1.3 2G：從模擬到數字

第一代蜂窩系統出現后的20年，人們采用3G來命名第三代蜂窩系統，與此同時，第一代蜂窩系統才被稱為1G。雖然1G開啟了移動蜂窩通信時代，但它被認為是原始的，并且存在許多不足，例如：語音質量較差、系統容量有限、沒有安全保護、國際漫游有限、切換可靠性差、手機笨重昂貴和電池壽命短暫。

因此，20世紀80年代初移動行業開始開發第二代數字系統，并在20世紀90年代逐漸取代第一代模擬系統。這一代的數字蜂窩標準包括歐洲的全球移動系統（Global System for Mobile，GSM）、美國的數字高級移動電話系統（Digital Advanced Mobile Phone System，D-AMPS）和IS-95，以及日本的個人數字蜂窩（Personal Digital Cellular，PDC）［Mishra，2005］。

1.3.1 全球移動通信系統

歐洲各種系統之間的不兼容使得歐洲國家之間的旅行者難以通過一部模擬電話獲得連續的通信服務。這推動了制定統一的歐洲標準和統一的分配頻譜。早在1982年，歐洲郵政和電信會議（Conference of European Postal and Telecommunications，CEPT）就成立了全球移動通信系統（GSM）工作組來協調開發工作。從1982年至1985年，全球移動通信系統工作組就模擬系統和數字系統的選擇進行了討論。經過多次現場試驗，該工作組決定開發基于窄帶時分多址（Time-Division Multiple Access，TDMA）的數字蜂窩系統，并定義了該泛歐系統的要求，例如良好的主觀語音質量、較低的終端和服務成本，以及提供國際漫游服務。1988年，歐洲郵政和電信會議組建了歐洲電信標準協會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI），隨后將規范化標準的職責轉交給了ETSI。1990年，ETSI發布了全球移動通信系統的第一階段建議。同時，在ETSI內標準化了在更高頻段運行的全球移動通信系統的一種變體，稱為1800MHz數字蜂窩系統（DCS-1800），并于1991年2月獲得批準［Mouly and Pautet，1995］。除了基本的語音業務外，全球移動通信系統終端還可以與綜合業務數字網（Integrated Services Digital Network，ISDN）相連，以9.6kbit/s的速率提供各種數據業務。第一個全球移動通信系統網絡的商業運營開始于芬蘭。1991年7月1日，時任的芬蘭總理Harri Holkeri在使用諾基亞和西門子設備構建的Radiolinja移動網絡上進行了世界上第一次GSM通話。從那時起，GSM迅速獲得認可并成為占主導地位的2G數字蜂窩標準［Vriendt et al.，2002］。GSM取得了非凡的商業成功，全球市場份額超過90%。到2004年初，全球200多個國家和地區的10億多人使用了GSM的移動電話服務。

1.3.2 數字高級移動電話系統

高級移動電話系統標準與相對分散競爭的歐洲標準相比，由于具有規模經濟性，在1G時代取得了相對較好的地位。然而，美國并沒有在2G時代保持同樣的優勢。第二代數字蜂窩的發展圍繞時分多址和碼分多址（Code-Division Multiple Access，CDMA）頻譜共享技術展開了激烈的爭論。這場爭論產生了兩個不兼容的系統：IS-54（及其演進系統IS-136）與IS-95。IS-54和IS-136組成了數字高級移動電話系統，是美國此前高級移動電話系統的數字化升級。數字高級移動電話系統繼承了其前身的基本架構和信令協議，實現了從模擬到數字的平穩過渡。數字高級移動電話系統網絡部署在與高級移動電話系統相同的頻段中，即下行鏈路頻段為869～894MHz，上行鏈路頻段為824～849MHz。但是每個30kHz的信道基于時分多址技術進一步細分為三個時隙，通過在單個模擬通道上多路復用來自三個用戶的壓縮語音信號，容量增加了三倍。IS-54的協議于1992年完成，自1993年首次商業發布以來一直在美國和加拿大部署。隨著時間的推移，它得到了增強，并基于這些增強演變出了IS-136標準。IS-136標準為初始的IS-54標準引入了電路交換數據、文本消息以及支持在1900MHz下運行等新功能。IS-136標準為全數字時分多址系統提供了可能性，而不是其前身采用的雙模式操作。

