引言

• 行動電話系統可用於廣域範圍的語音通訊和資料通訊。行動電話優勢稱為蜂窩電話，已經經歷了三代，俗稱1G、2G、3G（5G已出）。每一代有不同的技術：（1）模擬語音；（2）數字語音；（3）數字語音和資料（Internet、電子郵件等）
• 第一個移動系統有美國AT&T公司設計並在全國部署實施，結果美國只有一個（模擬）系統；相反，當行動電話在歐洲出現時，每個國家都設計了自己的一套電話系統，從而導致行動電話系統市場的一片混亂。當數字系統到來時，歐洲吸取了教訓，各國郵電部門聯合起來共同完成了一個標準化系統（GSM）；此時美國卻任由市場發展，最終導致了不同廠商生產了不同種類的行動電話，因此美國現在有兩個主要的但互不相容的數字行動電話系統以及其他一些小系統。
• 美歐行動電話系統的其他區別：美國的行動電話號碼和固定電話號碼混合在一起，呼叫方無法識別，由於固定電話與行動電話存在費用差別，電話公司決定行動電話機主接聽要付費；歐洲區分了固定電話與行動電話，採用主叫方付費的通用規則。歐洲使用了預付費行動電話，當餘額為0時可以通過一個PIN碼續費，歐洲很多青少年或兒童都有行動電話，父母可以通過這種方式知道孩子在哪裡並不擔心他們花掉大筆費用。

1.第一代行動電話（1G）：模擬語音

• 1946年，聖•路易斯建立了第一個可用在汽車上的電話系統，該系統使用了一個被安置在高大建築物上的的大型發射器，並且只有一個通道用於傳送和接收。為了通話，使用者必須按一下按鈕以便打開發送功能並關閉接收功能。這樣的系統被稱為按鈕通話系統。電視節目中的CB無線電、計程車和警車通常使用這種技術。
• 20世紀60年代，改進型行動電話系統（IMTS）開始使用。它也使用了一個放置在一座小山頂上的大功率發射器（200瓦），但是有兩個頻率，分別用於傳送和接收。IMTS支援23個通道，頻率範圍為150~450MHz。由於通道數量比較少，所以使用者常常需要等待很長時間才能聽到撥號音；而且由於發射器功率大，鄰近的系統必須相距幾百千米才能避免干擾。總而言之，有限的容量使得該系統無法被真正實際使用。

高階行動電話系統

• 高階行動電話系統（AMPS）由貝爾實驗室發明，於1982年首次在美國部署。隨後英國和日本也安裝了這樣的系統，英國稱為TACS，日本稱為MCS-L1。AMPS於2008年正式退休，基於它改進得到了2G和3G系統。在所有的電話系統中，一個地理區域被分成許多蜂窩（cell）。在AMPS中，每個蜂窩通常為10~20千米的跨度；在數字系統中，蜂窩要小一些。每個蜂窩使用一組頻率，這組頻率不會被它任何一個鄰居使用，相距較近（但不相鄰）的蜂窩可以重複使用相同的傳輸頻率。蜂窩設計思想至少使系統增加了一個數量級的容量，而且蜂窩越小，容量增加得越多；此外，小蜂窩意味著所需要的功率更小，因而發射器和手持裝置也更小、更便宜。
• 頻率重用的思想如圖a所示，圖中，每7個蜂窩組成一組，每個字母代表了一組頻率；每組頻率都有一兩個蜂窩寬的緩衝帶，在緩衝帶中該頻率組不會被重用，從而保證了良好的隔離性和較低的干擾。移動運營商可以通過降低功率和將超載的蜂窩切分成更小的微蜂窩，使得更多的頻率被重用，如圖b。
• 每個蜂窩系統的中心是一個基站，負責蜂窩中的所有電話傳輸。基站是由一臺計算機和連線到一個天線上的發射器/接收器組成的。在一個小規模系統中，所有基站都連線到一個稱為行動電話交換局（MTSO）或者移動交換中心（MSC）的裝置上。規模大一個的系統可能需要幾個MTSO，所有的MTSO都連線到一個二級MTSO上，以此類推。MTSO類似於電話系統中的端局，而且事實上它們也確實連線到至少一個電話系統端局。MTSO與基站、其他MTSO以及PSTN（Public Switched Telephone Network 公共交換電話網路）通過資料包交換網路進行通訊。
• 每個行動電話邏輯上屬於某個特定的蜂窩，並且受該蜂窩基站的控制。當一個行動電話在物理上離開一個蜂窩時，它的基站會注意到該電話的訊號越來越弱，於是詢問周圍其他基站從該電話上得到的功率多大。根據獲悉的回答，該基站將所有權轉交給訊號最強的那個蜂窩。然後該電話就會接到通知——已切換基站，而且如果當時正在通話，它就被要求切換到一個新的通道上（相鄰蜂窩的通道是無法重用的），這個過程就稱為切換，大約需要300毫秒，通道分配由系統的神經中樞系統MTSO來完成，基站只負責無線電波的中繼。

