詹志強 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

手機的3G、4G和5G（上）

詹志強 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，手機已經(jīng)從稀缺品變?yōu)閭€人必需品。智能手機的出現(xiàn)除了帶動移動時代的崛起外，更是加速了通信技術(shù)的革新。移動通信數(shù)據(jù)傳輸率的增加讓移動用戶享受到了高速移動網(wǎng)絡(luò)嶄新的體驗，實現(xiàn)了隨時隨地與外界交流、上網(wǎng)。人們使用智能手機訂票、訂餐、付款、看視頻等，使生活變得非常方便，這些方便的基礎(chǔ)是以手機上網(wǎng)速度的提高來實現(xiàn)的。提起上網(wǎng)，一般人對于手機的2G、3G、4G和4G-LTE乃至5G的認(rèn)知就是更快的手機上網(wǎng)速度，并不了解其背后的科學(xué)含意。本文從介紹移動通信的代（G）開始，來講述各種代（G）之間的含義。

1　移動通信的代（G）

移動通信的代用G來表示，G是英文generation的首字母（注意這里的G與通信中所用的頻率GHz中的G有所不同，1 GHz的頻率代表頻率為1×109Hz），比如人們常常聽說4G代表第四代，3G代表第三代，2G代表第二代。由于第一代移動通信系統(tǒng)（1G）采用模擬技術(shù)，存在著容易并機、通信不保密、頻譜利用率低、終端體積大、漫游不易等諸多不足之處，因此1G系統(tǒng)已于2001年底在國內(nèi)全部停止運營。

1.1第二代移動電話（2G）

國內(nèi)的第二代移動通信標(biāo)準(zhǔn)有GSM制式和IS-95CDMA制式。GSM只支持線路交換的語音通道，主要透過語音通道打電話與傳送信息。GPRS系統(tǒng)因為支持包交換因而實現(xiàn)了上網(wǎng)功能，但是由于利用語音通道傳送資料包，因而上網(wǎng)的速度很慢。IS-95 CDMA制式是最早投入使用的公用擴頻通信的碼分多址系統(tǒng)，CDMA是碼分多址（code division multiple access）的英文縮寫，它是在數(shù)字技術(shù)的分支——擴頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種無線通信技術(shù)，由于其能夠滿足市場對移動通信容量和品質(zhì)的高要求，具有頻譜利用率高、話音質(zhì)量好、保密性強、掉話率低、電磁輻射小、容量大、覆蓋廣等特點，可以大量減少投資和降低運營成本。CDMA技術(shù)的原理是基于擴頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號帶寬的信息數(shù)據(jù)用一個帶寬遠(yuǎn)大于信號帶寬的高速偽隨機碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號作相關(guān)處理，把寬帶信號轉(zhuǎn)換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴，以實現(xiàn)信息通信。

1.2第三代移動電話（3G）

第三代移動電話（3G）標(biāo)準(zhǔn)共有3個，分別為WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA，其中的TD-SCDMA為我國向ITU提出的3G標(biāo)準(zhǔn)。在國內(nèi)，中國聯(lián)通使用WCDMA制式、中國電信使用CDMA2000制式、中國移動使用TD-SCDMA制式。

第三代移動電話系統(tǒng)使用的核心技術(shù)是CDMA技術(shù)，系統(tǒng)支持包交換，可以用更快的速度上網(wǎng)，但是仍然不能滿足實時傳輸圖像的需求，這就需要推出傳輸速度更快的技術(shù)，即人們常說的4G。

由于3G的手機同時支持2G，因此當(dāng)使用3G的手機打電話或發(fā)送短信息時，仍然是使用2G系統(tǒng)的語音信道來完成的，這也就說明了為什么短信息是按條來收費的，并有字?jǐn)?shù)的限制。

1.3第四代移動電話（4G）

第四代移動電話（4G）的全稱為LTE（Long Term Evolution，長期演進(jìn)）。LTE是由3GPP（The 3rd Generation Partnership Project， 第 三 代 合 作伙伴計劃）組織制定的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動通信系統(tǒng)）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長期演進(jìn)，根據(jù)雙工方式不同，LTE系統(tǒng)可分為FDD-LTE（Frequency Division Duplexing，頻分雙工）和TDD-LTE（Time Division Duplexing，時分雙工）。TDD-LTE為我國提出的4G標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)的第四代移動通信系統(tǒng)的制式包括FDD制式和TDD制式。LTE/LTE-A系統(tǒng)支持包交換，可以用更快的速度上網(wǎng)。由于4G手機大多同時支持3G與2G，因此在手機找不到4G-LTE基地臺時仍然會以3G的基地臺上網(wǎng)，打電話或發(fā)送短消息時仍然是使用GSM系統(tǒng)或者是2G CDMA系統(tǒng)的語音通道來完成。