1.3.3 暫行標準95

對于蜂窩系統而言，碼分多址技術相較于時分多址技術具有一些獨特的技術優勢，例如更高的系統容量和由通用頻率復用帶來的簡單頻譜規劃、軟切換期間的高質量服務、對用戶數量（軟容量）沒有硬性限制、能夠利用語音活動自動減少聚合干擾，并使用類似噪聲的擴頻信號提高魯棒性。高通開發了第一個基于碼分多址技術的蜂窩系統，該系統的初始協議于1993年最終確定。美國電信工業協會（Telecommunications Industry Association，TIA）和電子工業聯盟（Electronic Industries Alliance，EIA）于1995年批準其為數字標準，因此將它命名為IS-95或IS-95A。1995年10月，Hutchison Telephone在中國香港推出了名為cdmaOne的世界上第一個商用CDMA蜂窩網絡。與之前的窄帶移動通信不同，它是一種寬帶系統，使用直接序列擴頻技術在1.25MHz的信號帶寬上擴展信息比特。CDMA系統需要復雜的空口和通信協議，例如采用Rake接收機來減輕多徑傳輸的影響。由于多用戶干擾和小區間干擾，系統性能在很大程度上取決于精準的功率控制，以補償遠近效應，這在上行鏈路中更為明顯。功率控制比特在前向鏈路上每秒傳輸800次，以指示移動臺以1dB的粒度調整其傳輸功率。IS-95B是其增強版，也稱為第2.5代CDMA技術，它結合了IS-95、ANSI-J-STD-008和TSB-74等標準。IS-95B的標準化于1997年完成，1998年韓國運營商推出了世界上第一個IS-95B商用網絡。它利用編碼聚合技術提供了更高的數據速率，一個基站最多可以給單個移動站分配8個編碼信道，將可實現的速率從IS-95A的11.4kbit/s提高到115kbit/s。在20世紀90年代初期，關于IS-54標準和IS-95標準相對優勢的爭論很多，聲稱基于IS-95標準可以達到高級移動電話系統容量的20倍，而基于IS-54標準只能達到這個容量的三倍。最終，這兩個系統都證明與高級移動電話系統相比，容量增加大致相同［Goldsmith，2005］。

1.3.4 個人數字蜂窩

日本獨立開發了名為個人數字蜂窩（PDC）的數字蜂窩標準，其僅在日本部署。與數字高級移動電話系統和全球移動通信系統類似，個人數字蜂窩采用TDMA作為多址技術。為了與日本的模擬系統兼容，它為語音信道選擇了25kHz的信號帶寬。每個信道分為基于全速率（11.2kbit/s）語音編解碼器的三個時隙或基于半速率（5.6kbit/s）語音編解碼器的六個時隙。無線系統研究與開發中心（the Research and Development Center for Radio System，RCR）后來成為無線工業和商業協會（the Association of Radio Industries and Businesses，ARIB），于1991年4月完成了協議。基于NEC、摩托羅拉和愛立信制造的網絡設備，NTT DoCoMo在1993年3月推出了數字服務。在達到近8000萬用戶的峰值后，它逐漸被3G技術所取代，并于2012年4月1日關閉。個人數字蜂窩網絡提供移動語音服務（全速率和半速率）、補充服務（呼叫等待、語音郵件、三方通話和呼叫轉移等）、電路交換數據服務（最高9.6kbit/s）和分組交換數據服務（最高28.8kbit/s）。盡管與世界其他地區隔絕，但日本2G網絡培育了一項引人注目的創新，即i-mode，它被視為移動互聯網的先驅（表1-2～表1-4）。

1.3.5 通用分組無線業務

除了由數字加密而提高的安全性和比其前身顯著增加的系統容量之外，2G蜂窩系統的里程碑式進展是將數據服務引入移動網絡。1992年，支持9.6kbit/s數據速率的短信服務（Short Messaging Service，SMS）首次誕生。1992年12月3日，在沃達豐（Vodafone）工作的22歲軟件工程師Neil Papworth從電腦上用Orbitel 901手機向Richard Jarvis發送了內容為“圣誕快樂”的世界上第一條短信。隨著短信服務的巨大成功以及通過手機和筆記本電腦訪問互聯網需求的不斷增長，2G蜂窩標準不斷發展以增強承載高速分組數據（High-Rate Packet Data，HRPD）服務的能力。

