詹志强 / 上海市计量测试技术研究院

手机的3G、4G和5G（上）

詹志强 / 上海市计量测试技术研究院

随着科学技术的发展，手机已经从稀缺品变为个人必需品。智能手机的出现除了带动移动时代的崛起外，更是加速了通信技术的革新。移动通信数据传输率的增加让移动用户享受到了高速移动网络崭新的体验，实现了随时随地与外界交流、上网。人们使用智能手机订票、订餐、付款、看视频等，使生活变得非常方便，这些方便的基础是以手机上网速度的提高来实现的。提起上网，一般人对于手机的2G、3G、4G和4G-LTE乃至5G的认知就是更快的手机上网速度，并不了解其背后的科学含意。本文从介绍移动通信的代（G）开始，来讲述各种代（G）之间的含义。

1　移动通信的代（G）

移动通信的代用G来表示，G是英文generation的首字母（注意这里的G与通信中所用的频率GHz中的G有所不同，1 GHz的频率代表频率为1×109Hz），比如人们常常听说4G代表第四代，3G代表第三代，2G代表第二代。由于第一代移动通信系统（1G）采用模拟技术，存在着容易并机、通信不保密、频谱利用率低、终端体积大、漫游不易等诸多不足之处，因此1G系统已于2001年底在国内全部停止运营。

1.1第二代移动电话（2G）

国内的第二代移动通信标准有GSM制式和IS-95CDMA制式。GSM只支持线路交换的语音通道，主要透过语音通道打电话与传送信息。GPRS系统因为支持包交换因而实现了上网功能，但是由于利用语音通道传送资料包，因而上网的速度很慢。IS-95 CDMA制式是最早投入使用的公用扩频通信的码分多址系统，CDMA是码分多址（code division multiple access）的英文缩写，它是在数字技术的分支——扩频通信技术上发展起来的一种无线通信技术，由于其能够满足市场对移动通信容量和品质的高要求，具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点，可以大量减少投资和降低运营成本。CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽的信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号转换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。

1.2第三代移动电话（3G）

第三代移动电话（3G）标准共有3个，分别为WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA，其中的TD-SCDMA为我国向ITU提出的3G标准。在国内，中国联通使用WCDMA制式、中国电信使用CDMA2000制式、中国移动使用TD-SCDMA制式。

第三代移动电话系统使用的核心技术是CDMA技术，系统支持包交换，可以用更快的速度上网，但是仍然不能满足实时传输图像的需求，这就需要推出传输速度更快的技术，即人们常说的4G。

由于3G的手机同时支持2G，因此当使用3G的手机打电话或发送短信息时，仍然是使用2G系统的语音信道来完成的，这也就说明了为什么短信息是按条来收费的，并有字数的限制。

1.3第四代移动电话（4G）

第四代移动电话（4G）的全称为LTE（Long Term Evolution，长期演进）。LTE是由3GPP（The 3rd Generation Partnership Project， 第 三 代 合 作伙伴计划）组织制定的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统）技术标准的长期演进，根据双工方式不同，LTE系统可分为FDD-LTE（Frequency Division Duplexing，频分双工）和TDD-LTE（Time Division Duplexing，时分双工）。TDD-LTE为我国提出的4G标准，国内的第四代移动通信系统的制式包括FDD制式和TDD制式。LTE/LTE-A系统支持包交换，可以用更快的速度上网。由于4G手机大多同时支持3G与2G，因此在手机找不到4G-LTE基地台时仍然会以3G的基地台上网，打电话或发送短消息时仍然是使用GSM系统或者是2G CDMA系统的语音通道来完成。

实际上，4G LTE系统由于数据率很高，完全可以直接将需要传送的语音信息（即人们打电话的语音信息）切割成包来传送，原理就和使用网络电话（国内的qq语音通话、微信语音通话就是网络电话的一种）一样，并可以让音质更好。但是由于包交换是以数据的流量计费，语音通信由于采样率不是很高，每秒钟传输的字节数也就不是很多，对通信运营商来说，采用线路交换是计时收费，这对电信公司更有利。因此目前通信公司的4G LTE提供电话或传短消息服务时，仍然是使用2G系统的语音通道来完成的。也就是说，目前使用4G电话打电话，通话计费方式仍与2G、3G时一样，仍然是按照时间而不是按照字节来收费的。

2　无线通信传递媒介——电磁波

无线通信的信号是通过电磁波发送出去的。电磁波（Electromagnetic wave）是由互相垂直的电场（Electric field）与磁场（Magnetic field）交互作用而产生的一种能量（Energy）。这种能量在前进的时候就像水波一样会依照一定的频率不停地振动，如图1所示。电磁波每秒钟振动的次数是频率 （Frequency），单位为赫兹（Hz）。假设某一个电磁波1 s振动2次，则频率为2 Hz，如图2（a）所示；1 s振动4次，则频率为4 Hz，如图2（b）所示。例如，无线局域网络（Wi-Fi）与蓝牙（Bluetooth）的通信频率为2.4 GHz，这意味着它使用的电磁波每秒振动24亿次（注：这里的G是英文Giga的首字母，代表10亿，而不是前面3G、4G、5G的那个G）。