通道

• AMPS使用FDM來劃分通道，系統使用了832個全雙工通道，每個通道由一對單工通道組成，這種安排稱為頻分雙工（FDD）。頻率範圍為824~849MHz的832個單工通道被用作行動電話到基站的傳送通道，頻率範圍為869~894MHz的另外832個單工通道被用作基站到行動電話的傳送通道，每個單工通道的頻率為30kHz。
• 832個通道分成4類。控制通道（從基站到行動電話）用於管理系統；尋呼通道（從基站到行動電話）用於提醒使用者有呼叫到來；接入通道（雙向）用於呼叫的建立和通道的分配；最後，資料通道（雙向）承載語音、傳真或資料。由於相同的頻率不能在相鄰的蜂窩中重用，而且每個蜂窩保留了21條通道用於控制，因此每個蜂窩中實際可用的語音通道數遠小於832，通常只45個左右。

呼叫管理

• 在AMPS系統中，每部行動電話有一個32位元的序列號和一個10位數字的電話號碼，這些數字存放在其可程式設計的只讀儲存器中。電話號碼的表示方法是：3位數字的區域碼佔10位元，7位數字的使用者號碼佔24位元。當電話開機時，它對預先設定的21條控制通道進行掃描，找到最強的訊號；然後電話廣播自己的序列號和電話號碼。當基站聽到行動電話的廣播資訊後，它就告訴MTSO；然後MTSO記錄下新客戶的到達情況，同時通知該客戶家鄉的MTSO它的當前位置，在正常操作過程中，行動電話每隔15分鐘就要註冊一次。
• 當用戶輸入完電話號碼並按下發送按鈕時，電話將被叫號碼以及它自己的標識通過接入通道傳送出去。如果發生碰撞，它會試著再次傳送。當基站接到了來自電話的呼叫請求時，它就通知MTSO。如果主叫者是該MTSO公司的客戶，則MTSO就為這次呼叫尋找一條空閒的通道，如果找到了可用的通道，它就通過控制資訊將可用通道的號碼發回電話；然後行動電話自動切換到被選中的語音通道上等待，直到被叫方接聽。
• 入境電話呼叫的工作方式有所不同。剛開始時，所有空閒電話都在不停地監聽尋呼通道，以便檢測是否有訊息傳送給它們。當呼叫一部行動電話時，被叫方的家鄉MTSO就會收到一個分組，詢問被叫方現在在哪裡，然後一個數據包被髮送到被叫方當前所在蜂窩的基站，基站在尋呼通道上傳送一條廣播資訊如：14號，你在嗎？被叫電話在接入通道上回答：我在；基站接著就會說：有人在3號通道上找你。此時被叫電話切換到3號通道，鈴聲響起。

2.第二代行動電話（2G）：數字語音

• 數字相比模擬的優點：通過將語音數字化處理和壓縮帶來了容量上的收益；其次，通過對語音和控制訊號實行加密改進了安全性；最後，它催生了諸如手機簡訊等新業務的展開。如先前第一代行動電話沒有全球化標準一樣，第二代行動電話也沒有形成全球化標準。數字高階行動電話系統（D-AMPS）是數字版的AMPS。它可以與AMPS並存，使用TDM把多個訊號複用在同一頻率通道。D-AMPS有國際標準的IS-54和其繼任的IS-136描述。全球移動通訊系統（GSM）是占主導地位的系統，它與FDM和TDM的混合，分碼多重進接（CDMA）則是一個彎曲不同型別的標準，它既不基於FDM也不基於TDM，由國際標準IS-95描述，儘管CDMA沒有成為占主導地位的2G系統，但其技術已經成為3G系統的基礎。