ETSI為響應早期的蜂窩數字分組數據（Cellular Digital Packet Data，CDPD）以及日本的i-mode服務，開發了通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS），利用高級移動電話系統提供19.2kbit/s的速率。在全球移動系統中引入分組交換的蜂窩分組無線電協議是自1993年起GPRS標準的基礎［Walke，2003］。2000年6月，British Telecom Cellnet在英國推出了世界上第一個商用GPRS網絡。GPRS是一種基于電路交換GSM網絡的分組交換數據網絡。依靠傳統空口，運營商只需要安裝一些網絡節點，就可以將純語音的GSM網絡升級為語音加數據的GPRS網絡。基站控制器將數據和語音業務分開，并將數據定向到與數據網絡相連的GPRS支持節點。GPRS通常以盡力而為的方式運行，通過將多個時隙聚合到一個承載中，在下行鏈路中實現40kbit/s的數據速率，在上行鏈路中實現14kbit/s的數據速率。在后期的增強協議中，理論上可以通過為單個用戶同時聚合八個時隙來實現171.2kbit/s的峰值速率。

1.3.6 GSM演進的數據速率增強

一方面，GPRS表現出一些局限性，例如實際數據速率比理論值低得多。另一方面，未能獲得3G牌照的移動運營商希望進一步增強GPRS標準，從而盡可能以接近3G網絡可用上限的速度來提供數據服務。GSM演進的數據速率增強（Enhanced Data Rates for GSM Evolution，EDGE）最早由ETSI在1997年作為GPRS的演進而開發。雖然EDGE重新使用了GSM載波帶寬和時隙結構，但它并不局限于GSM蜂窩系統。相反，它旨在成為促進現有蜂窩系統向第三代功能演進的通用技術［Furuskar et al.，1999］。在評估了幾個不同的提案后，通用無線通信聯盟（Universal Wireless Communications Consortium，UWCC）于1998年1月批準EDGE作為IS-136HS的室外補充，以提供384kbit/s的數據速率的服務。第一個商用EDGE網絡于2003年由美國AT&T公司推出。通過引入名為八相移鍵控（Eight Phase-Shift Keying，8PSK）的高階調制方案，與其前身的高斯最小相移鍵控（Gaussian Minimum-Shift Keying，GMSK）不同，它可以支持高達470kbit/s的最大數據速率。鏈路自適應、混合自動重復請求（Hybrid Automatic Repeat Request，HARR）和高級調度等多項新技術首先應用于EDGE，隨后應用于寬帶碼分多址（Wideband Code-Division Multiple Access，WCDMA）、CDMA2000等標準。

同時，IS-54和IS-136系統通過時隙聚合和高階調制提供了60kbit/s的數據速率。基于EDGE，IS-136標準進一步發展為IS-136HS標準。它將IS-136系統的數據吞吐量提高到每載波470kbit/s以上。最初的IS-95系統以14.4kbit/s的數據速率支持電路模式和分組模式數據服務。在不破壞傳統空口設計以保證嚴格后向兼容性的情況下，它升級到IS-95B，提供了115kbit/s的更高數據速率［Knisely et al.，1998］。

從1G模擬到2G數字的過渡也促進了移動終端的創新，更小、更輕、更便宜、更省電的手機以驚人的速度普及。手機從商業用戶走向普通用戶，成為現代生活中必不可少的一部分。諾基亞成功地認識到了人們將手機變成個性化設備的愿望。1994年，諾基亞發布了第一款使用標志性鈴聲的手機——諾基亞2110、第一款允許用戶更換手機外殼以反映其心情或風格的手機——諾基亞5110，以及第一款具有貪吃蛇手機游戲功能的手機——諾基亞6110。由此，諾基亞獲得了全球手機市場的主導份額。2002年，全球完成向數字蜂窩網絡的過渡，移動用戶數量首次超過固定電話用戶，蜂窩網絡成為提供通信服務的主導技術。