1.5 一次技術的革命——從1G到2G

自從1979年日本運營商NTT推出第一個商用蜂窩網絡，1G快速取代了移動無線電話系統（如MTS、IMTS等）成為被廣泛使用的移動電話系統。

相比移動無線電話系統的“大區制”部署，蜂窩網絡采用了發射功率更小、覆蓋面積更小的“小區制”部署方式，如圖1-18所示。正因為蜂窩通信是為“小區制”部署而生的，因此，“大區制”部署的一些問題也被蜂窩通信“完美”地解決。

首先，小發射功率更容易利用頻譜復用技術來實現容量的大幅提升和干擾的降低，解決了移動無線電話系統的最大商用問題。如圖1-18所示，假設頻段F （等于F1+F2+F3）可容納63個通信信道，若采用“大區制”部署，則整個橢圓形區域內共可容納63人同時通話。若將F頻段分成3個子頻段（F1、F2和F3），每個子頻段均支持21人通話。在同樣的覆蓋區域內使用“小區制”部署，將一個大區頻率復用［也可稱為空分復用（SDM）］分裂為9個小區，則容量提升9倍。因為采用了頻率復用，相鄰小區的頻率被錯開，避免了強烈小區間干擾的出現。

其次，由于蜂窩通信采用了更小的發射功率，覆蓋范圍較小，雖然帶來了較大的覆蓋成本，但也同時降低了手機的成本，以及對手機發射功率的要求，為手機小型化奠定了基礎。此外，單基站更小的覆蓋范圍更有利于實現更精細的覆蓋，避免大范圍覆蓋因為遮擋而出現覆蓋盲區，從而為用戶提供更好的服務。

正是蜂窩通信的這些優勢，使得1G自出現后便迅速實現全面商用。但因為當時并未出現全球性的技術標準化組織，因此，各個國家和地區往往各自為陣，制定各自的技術標準。1G的商用情況如表1-1所示。

當然，無論這些技術標準的名字如何，但從核心技術和指標來看，都一脈相承。

1G屬于模擬通信系統，即利用時間上連續變化的模擬信號進行信息傳輸的通信系統。也就是說，我們傳輸的信息（如聲音、圖像等）輸入變換器（如送話器、光電管）后，變換器輸出連續的模擬電信號，而這個電信號的頻率或振幅隨輸入信息的變化而變化。到了接收端，由用戶設備將模擬電信號還原成非電信號（聲音、圖像）送至用戶。此外，1G采用的都是頻分多址（FDMA），也就是系統將總帶寬分隔成多個正交的信道，每個用戶通話時獨立占用一個信道，用不同的頻率來區分和承載不同用戶。

1G相對移動無線電話系統的另外一個特征是采用了蜂窩技術，較小的覆蓋范圍使基站和手機側的發射功率更小。比如1G AMPS的基站發射功率為45W，手機發射功率為3W，它相比IMTS系統基站100W～250W和移動臺25W的發射功率來說，大幅度降低。這使得1G終端相比0G終端可以做得更小，待機時間更長。1996年3月，摩托羅拉推出世界上第一款翻蓋手機——StarTAC3000，如圖1-19所示，它同時也是當時最輕、最小的手機，其整機重量僅為103g。

不得不說，1G為人們打開了一扇通往新時代的大門，讓我們第一次實現了自由的通信，但這并不代表1G就是完美的。

首先，1G采用的是頻分多址技術，為了實現多個用戶間互不干擾的雙工通信，每個用戶都需要獨立占用兩個信道。以AMPS為例，每個用戶需要占用兩個總帶寬為60kHz的頻譜資源。其中416個信道在824MHz～849MHz的范圍內，用于從移動站到基站的傳輸（上行信道）;416個信道在869MHz～894MHz的范圍內，用于從基站到移動站的傳輸（下行信道）。另外，為了實現頻率復用避免干擾，每個基站只能使用這些信道的不同子集來提供服務。因此，1G提供的容量無法滿足商用后期快速增長的用戶需求。

其次，1G是模擬通信系統，模擬信號同原信號在波形上幾乎“一模一樣”，似乎應該達到很好的傳輸效果，然而事實恰恰相反，1G的語音通話效果并非想象中那么好，這是因為信號在傳輸過程中要經過許多處理，這難免要產生一些干擾。這些干擾很容易引起信號失真，也會帶來一些噪聲。失真和噪聲會隨著傳送距離的增加而積累起來，嚴重影響通信質量。