GSM——全球移動通訊系統

• 20世紀80年代，作為歐洲單一化2G標準化的努力而誕生了GSM，1991年開始部署第一個GSM系統。GSM保留了1G系統的設計理念，以蜂窩為基礎、頻率可跨蜂窩複用，並隨著使用者的移動切換蜂窩，但2G系統和1G系統在細節上有很大的不同。
• 圖中顯示了GSM的體系結構，雖然元件名稱不同，但與AMPS體系非常相似。現在，行動電話本身可以分成手機和一個可移動晶片兩個部分。晶片具有使用者資訊，稱為SIM卡，即使用者識別模組（Subscriber Identity Moudle）的簡稱。正是SIM卡激活了手機，幷包含了行動電話和網路相互識別對方和加密通話所需要的機密。SIM卡可以被取出並插入到一個不同的手機，該手機就成為了你的行動電話。
• 行動電話通過空中介面與蜂窩基站通話，每個蜂窩基站都連線到一個基站控制器（BSC），該控制器控制蜂窩的無線資源分配並處理切換事務。BSC又被連線到一個MSC（移動交換中心），由MSC負責電話呼叫的路由並和PSTN（公共交換網路）相連。為了能夠路由呼叫，MSC需要知道目前在哪裡可以找到手機，它維護著一個稱為訪問位置暫存器的資料庫——該資料庫包含了所有附近的行動電話，這些行動電話都與它所管理的蜂窩關聯。行動網路中還有一個數據庫，記錄了每個行動電話的最後一個已知位置，這就是所謂的歸屬位置暫存器，這個資料庫用來把入境呼叫路由到正確位置。這兩個資料庫必須的行動電話從一個蜂窩移動到另一個蜂窩時及時更新。
• GSM可在很大的頻率範圍內執行（包括900MHz、1800MHz和1900MHz），這是為了支援更多的使用者數量，為GSM分配的頻譜比AMPS多。與AMPS類似，GSM也是一種頻分雙工蜂窩系統。也就是說，每個行動電話的某個頻率傳送而用另一個更高的頻率接收，然而與AMPS不同的是，GSM的一對頻率按照時分多路複用又被細分為多個時間槽，這樣多個行動電話可以共享這一對頻率。為了處理多個行動電話，GSM通道比AMPS通道寬了許多（GSM每個通道寬200kHz，而AMPS通道寬30kHz）。如圖，900MHz頻域範圍的124對單工通道，每個通道寬200kHz，採用時分複用技術可以支援8個單獨連線。每個當前活躍的行動電話被分配到某對通道上的某個時間槽。從理論上來講，每個蜂窩可以支援992個通道（124*8），但其中有不少是不能用的，這主要是為了避免與鄰近蜂窩的頻率衝突。圖示中，8個陰影標識的時間槽屬於相同的連線（僅時間不同），每個方向上4個時間槽，傳送和接收沒有出現在同一時間槽內，因為GSM無線電不能在同一時間進行傳送和接收，而從一個狀態切換到另一個需要一定的時間。如果移動裝置分配得到890.4/935.4MHz和時間槽2（排序從0開始），當它需要給基站傳送時，它就使用下面4個陰影時間槽（和後續時間的那些），在每個時間槽內傳送一些資料直到傳送完全部資料。
  
