从1G到4G：无线通信原理浅析

1G——2G——2.5G——3G——4G

让我们从一个电磁波开始

我们知道，随时间变化的电场产生磁场 ， 随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场总是以光速向四周传播，形成电磁波。

但是有一个问题， 传输距离短 ，这些电磁波往往是低频的，发射能力很弱，所以我们需要找一些高频信号把这些低频信号载到遥远的地方。像这样把低频信号加载到高频信号上去，叫做调制，他的反过程叫做解调。好，现在我们可以发射信号了

还有一个问题， 信号衰减 ，怎么办?不能增加发射功率，那样只能让手机越做越大，要用蜂窝。每个蜂窝中有一个基站，对信号进行放大增强。为了不冲突，相邻的蜂窝之间不能使用相同频段的信号（相同频段，互相干扰，所以在蜂窝之上进行跳频传输）

有了这些理论，我们的1G网络诞生了。1G网络传输的是模拟信号，他采集到模拟信号，经过放大加强，调制之后发射出去，然后通过蜂窝进行传输。

简易的振荡发射电路，（声音采集，放大，调制）它可以用作无线麦克，无线遥控和窃听，1G网络最经典的应用就是大哥大。模拟信号手机，9字头的号码，只能打电话，不可以互通短信。当时的大哥大设备极其昂贵，只有香港的大哥们用得起，所以江湖人称大哥大，绝对是身份与地位的象征，在当时的上流社会，就像阿玛尼一样流行。

但是大哥大有一个特性十分令人忧伤，就是 1G网络通话不能保密 ，只要我们用一个振荡电路，调到相应的频率，就可以窃听语音通话，商业洽谈，私人聚会，情侣之间，都可以，甚至有****通过窃听大哥大来调查婚外情。日本作家东野圭吾还以这种窃听为原型写了一本悬疑书，叫做《嫌疑人X的现身》。 被人窃听，这实在是太糟糕了。另外通话质量差，不能提供数据业务都昭示着它终将被时代所淘汰，成为历史。

那么怎么保密呢， 电磁波整段传输十分容易被窃听 ，一位科学家就想，可不可以把它化整为零，切成小的数据块在不同的频段和时段来传输呢。这就的是数字通信的雏形。这位科学家没有想到，这样一个简单的想法，竟给通信领域带来了翻天覆地的变革。

数字信号产生，很简单，就是对模拟信号进行采样量化， 采样频率是指一秒钟内采样的次数。量化位数是对信号的幅度进行数字化。位数越高越接近原始的波形。

而量化采样所带来的问题就是 失真 ，那么如何保真？

GSM解决了1G网络的所有疑难杂症，他使用13和15字头的号码，抗干扰能力强，安全性高，支持低速数据业务（比如浏览网站，短信和彩信），但是这一切依旧不能改变 GSM效率低下 的事实。

GSM网络使用的是电路交换，类似于我们所使用的电话，通信双方通过拨号连接到网络，然后进行通信，一旦连接建立，始终占用信道，直到停止拨号。这就是我们所俗称的长连接。

所以GSM这种特点为他带来了两个极其尖锐的缺点。

1.信道利用率低，信道有限，一旦拨号，即使什么也不做，也会占用信道，限制了带宽，限制了数据业务的应用，也无法实现移动的多媒体业务。造成资源的浪费。

2.短信送达不及时，当用户发送短信的时候，短消息首先被发送到短信中心的服务器中，再由服务器转发给接收用户。如果用户不在线，不能正常通信，则该条短消息进行一定的延时后重新发送。如果接收方一直不上网，由于服务器缓存有限，也许过上一两天，这条短信就丢掉了。

于是GPRS网络应运而生了，通用无线分组业务,GPRS采用分组交换技术来提高效率，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源。这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。另外GPRS使用了实时在线策略， 手机一开机就自动附着到GPRS网络上，采用这种附着方式连接网络是免费的，用户只有数据流量传递时，才会收取费用。以流量为依据，多用多收，少用少收。所以我们可以看到，从GPRS开始，2G网络的性能有了极大的提高，同时也有了数据流量的概念，为之后3G时代的开启奠定了基础。所以说GPRS是承前启后的一部杰作，我们习惯上把他定义为2.5G网络。