最后，1G有安全性問題。1G基本上沒有采用什么安全技術，用戶信息以明文方式進行通信，這使在無線鏈路中竊聽非常容易（雖然NMT在后續增加了模擬加擾技術，但其加密效果仍然不盡如人意）。移動用戶的身份鑒別過程也非常簡單，把移動終端的電子序列號（ESN）和由網絡分配的移動識別號（MIN）一起用明文方式傳輸給網絡，只要兩者相符就可建立呼叫。因此，只要截取ESN和MIN就可以“克隆”移動電話。20世紀90年代，“克隆”技術為運營商帶來了數百萬美元的損失，一度成為1G“不可接受”的缺陷。

此外，1G時代并沒有出現通信國際標準化組織，因此1G技術只有“國家標準”而沒有“國際標準”，這使得國際漫游成為一個突出的問題，如NMT等雖然可實現少數國家間的漫游，但可支持范圍極為有限。

雖然我們現在看1G無論是技術還是設計都顯得落伍，但它的出現確實將人們帶入了一個新的時代。1G從20世紀80年代被引入，直到21世紀初才逐漸退出人們的視野，為人們服務了幾十年。

正是1G的諸多“不完美”引發了移動通信技術的再一次革命——第二代移動通信技術（2G）。

引發這一次革命的關鍵因素仍是容量。

1.5.1 從模擬通信到數字通信

模擬通信的技術特征使1G信號的傳輸必須在時域上保持連續性，因此必須使用頻率來區分不同用戶，沿用這個思路，增加系統容量就勢必需要成比例地增加頻譜資源。這條路已經走不通了，畢竟，頻譜資源也不是“天上掉下的餡餅”。

那怎么辦呢？答案是：數字化。

1.數字化的第1個挑戰：如何將連續信號離散化

“將連續信號離散化”是指將一個時間和幅度都連續的模擬信號轉化為離散時間信號，這樣采樣出來的離散值可以完全重建出原來的連續信號。

解決連續信號離散化問題的理論基礎是“采樣定理”，它搭建起從模擬信號到數字信號之間的橋梁。

提到“采樣定理”，不得不提到瑞典裔美國物理學家哈里·奈奎斯特。1928年4月，奈奎斯特在發表的論文“Certain Topics in Telegraph Transmission Theory”（《電報傳輸理論的若干問題》）中提出了與采樣定理相關的問題，他證明了“一個帶寬為B的系統可以發送最多2B個獨立的脈沖”。不過他沒有直接處理連續信號采樣及重建的問題。1933年蘇聯科學家弗拉基米爾·科捷尼科夫首次用公式嚴格地表述了這一定理。1948年信息論的創始人克勞德·艾爾伍德·香農對這一定理加以明確說明并正式作為定理引用。因此，“采樣定律”被稱為“奈奎斯特采樣定理”或“香農采樣定理”。其中，采樣定理的時域表述如下。

“當時間信號函數f(t)的最高頻率分量為fMax時，f(t)的值可由一系列采樣間隔小于或等于1/(2fMax)的采樣值來確定，即采樣點的重復頻率f≥2fMax。”

2.數字化的第2個挑戰：如何將“離散時間信號”轉化為“有限離散近似值”

奈奎斯特采樣定理完成了從“連續時間信號”到“離散時間信號”的轉化，但此時采樣獲得的離散時間信號的幅度取值仍然是連續的（無限多個可能值）。因此，接下來的一個問題是，如何將離散時間信號映射到一個較小的有限取值集合，也就是利用“舍入”操作和“截斷”操作將“時間離散但幅度連續”的采樣值轉化為一個“時間離散且幅度也離散”的有限離散近似值。

量化信號最簡單的方法是用最接近原始模擬信號振幅的有限離散值來表示，如圖1- 20所示，黑色實線為原始模擬信號（連續時間信號），黑圓點為量化信號（離散時間信號），虛線是原始信號與重建信號之間的量化誤差。

量化精度是指可以將模擬信號分成多少個等級，量化精度越高，所采集到的信號與原始信號越近似。量化精度由量化級或量化位數來表示，量化位數指要區分所有量化級所需要的二進制數，量化級數M=2n,n為量化位數。不同的量化精度可獲得最終量化不同的“分辨率”，如圖1-21所示。

3.數字化的第3個挑戰：如何將量化獲得的“有限離散近似值”轉化為比特流

將“有限離散近似值”轉化為比特流的過程就是編碼，即將圖像、音頻等模擬信號采樣、量化后的“有限離散近似值”轉化為比特流。對于音頻數據而言，常用的編碼方式有PCM編碼、WAV編碼、MP3編碼等。這里需要說明的是，在日常生活中，我們往往稱PCM編碼的音頻是“無損格式”的。這里的“無損格式”并非技術意義上的絕對無損，因為從模擬信號到數字信號的采樣和量化原理看，無論如何都無法做到真正意義上的無損。而所謂約定俗成的無損編碼，是指PCM代表了數字音頻中最佳的保真水準（CD、DVD采用的編碼格式），并不意味著PCM就能夠確保信號絕對保真。