• TDM時間槽只是複雜成幀層次結構中的一部分。每個TDM時間槽是一個特定的結構，一組TDM時間槽組合起來形成多幀結構，多幀也有特定的結構形式。幀的簡化版結構層次如圖。每個TDM時間槽包含一個148位元的資料幀，它佔用通道577微秒（包括時間槽之後的30微秒保護時間）。每個幀的開始和結束都有3個位元0，用於幀的分界；還包含2個57位元的Information資訊欄位。每個information欄位都有一個控制位元，支出雖好的Information欄位包含的是語音還是資料。Information欄位之間是一個26位元的Sync欄位，接收方利用這個欄位同步到傳送方的幀邊界。
• 傳送一個數據幀需要547微秒。但在每4.615毫秒內，一個發射器只允許傳送一個數據幀（其他7個站的發射器也要傳送一個數據幀，一個數據幀佔用一個時間槽），因為它與其他7個站共享一個通道。每條通道的總傳輸率為270833bps，分給8個使用者使用。然而，如同AMPS一樣，各種開銷吃掉了相當大一部分的頻寬，最終每個使用者在糾錯之前擁有的有效載荷只有24.7kbps。經過糾錯之後，留給語音的只剩下13kbps。8個數據幀構成了一個TDM幀，26個TDM幀構成了一個120毫米的多幀，在一個多幀的26個TDM幀中，TDM幀12用於控制，TDM幀25保留為將來使用，所以只有24個TDM幀可用於傳輸使用者流量。
• GSM還使用了51個TDM幀的多幀結構這些TDM幀中有一些被用於控制通道，GSM通過控制通道來管理系統。廣播控制通道從基站輸出一個連續流，其中包含了該基站的標識和通道的狀態，所有的移動站都監視它們的訊號強度，一般瞭解核實移動到一個新的蜂窩中。專用控制通道用於移動使用者的位置更新、註冊和呼叫的建立；每個BSC都維護了一個關於當前在它管轄下的資料庫，即VLR，維護VLR所需要的資訊都是在專用控制通道中傳送的。最後，還有一個公共控制通道，它被分成3個邏輯子通道：第一個子通道是尋呼通道，基站用它通告有關入境呼叫的情況，每個移動站都不停地監視該通道，以便發現那些應由自己應答的呼叫；第二個子通道是隨機接入通道，它允許使用者在專用控制通道上請求一個時間槽，如果兩個請求衝突，它們都會遭到拒絕，必須重新嘗試傳送請求，移動站利用專用控制中的時間槽來發起一次電話呼叫；第三個通道為接入授予通道，用於宣佈分配獲得的專用控制通道的時間槽。
• GSM與AMPS的切換是不同的。在AMPS中，MSC完全負責切換而無需移動裝置的協作。隨著GSM中通道被分配成時間槽，移動裝置在大部分時間內既沒有傳送動作也沒有接受動作。這些空閒的時間槽就給了移動裝置測量到附近其他基站的訊號質量的機會。它把測量獲得的資訊傳送給BSC，BSC用這些資訊來確定行動電話是夠正在進入另一個蜂窩，從而決定是否執行切換。這種設計稱為移動輔助切換。