图1　电磁波是由彼此互相垂直的电场与磁场交互作用而产生的能量

图2　电磁波频率示意图

宇宙里自然存在的所有电磁波如图3（a）所示，称之为电磁波频谱（Spectrum）。由图中可以看出，中间的部分是光（Light），包括：红外光（Infrared，IR）、可见光（人类肉眼可以看见的光，即通常所说的赤橙黄绿蓝靛紫）、紫外光（Ultraviolet，UV）。光实际上也是一种电磁波。

右边为频率更高（能量更高）的电磁波，左边为频率更低（能量更低）的电磁波。由于频率较低的电磁波比较安全，而且具有良好的绕射特性，因此适合用来作为无线通信使用。

各频段电磁波的范围和用处如下：

频率1～100 kHz的电磁波：通常应用在航空无线电、海底电缆、电话与电报等。

频率1～1 000 MHz的电磁波：通常用于无线电视、调幅广播（AM）、业余无线电、调频广播（FM）等。

频率1～100 GHz的电磁波：通常用于卫星通信、卫星定位、雷达与微波通信等。而其中频率30 GHz以上（相当于波长10 mm以下）的电磁波称为毫米波（Millimeter Wave），将来有可能用于5G通信。

目前用于无线通信的电磁波如图3（b）所示。

图3　电磁波频谱与应用

3　频带宽度（带宽）的含意

无线通信中的带宽好似高速公路的车道，车道越多代表高速公路越宽，亦即行车速度越快。带宽（Bandwidth）是用来传递信号的频率范围，单位与频率相同，均为赫兹（Hz）。

例如在GSM系统中，甲和乙使用频率900～900.2 MHz的电磁波通话（带宽900.2 MHz-900 MHz = 0.2 MHz），丙和丁使用频率900.2～900.4 MHz的电磁波通话（带宽900.4 MHz-900.2 MHz = 0.2 MHz），此时这个通信系统的语音通道带宽为0.2 MHz。

手机并不会分辨到底是谁和谁在通话，而是接收某一个频率范围（带宽）的电磁波信号，再根据所用系统的多址格式（时分多址、频分多址、码分多址）接收与自己相关的电磁波信号，而不相关的信号则不被接收。

4　带宽与数据率的区别

带宽（Bandwidth）与数据率（Data rate）的意义很类似，常常让人混淆，这里简单说明它们之间的差别。

4.1带宽

带宽是模拟通信使用的名词。通信线路允许通过的信号频率范围就称为线路的带宽。

由图1可以看出，电磁波是一种连续的波动能量，既然是连续的当然一定是模拟信号，因此带宽（Bandwidth）和它的单位赫兹（Hz）指的都是电磁波的物理特性。

例如，在传统通信线路上传送的电话信号的标准带宽是3.1 kHz（从300 Hz到3.4 kHz，即语音主要成分的频率范围）。

4.2数据率

数据率是数字通信使用的名词。手机会先将人们讲话的声音（连续的模拟信号）先转换成不连续的0与1两种数字信号，再经由天线传送出去。数据率的单位比特每秒（bit/s：bit per second）代表每秒可以传送几个位，也就是每秒可以传送几个0或1，例如：1 Gbit/s（1 G = 10亿）代表每秒可以传送10亿个位（10亿个0或1）。

对于家庭光纤上网，常听说20 M或者是50 M，但是不知道M的意思，在这里，20 M表示数据传输率为20 Mbit/s而不是带宽为20 MHz。

实际上，20 Mbit/s（每秒百万位元）是线路速度，而其下载速度计算方式是20/8=2.5 MB/s。这里1 Byte=8 bit，即每秒可以下载2.5 MB的内容，但这也仅仅是理论上的速度，因为在实际应用上还要减去大约25%网络速率的损耗。除了以太网络标头值（Ethernet Header）造成的网络速率15%损耗之外，还包括传输控制协议包头值（TCP Header）有5% 至10%的传输损耗，而异步传输模式包头值（ATM Header）的传输损耗则多达15%。

因此，20 M宽频的实际上网速度是20除以8，得出2.5 MB/s，再乘以75%为1.875 MB/s，这才是20 M宽频网络的真正速率。

数据率是数字通信时实际传送每个位资料的速率，重点是数字信号可以利用不同的调制与双工技术，使相同带宽的介质具有更高的数据率，这就是目前许多新通信技术（例如3G使用的WCDMA、4G使用的OFDM等）被发明出来的原因。

5　线路交换和包交换

5.1线路交换（Circuit switch）

线路交换是指传送端与接收端之间先建立一条专用的连线再进行通信。传统的语音通信属于线路交换，例如国内电话与国际电话、移动电话等在通话之前都必须先拨号，等交换机将电话接通之后才能通话，就是使用线路交换的方式，通常费用是以使用时间计算，例如拨打市内电话或移动电话，使用时间越久费用越高。

5.2包交换（Packet switch）

包交换是指传送端与接收端之间共用一条线路，必须先将要传送的资料切割成许多较小的包（Packet）再进行通信。目前的数据通信均属于包交换范畴，使用者要传送的资料愈多，则需要的包数目愈多，传送的时间愈长，电脑网络在通信之前并不需要拨号，只要连接网络线即可使用，通常费用是以数据率来计算，不同数据率费用不同（通常网速越高费用越高），但是使用时间没有限制。

（未完待续）