构框架如图1-1所示。

图1-1 GSM结构框图

② GSM信道：GSM需传输的信息有业务信息和控制信息，需要通过相应的信道来完成。

a）业务信道（TCH）：TCH用来传输语音和数据，其语音传输率为13kbit/s净比特流，数据传输率为9.6kbit/s（全速）和4.8kbit/s（半速）净比特流。

b）控制信道（CCH）：CCH用来传输各种控制信息，其功能除了通知移动台如何正确地接入GSM外，还执行对移动台的寻呼、接续和越区转换控制等。

控制信道分为广播控制信道（BCCH）、公共控制信道（CCCH）和专用控制信道（DCCH）三类。其中，BCCH是一种“一点对多点”的单方向控制信道，用于基站向所有移动台广播公用信息，包括移动台入网和呼叫建立所需要的各种信息的传输；BCCH是一种“一点对多点”的双向控制信道，用于在呼叫阶段传输链路连接所需要的控制信息及信令；DCCH是一种“点对点”的双向控制信道，用于在呼叫接续阶段和通信进行当中，移动台和基站之间的传输控制信息。

GSM用的是窄带TDMA，允许在一个射频（即“蜂窝”）同时进行8组通话；频率为900～1800MHz，自1991年开始投入使用，目前已在欧洲和亚洲100多个国家运营。

③ 特点：GSM具有防盗防复制能力好、网络容量大、号码资源丰富、通话清晰、稳定性强、不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低等特点。

2）CDMA移动通信系统：CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）移动通信系统采用数字蜂窝技术，是根据美国标准（IS-95）而设计的频率在800～1900MHz范围的数字移动电话系统，窄带CDMA的上行频率为824～849MHz，下行频率为869～894MHz，一对上行频率和下行频率的频率间隔为45MHz。

CDMA系统与GSM的最大不同之处是，CDMA系统不给每一个通话者分配一个确定的频率，而是让每一个频道使用所能提供的全部频谱。其容量是GSM的4～5倍。

① CDMA系统结构：CDMA系统是建立在正交偏码、相关接收理论基础上的，运用扩频技术解决通信选址问题的无线通信网络系统，其结构框架如图1-2所示。

图1-2 CDMA系统结构框图

CDMA系统采用扩频通信，即将所要传输的信号，先用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机编码信号去调制，使原来的信息数据的带宽大大扩展，再经过载波调制后发射出去。接收机将接收到的信号经过调制后，使用与发送端完全相同的伪随机码，将接收到的宽带信号进行处理，并还原成原始数据信号。

② CDMA系统的特点：CDMA系统是蜂窝移动通信技术的第二代向第三代演变的产物（又称2.5代），它具有以下三个特点。

a）噪声低、通话清晰：CDMA系统中提供的语言编码技术，可以把用户对话时周围环境的噪声降至最低，使通话更为清晰。

b）CDMA利用异频通信技术，大大地减少了手机之间的干扰，增加了用户的容量，不但可以延长手机的使用时间，而且可以降低电磁波辐射对人体的伤害。

c）安全性能好：CDMA系统的带宽可以扩展得较大，还可以传输影像，并具有良好的认证体制，所使用的码分多址传输方式，大大地增强了防盗听能力，使用起来更安全、更可靠。

d）适应性强：CDMA是一种多路方式的无线信号，只占用一个频道，极大地提高了带宽使用率，采用800MHz和1900MHz的超高频（UHF）网络频率。

e）传输速度高：CDMA与其他蜂窝技术兼容，实现全国漫游，最初仅用于美国蜂窝电话中的CDMA标准只提供单通道14.4kbit/s的传输速度，CDMA2000和宽带CDMA的速度已经成倍提高。

（3）2.5G

GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线服务）经常被描述成2.5G，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通信技术之间。可以说是GSM的延续，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。(www.xing528.com)

GPRS是以封包（Packet）形式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56kbit/s甚至114kbit/s。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观，且由于不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，因此连接及传输都会更方便容易。这样一来使用者可联机上网，参加视讯会议等互动传播，而且在同一个视讯网络（VRN）上的使用者，甚至无需通过拨号上网，而持续与网络连接。

与GSM相比，GPRS具有以下特点：

1）相对于GSM的9.6kbit/s的访问速度而言，GPRS拥有171.2kbit/s的访问速度，高速数据传输速度10倍于GSM，还可以稳定地传送大容量的高质量音频与视频文件。