圖1-22給出了采樣、量化、編碼3個過程，這3個過程可以順利地將一個模擬信號轉化為數字信號，即比特流。

隨著模擬信號成功地轉化為數字信號，通信系統也會隨之從模擬通信系統變為數字通信系統。因為在20世紀90年代，通信系統傳輸的大多數信號還是模擬信號，比如聲音、圖像，因此，如圖1-23所示，我們首先需要將模擬信號通過模數轉換器轉化為數字信號，通過信道傳輸到接收端后，再將數字信號轉化為模擬信號。看到這里，可能有心的讀者就會產生疑問：為什么非要將模擬信號轉化成數字信號進行傳輸呢？轉來轉去比較麻煩，而且模擬信號的采樣、量化也會導致信息的丟失，是否得不償失？這樣做有什么好處？

1.5.2 GSM的橫空出世

前面提到，1G商用后驅動技術發展最重要的推動力就是容量，那么將模擬信號數字化后對容量的提升又有什么幫助呢？

將模擬信號轉變為數字信號后，時域連續的模擬信號變成了時域離散的比特流，這樣就可以通過將一個信道（載頻）時域劃分成多個片段，每個片段發送不同用戶的比特流來實現在時域上的用戶復用，如圖1-24所示，進而實現系統容量的大幅提升。這個在時域上實現多用戶復用的技術就是時分多址（TDMA），它就是2G時代的核心技術之一。TDMA最終推動了2G中的全球移動通信系統（GSM）的出現。

GSM是由歐洲電信標準組織（ETSI）制定的2G標準。

1983年歐洲郵政和電信會議（CEPT）成立了GSM委員會并開始制定基于數字蜂窩語音通信的歐洲標準。1987年，來自13個歐洲國家的代表在哥本哈根簽署了一份諒解備忘錄，用于在整個歐洲開發和部署通用蜂窩電話系統，并通過了歐盟規則，使GSM成為強制性標準。這個備忘錄最終造就了全球第一個統一的、開放的、強制性的、基于標準的通信網絡。1987年2月，第一個GSM規范由CEPT制定完成，該規范隨后在1989年由CEPT交由ETSI繼續維護。2000年，ETSI又將GSM的演進維護工作全權交給剛成立的標準化組織3GPP管理。

不得不說，GSM是一個偉大的技術產品。從1991年12月首次在芬蘭部署到2011年，GSM標準已經占據80％的移動通信市場份額，在超過212個國家和地區為超過20億人提供服務，這使GSM技術在眾多2G標準中成為應用最廣、使用人數最多的2G標準。

1.5.3 CDMA的由來

了解通信發展史的讀者可能會問，2G中除了GSM外，還有碼分多址（CDMA）技術，那CDMA技術又是如何發展而來的呢？

從無線電被應用到通信技術以來，人們對無線電的認識和利用都首先從頻域開始。因而頻譜資源也就順理成章地成為一種重要的戰略資源。在大多數國家，頻譜資源由國家機構統一管理和分配，這就意味著頻譜的使用并不能隨心所欲。因此，移動通信技術從1G的FDMA向2G的TDMA發展。雖然TDMA技術的引入確實使網絡容量相比FDMA有了大幅度的提升，但相比正迅速崛起的移動通信市場而言，TDMA帶來的容量提升還遠遠不夠。

在這種技術背景下，探索新的提升網絡容量的方法變得迫在眉睫。CDMA的起源問題我們暫且不談，而CDMA進入移動通信領域，在很大程度上歸功于美國電氣工程師、商人歐文·雅各布斯。

1985年7月，雅各布斯等其他6位聯合創始人在美國圣地亞哥成立了一家科技公司，公司因“Quality Communications”（高質量通信）而命名為“高通”（Qualcomm）。雅各布斯憑借其早期參與的有關跳頻和衛星保密通信的經驗，開展蜂窩CDMA技術的研究和推動，并于1986年10月申請了第一個CDMA專利（US4901307A）。正是因為該專利，高通公司在CDMA領域的絕對壟斷地位得以建立。當然，每一個新技術、新概念從出現到被接受都必須要經歷一些“磨難”。蜂窩CDMA技術的出現，并未迅速獲得其他通信業巨頭的支持。1989年11月，高通公司在圣地亞哥進行了一次CDMA的測試演示，這次演示證明了CDMA技術相比模擬AMPS技術，系統容量提高了10倍（理論容量是AMPS的40倍）。最終，CDMA憑借其高系統容量和高質量的語音表現，在北美獲得了這場CDMA與TDMA標準之爭的最終勝利。1993年，美國無線電信和互聯網協會（CTIA）決定用CDMA技術作為北美數字蜂窩標準（IS-95A標準，也被稱為CdmaOne）,CDMA技術正式成為2G家族中的一員。

