引言
- 移动电话系统可用于广域范围的语音通信和数据通信。移动电话优势称为蜂窝电话，已经经历了三代，俗称1G、2G、3G（5G已出）。每一代有不同的技术：（1）模拟语音；（2）数字语音；（3）数字语音和数据（Internet、电子邮件等）
- 第一个移动系统有美国AT&T公司设计并在全国部署实施，结果美国只有一个（模拟）系统；相反，当移动电话在欧洲出现时，每个国家都设计了自己的一套电话系统，从而导致移动电话系统市场的一片混乱。当数字系统到来时，欧洲吸取了教训，各国邮电部门联合起来共同完成了一个标准化系统（GSM）；此时美国却任由市场发展，最终导致了不同厂商生产了不同种类的移动电话，因此美国现在有两个主要的但互不兼容的数字移动电话系统以及其他一些小系统。
- 美欧移动电话系统的其他区别：美国的移动电话号码和固定电话号码混合在一起，呼叫方无法识别，由于固定电话与移动电话存在费用差别，电话公司决定移动电话机主接听要付费；欧洲区分了固定电话与移动电话，采用主叫方付费的通用规则。欧洲使用了预付费移动电话，当余额为0时可以通过一个PIN码续费，欧洲很多青少年或儿童都有移动电话，父母可以通过这种方式知道孩子在哪里并不担心他们花掉大笔费用。
1.第一代移动电话（1G）：模拟语音
- 1946年，圣•路易斯建立了第一个可用在汽车上的电话系统，该系统使用了一个被安置在高大建筑物上的的大型发射器，并且只有一个信道用于发送和接收。为了通话，用户必须按一下按钮以便打开发送功能并关闭接收功能。这样的系统被称为按钮通话系统。电视节目中的CB无线电、出租车和警车通常使用这种技术。
- 20世纪60年代，改进型移动电话系统（IMTS）开始使用。它也使用了一个放置在一座小山顶上的大功率发射器（200瓦），但是有两个频率，分别用于发送和接收。IMTS支持23个信道，频率范围为150~450MHz。由于信道数量比较少，所以用户常常需要等待很长时间才能听到拨号音；而且由于发射器功率大，邻近的系统必须相距几百千米才能避免干扰。总而言之，有限的容量使得该系统无法被真正实际使用。
高级移动电话系统
- 高级移动电话系统（AMPS）由贝尔实验室发明，于1982年首次在美国部署。随后英国和日本也安装了这样的系统，英国称为TACS，日本称为MCS-L1。AMPS于2008年正式退休，基于它改进得到了2G和3G系统。在所有的电话系统中，一个地理区域被分成许多蜂窝（cell）。在AMPS中，每个蜂窝通常为10~20千米的跨度；在数字系统中，蜂窝要小一些。每个蜂窝使用一组频率，这组频率不会被它任何一个邻居使用，相距较近（但不相邻）的蜂窝可以重复使用相同的传输频率。蜂窝设计思想至少使系统增加了一个数量级的容量，而且蜂窝越小，容量增加得越多；此外，小蜂窝意味着所需要的功率更小，因而发射器和手持设备也更小、更便宜。
- 频率重用的思想如图a所示，图中，每7个蜂窝组成一组，每个字母代表了一组频率；每组频率都有一两个蜂窝宽的缓冲带，在缓冲带中该频率组不会被重用，从而保证了良好的隔离性和较低的干扰。移动运营商可以通过降低功率和将超载的蜂窝切分成更小的微蜂窝，使得更多的频率被重用，如图b。
- 每个蜂窝系统的中心是一个基站，负责蜂窝中的所有电话传输。基站是由一台计算机和连接到一个天线上的发射器/接收器组成的。在一个小规模系统中，所有基站都连接到一个称为移动电话交换局（MTSO）或者移动交换中心（MSC）的设备上。规模大一个的系统可能需要几个MTSO，所有的MTSO都连接到一个二级MTSO上，以此类推。MTSO类似于电话系统中的端局，而且事实上它们也确实连接到至少一个电话系统端局。MTSO与基站、其他MTSO以及PSTN（Public Switched Telephone Network 公共交换电话网络）通过数据包交换网络进行通信。