3.第三代行動電話（3G）：數字語音和資料

• 1992年ITU針對3G的實現提出了國際行動通訊-2000（IMT-2000），但沒有實現（2015年10月26日至30日，在瑞士日內瓦召開的2015無線電通訊全會上，國際電聯無線電通訊部門(ITU-R)正式批准了三項有利於推進未來5G研究程序的決議，並正式確定了5G的法定名稱是“IMT-2020”）。經過幾番篩選，幾個IMT脫穎而出。它們來自兩個主要陣營。第一個，寬度分碼多重進接（WCDMA），由愛立信公司提出並獲得歐洲聯盟推進，稱為全球移動通訊系統（UMTS）；另一個競爭者是高通公司提出的CDMA2000。
• 來自兩大陣營的這些系統的相似性超過了它們的差異性，因為它們都是以寬頻CDMA為基礎：WCDMA使用5MHz通道而CDMA採用1.25MHz通道。（歐洲希望建立一個與GSM互聯的系統，而美國則希望有一個能與本土已廣泛部署的網路（IS-95）相相容的系統）
• 重點討論如何在蜂窩網路中使用CDMA。CDMA既不是頻分複用也不是時分複用，而是一種每個使用者可在同一時間用同一頻率傳送的混合技術。之前介紹過同步CDMA，其中碼片序列完全正交，這種設計之所以能正常工作在於所有使用者的碼片序列開始時間是嚴格同步的。基站能在同一時間發射碼片序列，這樣訊號得以正交併被分開。為了讓行動電話在不同步時也能給基站傳送，就要保證碼片序列在一切可能的訊號偏移量內保持正交，而不是簡單地在開始時就要保持一致。儘管不可能為這一般情況找到完全正交的碼片序列，但長偽隨機序列已足夠接近該目標。長偽隨機序列具有這樣的屬性：它們在所有偏移量內互相關性非常低的概率相當高。就是說，一個序列乘以另一個序列計算獲得的內積和很小，而如果它們是正交的則結果將是零。這就使得接收器可以把接收訊號中的不必要部分過濾掉。另外，除了在偏移量為零的那點外，偽隨機序列的自相關性很小的概率也相當高，這意味著，一個隨機序列乘以被延遲的自身複製，計算得出的內積也很小，除非延遲值是零。這樣，接收器就能在接收訊號中鎖住想要傳輸的開始。
• 偽隨機序列的應用使基站能接收來自非同步行動電話的CDMA訊息。然而，在我們討論CDMA時隱含了這樣的假設，即所有行動電話的功率在接收方是相同的。如果接收訊號的功率不同，一個強訊號的很小互相關性都有可能壓到一個弱訊號的很大自相關性。因此，行動電話的發射功率必須加以控制，才能最小化競爭訊號之間的干擾，正是這種干擾限制了CDMA系統的容量。
• 基站接收到的能量級別取決於發射器離基站的遠近以及它們的傳送功率。任何時候都可貴存在許多行動電話，它們與基站的距離不等。一種好的啟發式均衡接收功率的方法是針對每個行動電話，其發往基站的功率與它從基站接收到的功率強度相反。換句換說，如果行動電話接收到來自基站的訊號很弱，則它使用更多的發射功率來獲得更強的訊號，為了更加準確，每個基站也會給每個行動電話反饋資訊，告訴它們該如何增加、減少或保持穩定的發射功率。因為良好的功率控制對於最小化干擾非常重要，因此這種反饋也非常頻繁（每秒1500次）。
• 對之前介紹的基本CDMA方案的一個改進是讓不同的使用者以不同的速率傳送資料。在CDMA中，只要固定碼片的傳輸速率併為使用者分配不同長度的碼片序列。例如在WCDMA中，碼片速率為3.84M chips/s，擴頻碼長度從4~256不等。用長度為256的碼片時，差錯檢測後還剩下大約12kbps，這個容量足夠進行語音通訊；而用長度為4的碼片時，使用者資料率接近1Mbps。
• CDMA有三個優點：首先，CDMA可提升容量，這是利用了一些發射器靜默時的小週期優勢。在禮貌的語音通話中，一方說話一方會傾聽，平均而言只有40％的線路處於忙狀態。然而，談話之間的停頓可能很小，而且難以預料。用TDM或者FDM系統，重新分配時間槽或頻率通道的速度不可能足夠快到能從中受益。而在CDMA中，只要簡單地不給一個使用者傳送訊號就能降低對其他使用者的干擾，而且在一個繁忙的蜂窩系統中任何時間可能只有一部分使用者發射。因此，CDMA利用了沉默期的優勢，做到了支援更多數量呼叫的同時進行。其次，用CDMA，每個蜂窩可使用相同的頻率。與GSM和AMPS不同的是，這裡不需要FDM來區分不同使用者的傳輸。由此消除了負載的頻率規劃工作，也提高了系統容量。而且有利於基站使用多個定向天線或扇形天線而不是全向天線。定向天線把訊號集中在某個預定方向，並降低訊號強度，從而減少對其他方向的干擾，這反過來又增加了容量。通常涉及方案是採用三個扇形天線。基站必須時刻跟蹤行動電話從一個扇形區域1移動到另一個扇形區域。這種跟蹤對CDMA來說非常容易，因為所有的頻率在扇形區域都可用。最後，CDMA採用了軟切換技術，行動電話在老基站完全斷開連線之前就被新基站接管。如此一來，不會丟失連線的連貫性。軟切換對CDMA而言做起來相對容易，因為每個蜂窩都使用了所有的頻率。與之對應的另一種切換方案是硬切換，即行動電話在新基站接管之前必須與老基站連線中斷，如果新基站無法接管它（如沒有可用頻率），呼叫就會突然中斷。
  
• 4G系統取名長期演進（LTE）。4G建議的一些特性包括：高頻寬、普適性（連線無處不在）、與其它有線和無線IP網路的無縫整合（包括802.11接入點）、頻譜和資源的自適應管理以及高品質的多媒體服務。與此同時，具備4G效能水平的無線網路早已可用，主要例子是802.16，也稱為WiMAX。