實際上，4G LTE系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)率很高，完全可以直接將需要傳送的語音信息（即人們打電話的語音信息）切割成包來傳送，原理就和使用網(wǎng)絡(luò)電話（國內(nèi)的qq語音通話、微信語音通話就是網(wǎng)絡(luò)電話的一種）一樣，并可以讓音質(zhì)更好。但是由于包交換是以數(shù)據(jù)的流量計費，語音通信由于采樣率不是很高，每秒鐘傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)也就不是很多，對通信運營商來說，采用線路交換是計時收費，這對電信公司更有利。因此目前通信公司的4G LTE提供電話或傳短消息服務(wù)時，仍然是使用2G系統(tǒng)的語音通道來完成的。也就是說，目前使用4G電話打電話，通話計費方式仍與2G、3G時一樣，仍然是按照時間而不是按照字節(jié)來收費的。

2　無線通信傳遞媒介——電磁波

無線通信的信號是通過電磁波發(fā)送出去的。電磁波（Electromagnetic wave）是由互相垂直的電場（Electric field）與磁場（Magnetic field）交互作用而產(chǎn)生的一種能量（Energy）。這種能量在前進(jìn)的時候就像水波一樣會依照一定的頻率不停地振動，如圖1所示。電磁波每秒鐘振動的次數(shù)是頻率 （Frequency），單位為赫茲（Hz）。假設(shè)某一個電磁波1 s振動2次，則頻率為2 Hz，如圖2（a）所示；1 s振動4次，則頻率為4 Hz，如圖2（b）所示。例如，無線局域網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）與藍(lán)牙（Bluetooth）的通信頻率為2.4 GHz，這意味著它使用的電磁波每秒振動24億次（注：這里的G是英文Giga的首字母，代表10億，而不是前面3G、4G、5G的那個G）。

圖1　電磁波是由彼此互相垂直的電場與磁場交互作用而產(chǎn)生的能量

圖2　電磁波頻率示意圖

宇宙里自然存在的所有電磁波如圖3（a）所示，稱之為電磁波頻譜（Spectrum）。由圖中可以看出，中間的部分是光（Light），包括：紅外光（Infrared，IR）、可見光（人類肉眼可以看見的光，即通常所說的赤橙黃綠藍(lán)靛紫）、紫外光（Ultraviolet，UV）。光實際上也是一種電磁波。

右邊為頻率更高（能量更高）的電磁波，左邊為頻率更低（能量更低）的電磁波。由于頻率較低的電磁波比較安全，而且具有良好的繞射特性，因此適合用來作為無線通信使用。

各頻段電磁波的范圍和用處如下：

頻率1～100 kHz的電磁波：通常應(yīng)用在航空無線電、海底電纜、電話與電報等。

頻率1～1 000 MHz的電磁波：通常用于無線電視、調(diào)幅廣播（AM）、業(yè)余無線電、調(diào)頻廣播（FM）等。

頻率1～100 GHz的電磁波：通常用于衛(wèi)星通信、衛(wèi)星定位、雷達(dá)與微波通信等。而其中頻率30 GHz以上（相當(dāng)于波長10 mm以下）的電磁波稱為毫米波（Millimeter Wave），將來有可能用于5G通信。

目前用于無線通信的電磁波如圖3（b）所示。

圖3　電磁波頻譜與應(yīng)用

3　頻帶寬度（帶寬）的含意

無線通信中的帶寬好似高速公路的車道，車道越多代表高速公路越寬，亦即行車速度越快。帶寬（Bandwidth）是用來傳遞信號的頻率范圍，單位與頻率相同，均為赫茲（Hz）。

例如在GSM系統(tǒng)中，甲和乙使用頻率900～900.2 MHz的電磁波通話（帶寬900.2 MHz-900 MHz = 0.2 MHz），丙和丁使用頻率900.2～900.4 MHz的電磁波通話（帶寬900.4 MHz-900.2 MHz = 0.2 MHz），此時這個通信系統(tǒng)的語音通道帶寬為0.2 MHz。