- 每个移动电话逻辑上属于某个特定的蜂窝，并且受该蜂窝基站的控制。当一个移动电话在物理上离开一个蜂窝时，它的基站会注意到该电话的信号越来越弱，于是询问周围其他基站从该电话上得到的功率多大。根据获悉的回答，该基站将所有权转交给信号最强的那个蜂窝。然后该电话就会接到通知——已切换基站，而且如果当时正在通话，它就被要求切换到一个新的信道上（相邻蜂窝的信道是无法重用的），这个过程就称为切换，大约需要300毫秒，信道分配由系统的神经中枢系统MTSO来完成，基站只负责无线电波的中继。
信道
- AMPS使用FDM来划分信道，系统使用了832个全双工信道，每个信道由一对单工信道组成，这种安排称为频分双工（FDD）。频率范围为824~849MHz的832个单工信道被用作移动电话到基站的发送信道，频率范围为869~894MHz的另外832个单工信道被用作基站到移动电话的发送信道，每个单工信道的频率为30kHz。
- 832个信道分成4类。控制信道（从基站到移动电话）用于管理系统；寻呼信道（从基站到移动电话）用于提醒用户有呼叫到来；接入信道（双向）用于呼叫的建立和信道的分配；最后，数据信道（双向）承载语音、传真或数据。由于相同的频率不能在相邻的蜂窝中重用，而且每个蜂窝保留了21条信道用于控制，因此每个蜂窝中实际可用的语音信道数远小于832，通常只45个左右。
呼叫管理
- 在AMPS系统中，每部移动电话有一个32比特的序列号和一个10位数字的电话号码，这些数字存放在其可编程的只读储存器中。电话号码的表示方法是：3位数字的区域码占10比特，7位数字的用户号码占24比特。当电话开机时，它对预先设置的21条控制信道进行扫描，找到最强的信号；然后电话广播自己的序列号和电话号码。当基站听到移动电话的广播信息后，它就告诉MTSO；然后MTSO记录下新客户的到达情况，同时通知该客户家乡的MTSO它的当前位置，在正常操作过程中，移动电话每隔15分钟就要注册一次。
- 当用户输入完电话号码并按下发送按钮时，电话将被叫号码以及它自己的标识通过接入信道发送出去。如果发生碰撞，它会试着再次发送。当基站接到了来自电话的呼叫请求时，它就通知MTSO。如果主叫者是该MTSO公司的客户，则MTSO就为这次呼叫寻找一条空闲的信道，如果找到了可用的信道，它就通过控制信息将可用信道的号码发回电话；然后移动电话自动切换到被选中的语音信道上等待，直到被叫方接听。
- 入境电话呼叫的工作方式有所不同。刚开始时，所有空闲电话都在不停地监听寻呼信道，以便检测是否有消息发送给它们。当呼叫一部移动电话时，被叫方的家乡MTSO就会收到一个分组，询问被叫方现在在哪里，然后一个数据包被发送到被叫方当前所在蜂窝的基站，基站在寻呼信道上发送一条广播信息如：14号，你在吗？被叫电话在接入信道上回答：我在；基站接着就会说：有人在3号信道上找你。此时被叫电话切换到3号信道，铃声响起。
2.第二代移动电话（2G）：数字语音
- 数字相比模拟的优点：通过将语音数字化处理和压缩带来了容量上的收益；其次，通过对语音和控制信号实行加密改进了安全性；最后，它催生了诸如手机短信等新业务的展开。如先前第一代移动电话没有全球化标准一样，第二代移动电话也没有形成全球化标准。数字高级移动电话系统（D-AMPS）是数字版的AMPS。它可以与AMPS并存，使用TDM把多个信号复用在同一频率信道。D-AMPS有国际标准的IS-54和其继任的IS-136描述。全球移动通信系统（GSM）是占主导地位的系统，它与FDM和TDM的混合，码分多址（CDMA）则是一个弯曲不同类型的标准，它既不基于FDM也不基于TDM，由国际标准IS-95描述，尽管CDMA没有成为占主导地位的2G系统，但其技术已经成为3G系统的基础。