GPRS在获得极大成功的同时，也为我们带来了新的问题：数据片如何重组，如何排序，如何同步，以及如何纠错。这些问题在经典的TCPIP中，给出了详尽的答案，不作赘述。可以看出，当进入2.5G分组时代，所面临的已经是网络问题了，互联网与通信网相融合已经初露端倪。

随着手机上网用户的激增，GPRS开始变得拥挤，不堪重负 ，效率低下又一次来临了。如何提高效率，频率已经趋于饱和，而且已经运用了分组技术，那么我们还能怎么办？

可以看出，通信技术的每一次进步，都是对原有系统的切割细化过程。无线电波在传输过程中有衰减，那么我们把传输距离切割，加入多个基站，形成蜂窝系统，使中远距离通信成为可能。模拟信号在传输中易被窃听，那么我们把模拟信号进行切割，形成数字信号跳频传输，使数据安全得以保障，于是有了GSM网络。GSM是单用户独占信道，效率低下，我们把信道的使用权进行切割，多用户分时共用信道，于是有了分组网络GPRS。由于用户激增，GPRS变得拥挤，我们为每个用户贴上识别码，多用户同时共用信道，于是有了3GCDMA网络。

三个标准共存，谁也不能保证自己能笑到最后，用穷举法去应对不确定性才是大国战略，所以中国并没有竭尽全力去发展TD-SCDMA，而是让联通购买WCDMA使用权，电信购买CDMA2000使用权，而让在GPRS时代大赚了一笔的移动去开发TD-SCDMA。

WCDMA全称为Wideband CDMA宽频分码多重存取，联通2G时代的基建本身就很少很差，所以直接跳过这些2G基站，在各大城市建设了很多新的WCDMA基站。所以3G时代在城市里，联通的信号是最好的。机型也最多，由于WCDMA是欧洲制式，那时任何一款水货智能机基本上都支持WCDMA（iphone，爱立信、诺基亚、富士通、夏普，三星，谷歌）。以前诺基亚一家独大，他的GSM系统在全球极其完善，因此WCDMA具有先天的市场优势。是当时世界上使用最广泛，服务种类最丰富的3G标准，占据全球80%以上市场份额。

CDMA2000是高通的技术，其中的CDMA20003x方案是3G标准，实际上就是把三个低速的CDMA20001x信道捆绑在一起，应用了多路载波技术，达到了提速的目的，虽然简单，但是由于没有采用新的通信协议，不用新建基站，所以对于走农村包围城市路线的电信来说是不小的福音，因而从CDMA2000城市到村镇，覆盖面最广。但是手机终端较贵。因为高通要收取的高额专利费。所以很多手机厂商做多模手机时，联通+移动版和电信版往往会分开来做，而三网通手机往往会昂贵不少，那就是交的专利钱。

TD-SCDMA就很一般了，中国的国企，执行能力非常强悍，能够吃苦耐劳，但是因为通信技术起步较晚，技术不成熟，产业链不完整，导致产品远远落后于上述两个标准，传输速度很慢，基站笨重且辐射大（由于建筑物密集，一般大城市都限制基站布设，谁也不愿意这样一个庞然大物整天在自己头上朝着自己辐射高频电磁信号），而且由于技术方面的原因，移动速度超过120KM/小时，接受不到稳定的信号，这是简直是出差族的噩梦。但由于中国人自己研发，具有知识产权，所以被大量用作军用通信网的核心交换任务。所以TD-SCDMA的最大用户不是中国人民，而是中国人民解放军。

从2G时代的时分、频分到3G时代的码分，其实无线通信信道的效率已经被我们压榨的差不多了，当人们还在疑惑通信速率是否已经到达瓶颈的时候，来自IT行业的降维打击到来了。

碎碎念了这么多，感谢你能看到这里，在不远的将来，我们将会迎来5G时代，科技在进步，愿我们的生活也将越加美好。