从1G到4G:无线通信原理分析

先说一个电磁波。

我们知道时变电场产生磁场，时变磁场产生电场，互为因果，形成电磁场。电磁场总是以光速四处传播，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，所以我们需要找到一些高频信号，把这些低频信号携带到很远的地方。像这样把低频信号加载到高频信号上，叫做调制，它的逆过程叫做解调。好了，现在我们可以传送信号了。

还有一个问题，信号衰减，怎么办？你不能增加发射功率，这样只会让手机越来越大，用蜂窝电话。每个小区都有一个基站来放大和增强信号。为了不冲突，相邻小区不能使用同一频段的信号(同一频段互相干扰，所以在小区上进行跳频传输)。

有了这些理论，我们的1G网络就诞生了。1G网络传输模拟信号。它收集模拟信号，放大，调制，然后通过蜂窝网络传输。

简单的振荡发射电路(声音采集、放大和调制)可用作无线麦克风、无线遥控和窃听。1G网络最经典的应用就是手机。模拟信号手机，9字头号码，只能打电话，不能交换短信。那时候手机设备极其昂贵，只有香港的大哥们才能买得起。所以江湖人称之为手机，绝对是身份和地位的象征。在当时，它和阿玛尼一样在上流社会广受欢迎。

但是手机有一个特点很可悲，就是1G网络通话无法保密。只要用一个振荡器电路，调到相应的频率，就可以窃听语音通话、商务谈判、私人聚会和情侣，甚至私家侦探也可以窃听手机调查婚外情。日本作家东野圭吾也根据这次窃听事件写了一本悬疑书，名为《嫌疑人X的出现》..被窃听太糟糕了。此外，通话质量差，无法提供数据服务，预示着它终将被时代淘汰，成为历史。

那么如何保密呢？电磁波的整个传输非常容易被窃听。一个科学家想，能不能把它拆成碎片，切成小的数据块，在不同的频段和时间段传输？这是数字通信的雏形。这位科学家没有想到，这样一个简单的想法会给通信领域带来翻天覆地的变化。

数字信号产生，很简单，就是对模拟信号进行采样和量化，采样频率指的是一秒钟内的样本数。量化位数是将信号的幅度数字化。位数越多，越接近原始波形。

量化采样带来的问题是失真，那么如何保持真实呢？

GSM解决了1G网络的所有疑难杂症。它使用前缀为13和15的号码，抗干扰能力强，安全性高，支持低速数据业务(如浏览网站、短信、彩信)，但这一切仍然改变不了GSM效率低下的事实。

GSM网络使用电路交换，类似于我们使用的电话。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，他们总是占用信道，直到拨号停止。这就是我们通常所说的长连接。

所以GSM的这个特点给他带来了两个极其尖锐的缺点。

1.渠道利用率低，渠道有限。一旦拨号，即使什么都不做，也会占用信道，限制带宽和数据业务的应用，无法实现移动多媒体业务。造成资源浪费。

2.短信没有及时送达。当用户发送短消息时，该短消息首先被发送到短消息中心的服务器，然后由服务器转发给接收用户。如果用户不在线，无法正常通信，经过一定的延迟后，短信会再次发送。如果接收方一直不在互联网上，由于服务器缓存有限，消息可能会在一两天内丢失。

于是GPRS网络应运而生，一般使用无线分组业务，GPRS使用分组交换技术提高效率，用户只在发送或接收数据时占用资源。这意味着多个用户可以高效地共享同一个无线信道，从而提高资源利用率。另外，GPRS采用实时在线策略，手机一开机就自动附着GPRS网络。这种附着方式连接网络是免费的，用户只有在传输数据流量时才会收取费用。基于流量，用多收多，用少收少。所以我们可以看到，从GPRS开始，2G网络的性能有了很大的提升，同时也确立了数据流量的概念，为3G时代的开启奠定了基础。所以GPRS是连接过去和未来的杰作，我们习惯把它定义为2.5G网络。

GPRS在取得巨大成功的同时，也给我们带来了新的问题:如何重组、排序、同步、纠错。这些问题在经典的TCPIP中都有详细的回答，我就不赘述了。由此可见，当我们进入2.5G分组时代，已经面临着网络问题，互联网与通信网络的融合已经初露端倪。

随着移动互联网用户的激增，GPRS再次变得拥挤不堪，不堪重负，效率低下。如何提高效率，频率已经饱和，使用了分组技术，那怎么办呢？

可见，通信技术的每一次进步，都是对原有系统进行切割和细化的过程。无线电波在传输过程中会衰减，所以我们削减了传输距离，增加了多个基站，形成蜂窝系统，使得中长距离的通信成为可能。模拟信号在传输中容易被窃听，于是我们把模拟信号截成数字信号的跳频传输，这样就可以保证数据安全，于是GSM网络就应运而生了。GSM是单用户独占信道，效率低。我们把信道使用权切了，很多用户分时使用信道，于是就有了分组网GPRS。由于用户激增，GPRS变得拥挤不堪。我们给每个用户贴上一个识别码，很多用户同时使用信道，于是就有了3GCDMA网络。

谁也不能保证自己能笑到最后，用穷举法应对不确定性是大国的策略。所以中国没有全力发展TD-SCDMA，而是让中国联通买WCDMA的使用权，中国电信买CDMA2000的使用权，让在GPRS时代发了大财的中国移动发展TD-SCDMA。

WCDMA叫宽带CDMA宽带码分多址，2G时代联通的基础设施很差，所以我们就跳过了这些2G基站，在各大城市新建了很多WCDMA基站。所以在3G时代，联通的信号是城市里最好的。型号也最多，因为WCDMA是欧洲标准。当时任何水货智能手机基本都支持WCDMA(iphone、爱立信、诺基亚、富士通、夏普、三星、谷歌)。在过去，诺基亚是主导公司，其GSM系统在世界上极其完善，因此WCDMA具有先天的市场优势。当时是全球应用最广泛的3G标准，业务类型最丰富，占据全球80%以上的市场份额。

CDMA2000是高通的技术，CDMA20003x方案是3G标准。实际上是将三个低速CDMA20001x信道捆绑在一起，应用多载波技术达到提速的目的。虽然简单，但是对于走农村包围城市路线的电信来说却是不小的福音，所以从CDMA2000到乡镇。但是移动终端比较贵。因为高通收取高额的专利费用。所以很多手机厂商在做多模手机的时候，联通+移动版和电信版往往会分开做，而第三款全网通手机往往会贵很多，也就是交的专利费。

TD-SCDMA很一般。中国的国企执行力很强，能吃苦耐劳。但由于通信技术起步晚，技术不成熟，产业链不完整，产品远远落后于上述两个标准，传输速度非常慢，基站体积庞大，辐射严重(大城市因为建筑密集，大多限制基站布局，谁也不希望这样的庞然大物整天在头上辐射高频电磁信号)。而且由于技术原因，移动速度超过120KM/ h，收不到稳定的信号，对于商旅人士来说简直就是噩梦。但由于它是中国人自己开发的，具有知识产权，所以被广泛用作军事通信网的核心交换任务。所以TD-SCDMA最大的用户不是中国人民，而是中国人民解放军。

事实上，从2G时代的时分、频分到3G时代的码分，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了瓶颈的时候，来自IT行业的降维打击已经到来。

谢谢你看了这么多。在不久的将来，我们将迎来5G时代，技术在进步。愿我们的生活越来越美好。