GSM——全球移动通信系统
- 20世纪80年代，作为欧洲单一化2G标准化的努力而诞生了GSM，1991年开始部署第一个GSM系统。GSM保留了1G系统的设计理念，以蜂窝为基础、频率可跨蜂窝复用，并随着用户的移动切换蜂窝，但2G系统和1G系统在细节上有很大的不同。
- 图中显示了GSM的体系结构，虽然组件名称不同，但与AMPS体系非常相似。现在，移动电话本身可以分成手机和一个可移动芯片两个部分。芯片具有用户信息，称为SIM卡，即用户识别模块（Subscriber Identity Moudle）的简称。正是SIM卡激活了手机，并包含了移动电话和网络相互识别对方和加密通话所需要的机密。SIM卡可以被取出并插入到一个不同的手机，该手机就成为了你的移动电话。
- 移动电话通过空中接口与蜂窝基站通话，每个蜂窝基站都连接到一个基站控制器（BSC），该控制器控制蜂窝的无线资源分配并处理切换事务。BSC又被连接到一个MSC（移动交换中心），由MSC负责电话呼叫的路由并和PSTN（公共交换网络）相连。为了能够路由呼叫，MSC需要知道目前在哪里可以找到手机，它维护着一个称为访问位置寄存器的数据库——该数据库包含了所有附近的移动电话，这些移动电话都与它所管理的蜂窝关联。移动网络中还有一个数据库，记录了每个移动电话的最后一个已知位置，这就是所谓的归属位置寄存器，这个数据库用来把入境呼叫路由到正确位置。这两个数据库必须的移动电话从一个蜂窝移动到另一个蜂窝时及时更新。
- GSM可在很大的频率范围内运行（包括900MHz、1800MHz和1900MHz），这是为了支持更多的用户数量，为GSM分配的频谱比AMPS多。与AMPS类似，GSM也是一种频分双工蜂窝系统。也就是说，每个移动电话的某个频率发送而用另一个更高的频率接收，然而与AMPS不同的是，GSM的一对频率按照时分多路复用又被细分为多个时间槽，这样多个移动电话可以共享这一对频率。为了处理多个移动电话，GSM信道比AMPS信道宽了许多（GSM每个信道宽200kHz，而AMPS信道宽30kHz）。如图，900MHz频域范围的124对单工信道，每个信道宽200kHz，采用时分复用技术可以支持8个单独连接。每个当前活跃的移动电话被分配到某对信道上的某个时间槽。从理论上来讲，每个蜂窝可以支持992个信道（124*8），但其中有不少是不能用的，这主要是为了避免与邻近蜂窝的频率冲突。图示中，8个阴影标识的时间槽属于相同的连接（仅时间不同），每个方向上4个时间槽，发送和接收没有出现在同一时间槽内，因为GSM无线电不能在同一时间进行发送和接收，而从一个状态切换到另一个需要一定的时间。如果移动设备分配得到890.4/935.4MHz和时间槽2（排序从0开始），当它需要给基站发送时，它就使用下面4个阴影时间槽（和后续时间的那些），在每个时间槽内发送一些数据直到发送完全部数据。
- TDM时间槽只是复杂成帧层次结构中的一部分。每个TDM时间槽是一个特定的结构，一组TDM时间槽组合起来形成多帧结构，多帧也有特定的结构形式。帧的简化版结构层次如图。每个TDM时间槽包含一个148比特的数据帧，它占用信道577微秒（包括时间槽之后的30微秒保护时间）。每个帧的开始和结束都有3个比特0，用于帧的分界；还包含2个57比特的Information信息字段。每个information字段都有一个控制比特，支出虽好的Information字段包含的是语音还是数据。Information字段之间是一个26比特的Sync字段，接收方利用这个字段同步到发送方的帧边界。