2）连接建立时间方面，GSM需要10～30s，而GPRS只需要极短的时间就可以访问到相关请求。

3）对于费用而言，GSM是按连接时间计费的，而GPRS只需要按数据流量计费，即根据您传输的数据量（例如网上下载信息数量）来计费，而不是按上网时间计费，也就是说只要不进行数据传输，哪怕您一直“在线”，也无需付费。

4）GPRS对于网络资源的利用率相对远远高于GSM。

5）由于建立新的连接几乎无需任何时间（即无需为每次数据的访问建立呼叫连接），因而您随时都可与网络保持联系，即永远在线。

（4）3G

3G（Third Generation）的中文含义就是第三代移动通信技术。在CDMA的基础上发展而来。目前我国3G手机网络应用业务主要有基于TD-SCDMA技术制式的中国移动，基于CDMA2000技术制式的中国电信，基于WCDMA技术制式的中国联通。三大运营商的3G传输声音和传输数据的速度在第二代的基础上有很大的提升，它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。概括地讲，3G是将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。

【附注】 TD-SCDMA（Time-Division Synchronous Code Division Multiple Access）是由我国信息产业部科学技术研究院提出，与德国西门子公司联合开发的一种3G同步码分多址技术，它采用TDD模式，载波带宽为1.6MHz，需要400MHz的频谱资料；WCDMA（Wide-band Code Division Multiple Access）是源于欧洲和日本几种技术的融合。WCDMA采用直扩（MC）模式，载波带宽为5MHz，数据传送可达到2Mbit/s（室内）及384kbit/s（移动空间）。它采用MC FDD双工模式，与GSM网络有良好的兼容性和互操作性。但在技术成熟性方面不及CDMA2000，其优势在于与GSM兼容性较好，能为GSM升级带来方便。CD-MA2000（Code Division Multiple Access2000）是由美国高通（QUALCOMM）公司提出。采用多载波（DS）方式，载波带宽为1.25MHz。CDMA2000数据传送分两个阶段：第一阶段提供144kbit/s的数据传送率，当数据速度加快到2Mbit/s传送时，自动进入第二阶段。CD-MA2000和WCDMA在原理上没有本质的区别。3G移动通信的名称有很多种，国际电信联盟规定为“IMT-2000”（国际移动电话2000）标准，欧洲电信巨头们则称其为“UMTS”通用移动通信系统。

3G移动通信技术规定，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，移动终端以车速移动时，其传输数据速率为144kbit/s，室外静止或步行时速率为384kbit/s，室内传输速率为2Mbit/s。

适应3G移动的手机具有以下特点：

1）具有一个超大的彩色显示屏，且为触摸式的。

2）除能完成高质量的日常通信外，还能进行多媒体通信。

3）可以在手机的触摸显示屏上直接写字、绘图并能将其传递给另一部手机，而所需的时间不到1s。也可以将这些信息传给一台电脑，或从电脑中下载某些信息。

4）可以直接用手机上网，查看电子邮件或浏览网页。

5）可以用自带摄像头进行摄像，利用手机进行电脑会议。

（5）4G

4G是第四代移动通信技术，是根据移动通信技术的发展规律和市场的实际需要，所提出的一个发展目标，也是继第三代移动通信技术后的又一次无线通信技术的演变。

到目前为止人们还无法对4G通信进行精确地定义，但可以肯定，4G通信将是一个比3G通信更完美的新的无线世界，它可创造出许多消费者难以想象的应用效果。

尽管目前4G还是一种市场概念，但根据目前较为统一的描述，4G通信技术将具有以下特点：

1）4G最大的数据传输速率将超过1Mbit/s，这个速率是目前移动电话数据传输速率的1万倍，也是3G移动电话速率的50倍。

2）4G手机将可以提供高性能的汇流媒体内容，并可通过ID应用程序成为个人身份鉴别的设备。

3）4G手机可以接受高分辨率的电影和电视节目，从而成为合并广播和通信的新基础设施中的一个纽带。

4）4G通信技术能集成不同模式的无线通信，从无线局域网和蓝牙等室内网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。

5）由于技术的先进性，使投资成本大大减少，未来的4G通信费用也会比目前的通信费用更便宜。

目前全世界正处在3G技术的第三个发展阶段，在国际电信联盟的推动下，世界各国已对4G的远景发展目标达成基本共识，今后几年是4G标准形成的关键时期，各国都把精力放在对技术的研究和频谱的划分上，这一技术预计在2015年实现商用普及。

未来的4G通信技术成功使用后，所使用的4G手机的功能就不再是简单的语音传输了，而应该算得上一台小型电脑。4G通信技术将给人们带来真正的沟通自由，并将彻底改变人们的生活方式甚至社会形态。