1995年第一個商用的CDMA網絡在中國香港地區建成，截至1997年，CDMA網絡已經擁有了57%的美國市場，到2007年高通公司的CDMA技術（含后期演進）已應用于超過105個國家/地區，而高通公司也因此成為移動通信行業的“另一極”。

說了這么多，那CDMA到底為何物？它憑什么具有和TDMA分庭抗禮的能力？

CDMA技術是以擴頻通信為基礎發展而來的一種多址技術。擴頻簡單來說就是頻譜擴展，它起源于第二次世界大戰時期的美國軍方。當時由于窄帶通信的信號帶寬只有幾十千赫茲，因此干擾窄帶通信只需要使用一個具有相同發射頻率且功率足夠大的發射機就可以實現。CDMA技術的思路就是通過特殊的碼型處理，把信號能量擴展到一個很寬的頻帶上，使之湮滅在噪聲中。而在接收端只能通過相同的碼型才能恢復信號（整個過程就像加密、解密一樣）。由于信號湮滅在噪聲里，敵方很難偵測到，因此，這種技術早期在軍事領域被廣泛應用。

CDMA的基本原理簡單說就是利用彼此間沒有相關性的正交序列對多用戶的有用信號進行“加密”。因為加密的序列相互正交，所以經過加密的多個用戶的數據也相互正交（相互不影響）。在接收端，用戶用自己的加密序列可以完全解密出自己的有用信號，而如果用其他加密序列進行解密，則會因為所有加密序列之間是正交的，接收信號最終為0。

首先，讓我們來看看什么是正交。圖1-25給出了兩個相互正交的序列，分別是{1,1,-1,-1}、{1,-1,-1,1}，正交有一個特征，就是序列相乘的結果加起來等于0，也就是(1×1)+1×(-1)+(-1)×(-1)+(-1×1)=1-1+1-1=0。

接下來，我們再來看看“加密”這個過程。其實這里的“加密”就是用“加密序列”和有用信號進行按位的異或運算。而CDMA的“加密”過程，還順帶增加一個“擴頻”的效果，即使用比有用信號頻率高的“加密序列”進行加密實現擴頻的效果，而這里的“加密序列”就是擴頻碼。

CDMA的數據加密和解密過程如圖1-26所示。

首先，假設待傳輸給用戶1的用戶比特是一個低頻信號{1,-1}。擴頻碼的速率是用戶比特的8倍，因此將擴頻8倍。對用戶比特和擴頻碼進行異或（XOR）操作（異或操作規則是1 XOR 1=0;1 XOR 0=1;0 XOR 1=1;0 XOR 0=0，也就是“不同”為1,“同”為0），則獲得擴頻（加密）后的發射信號；假設信道為理想信道（誤碼率為0），則用戶1接收到的信號等于發射信號；用戶1使用網絡分配的解擴頻碼（解密碼）進行解擴頻操作（這個解擴頻碼其實就是基站側的擴頻碼），同樣是異或操作。最終可以順利還原出用戶1的數據比特{1,0}。

有讀者可能會問，無線電是廣播式的，每個用戶都能收到在一定范圍內基站發射的信號，那么，發送給用戶1的信息如果被其他用戶收到后會被怎么處理呢，是否會產生干擾？

這里不得不提前面講的擴頻碼之間的正交性。這就是我們接下來要探討的過程——干擾消除。

如圖1-27所示，基站側將低頻比特流{1,0}發送給用戶1，使用分配給用戶1的擴頻碼W1加密完成發送；此時用戶2“不幸”接收到了該比特流，他嘗試用基站分配給自己的解擴頻碼W2進行解擴頻，當然，同樣進行按位異或操作，將高頻的數據恢復成低頻數據。在低頻信號的兩個碼元內進行積分，結果為0。這樣的結果也就代表如果用戶收到發給其他用戶的數據，因為擴頻碼的正交性，干擾都可以被過濾。這種設計精妙而完美。

從技術角度看，由AMPS技術演進而來的數字AMPS（D-AMPS）、日本的小靈通（個人手持電話系統，PHS）、歐洲的CT2（由CT1發展而來）、日本的個人數字蜂窩（PDC）等技術標準都可以被稱作2G，但真正得到廣泛應用并獲得成功的只有GSM和基于CDMA技術的CdmaOne（IS-95）。也正是CDMA的精妙設計和優異性能，使CdmaOne后來居上，與GSM“平分秋色”！

現在看來，無論是GSM還是CDMA，相比1G的AMPS、NMT都實現了性能的極大提升，那么，又是什么推動了技術的下一次演進呢？