- 发送一个数据帧需要547微秒。但在每4.615毫秒内，一个发射器只允许发送一个数据帧（其他7个站的发射器也要发送一个数据帧，一个数据帧占用一个时间槽），因为它与其他7个站共享一个信道。每条信道的总传输率为270833bps，分给8个用户使用。然而，如同AMPS一样，各种开销吃掉了相当大一部分的带宽，最终每个用户在纠错之前拥有的有效载荷只有24.7kbps。经过纠错之后，留给语音的只剩下13kbps。8个数据帧构成了一个TDM帧，26个TDM帧构成了一个120毫米的多帧，在一个多帧的26个TDM帧中，TDM帧12用于控制，TDM帧25保留为将来使用，所以只有24个TDM帧可用于传输用户流量。
- GSM还使用了51个TDM帧的多帧结构这些TDM帧中有一些被用于控制信道，GSM通过控制信道来管理系统。广播控制信道从基站输出一个连续流，其中包含了该基站的标识和信道的状态，所有的移动站都监视它们的信号强度，一般了解核实移动到一个新的蜂窝中。专用控制信道用于移动用户的位置更新、注册和呼叫的建立；每个BSC都维护了一个关于当前在它管辖下的数据库，即VLR，维护VLR所需要的信息都是在专用控制信道中发送的。最后，还有一个公共控制信道，它被分成3个逻辑子信道：第一个子信道是寻呼信道，基站用它通告有关入境呼叫的情况，每个移动站都不停地监视该信道，以便发现那些应由自己应答的呼叫；第二个子信道是随机接入信道，它允许用户在专用控制信道上请求一个时间槽，如果两个请求冲突，它们都会遭到拒绝，必须重新尝试发送请求，移动站利用专用控制中的时间槽来发起一次电话呼叫；第三个信道为接入授予信道，用于宣布分配获得的专用控制信道的时间槽。
- GSM与AMPS的切换是不同的。在AMPS中，MSC完全负责切换而无需移动设备的协作。随着GSM中信道被分配成时间槽，移动设备在大部分时间内既没有发送动作也没有接受动作。这些空闲的时间槽就给了移动设备测量到附近其他基站的信号质量的机会。它把测量获得的信息发送给BSC，BSC用这些信息来确定移动电话是够正在进入另一个蜂窝，从而决定是否执行切换。这种设计称为移动辅助切换。
3.第三代移动电话（3G）：数字语音和数据
- 1992年ITU针对3G的实现提出了国际移动通信-2000（IMT-2000），但没有实现（2015年10月26日至30日，在瑞士日内瓦召开的2015无线电通信全会上，国际电联无线电通信部门(ITU-R)正式批准了三项有利于推进未来5G研究进程的决议，并正式确定了5G的法定名称是“IMT-2020”）。经过几番筛选，几个IMT脱颖而出。它们来自两个主要阵营。第一个，宽度码分多址（WCDMA），由爱立信公司提出并获得欧洲联盟推进，称为全球移动通信系统（UMTS）；另一个竞争者是高通公司提出的CDMA2000。
- 来自两大阵营的这些系统的相似性超过了它们的差异性，因为它们都是以宽带CDMA为基础：WCDMA使用5MHz信道而CDMA采用1.25MHz信道。（欧洲希望建立一个与GSM互联的系统，而美国则希望有一个能与本土已广泛部署的网络（IS-95）相兼容的系统）
- 重点讨论如何在蜂窝网络中使用CDMA。CDMA既不是频分复用也不是时分复用，而是一种每个用户可在同一时间用同一频率发送的混合技术。之前介绍过同步CDMA，其中码片序列完全正交，这种设计之所以能正常工作在于所有用户的码片序列开始时间是严格同步的。基站能在同一时间发射码片序列，这样信号得以正交并被分开。为了让移动电话在不同步时也能给基站发送，就要保证码片序列在一切可能的信号偏移量内保持正交，而不是简单地在开始时就要保持一致。尽管不可能为这一般情况找到完全正交的码片序列，但长伪随机序列已足够接近该目标。长伪随机序列具有这样的属性：它们在所有偏移量内互相关性非常低的概率相当高。就是说，一个序列乘以另一个序列计算获得的内积和很小，而如果它们是正交的则结果将是零。这就使得接收器可以把接收信号中的不必要部分过滤掉。另外，除了在偏移量为零的那点外，伪随机序列的自相关性很小的概率也相当高，这意味着，一个随机序列乘以被延迟的自身复制，计算得出的内积也很小，除非延迟值是零。这样，接收器就能在接收信号中锁住想要传输的开始。