手機并不會分辨到底是誰和誰在通話，而是接收某一個頻率范圍（帶寬）的電磁波信號，再根據(jù)所用系統(tǒng)的多址格式（時分多址、頻分多址、碼分多址）接收與自己相關(guān)的電磁波信號，而不相關(guān)的信號則不被接收。

4　帶寬與數(shù)據(jù)率的區(qū)別

帶寬（Bandwidth）與數(shù)據(jù)率（Data rate）的意義很類似，常常讓人混淆，這里簡單說明它們之間的差別。

4.1帶寬

帶寬是模擬通信使用的名詞。通信線路允許通過的信號頻率范圍就稱為線路的帶寬。

由圖1可以看出，電磁波是一種連續(xù)的波動能量，既然是連續(xù)的當(dāng)然一定是模擬信號，因此帶寬（Bandwidth）和它的單位赫茲（Hz）指的都是電磁波的物理特性。

例如，在傳統(tǒng)通信線路上傳送的電話信號的標(biāo)準(zhǔn)帶寬是3.1 kHz（從300 Hz到3.4 kHz，即語音主要成分的頻率范圍）。

4.2數(shù)據(jù)率

數(shù)據(jù)率是數(shù)字通信使用的名詞。手機會先將人們講話的聲音（連續(xù)的模擬信號）先轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的0與1兩種數(shù)字信號，再經(jīng)由天線傳送出去。數(shù)據(jù)率的單位比特每秒（bit/s：bit per second）代表每秒可以傳送幾個位，也就是每秒可以傳送幾個0或1，例如：1 Gbit/s（1 G = 10億）代表每秒可以傳送10億個位（10億個0或1）。

對于家庭光纖上網(wǎng)，常聽說20 M或者是50 M，但是不知道M的意思，在這里，20 M表示數(shù)據(jù)傳輸率為20 Mbit/s而不是帶寬為20 MHz。

實際上，20 Mbit/s（每秒百萬位元）是線路速度，而其下載速度計算方式是20/8=2.5 MB/s。這里1 Byte=8 bit，即每秒可以下載2.5 MB的內(nèi)容，但這也僅僅是理論上的速度，因為在實際應(yīng)用上還要減去大約25%網(wǎng)絡(luò)速率的損耗。除了以太網(wǎng)絡(luò)標(biāo)頭值（Ethernet Header）造成的網(wǎng)絡(luò)速率15%損耗之外，還包括傳輸控制協(xié)議包頭值（TCP Header）有5% 至10%的傳輸損耗，而異步傳輸模式包頭值（ATM Header）的傳輸損耗則多達(dá)15%。

因此，20 M寬頻的實際上網(wǎng)速度是20除以8，得出2.5 MB/s，再乘以75%為1.875 MB/s，這才是20 M寬頻網(wǎng)絡(luò)的真正速率。

數(shù)據(jù)率是數(shù)字通信時實際傳送每個位資料的速率，重點是數(shù)字信號可以利用不同的調(diào)制與雙工技術(shù)，使相同帶寬的介質(zhì)具有更高的數(shù)據(jù)率，這就是目前許多新通信技術(shù)（例如3G使用的WCDMA、4G使用的OFDM等）被發(fā)明出來的原因。

5　線路交換和包交換

5.1線路交換（Circuit switch）

線路交換是指傳送端與接收端之間先建立一條專用的連線再進(jìn)行通信。傳統(tǒng)的語音通信屬于線路交換，例如國內(nèi)電話與國際電話、移動電話等在通話之前都必須先撥號，等交換機將電話接通之后才能通話，就是使用線路交換的方式，通常費用是以使用時間計算，例如撥打市內(nèi)電話或移動電話，使用時間越久費用越高。

5.2包交換（Packet switch）

包交換是指傳送端與接收端之間共用一條線路，必須先將要傳送的資料切割成許多較小的包（Packet）再進(jìn)行通信。目前的數(shù)據(jù)通信均屬于包交換范疇，使用者要傳送的資料愈多，則需要的包數(shù)目愈多，傳送的時間愈長，電腦網(wǎng)絡(luò)在通信之前并不需要撥號，只要連接網(wǎng)絡(luò)線即可使用，通常費用是以數(shù)據(jù)率來計算，不同數(shù)據(jù)率費用不同（通常網(wǎng)速越高費用越高），但是使用時間沒有限制。

（未完待續(xù)）