- 伪随机序列的应用使基站能接收来自非同步移动电话的CDMA消息。然而，在我们讨论CDMA时隐含了这样的假设，即所有移动电话的功率在接收方是相同的。如果接收信号的功率不同，一个强信号的很小互相关性都有可能压到一个弱信号的很大自相关性。因此，移动电话的发射功率必须加以控制，才能最小化竞争信号之间的干扰，正是这种干扰限制了CDMA系统的容量。
- 基站接收到的能量级别取决于发射器离基站的远近以及它们的发送功率。任何时候都可贵存在许多移动电话，它们与基站的距离不等。一种好的启发式均衡接收功率的方法是针对每个移动电话，其发往基站的功率与它从基站接收到的功率强度相反。换句换说，如果移动电话接收到来自基站的信号很弱，则它使用更多的发射功率来获得更强的信号，为了更加准确，每个基站也会给每个移动电话反馈信息，告诉它们该如何增加、减少或保持稳定的发射功率。因为良好的功率控制对于最小化干扰非常重要，因此这种反馈也非常频繁（每秒1500次）。
- 对之前介绍的基本CDMA方案的一个改进是让不同的用户以不同的速率发送数据。在CDMA中，只要固定码片的传输速率并为用户分配不同长度的码片序列。例如在WCDMA中，码片速率为3.84M chips/s，扩频码长度从4~256不等。用长度为256的码片时，差错检测后还剩下大约12kbps，这个容量足够进行语音通信；而用长度为4的码片时，用户数据率接近1Mbps。
- CDMA有三个优点：首先，CDMA可提升容量，这是利用了一些发射器静默时的小周期优势。在礼貌的语音通话中，一方说话一方会倾听，平均而言只有40％的线路处于忙状态。然而，谈话之间的停顿可能很小，而且难以预料。用TDM或者FDM系统，重新分配时间槽或频率信道的速度不可能足够快到能从中受益。而在CDMA中，只要简单地不给一个用户发送信号就能降低对其他用户的干扰，而且在一个繁忙的蜂窝系统中任何时间可能只有一部分用户发射。因此，CDMA利用了沉默期的优势，做到了支持更多数量呼叫的同时进行。其次，用CDMA，每个蜂窝可使用相同的频率。与GSM和AMPS不同的是，这里不需要FDM来区分不同用户的传输。由此消除了负载的频率规划工作，也提高了系统容量。而且有利于基站使用多个定向天线或扇形天线而不是全向天线。定向天线把信号集中在某个预定方向，并降低信号强度，从而减少对其他方向的干扰，这反过来又增加了容量。通常涉及方案是采用三个扇形天线。基站必须时刻跟踪移动电话从一个扇形区域1移动到另一个扇形区域。这种跟踪对CDMA来说非常容易，因为所有的频率在扇形区域都可用。最后，CDMA采用了软切换技术，移动电话在老基站完全断开连接之前就被新基站接管。如此一来，不会丢失连接的连贯性。软切换对CDMA而言做起来相对容易，因为每个蜂窝都使用了所有的频率。与之对应的另一种切换方案是硬切换，即移动电话在新基站接管之前必须与老基站连接中断，如果新基站无法接管它（如没有可用频率），呼叫就会突然中断。
- 4G系统取名长期演进（LTE）。4G建议的一些特性包括：高带宽、普适性（连接无处不在）、与其它有线和无线IP网络的无缝集成（包括802.11接入点）、频谱和资源的自适应管理以及高品质的多媒体服务。与此同时，具备4G性能水平的无线网络早已可用，主要例子是802.16，也称为WiMAX。