第4章 3G、4G和5G

4.1 3G概述

3G是第三代移动通信技术，是将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合起来的移动通信系统。3G服务能够同时传送声音和数据信息，速率一般在几百kb/s以上。目前3G存在3种标准：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA。理论上3G下行速率峰值可达3.6Mb/s（也有说2.8Mb/s），上行速率峰值也可达384kb/s。不可能像网上说的2Gb/s，当然，下载一部电影也不可能瞬间完成。

国际电信联盟已经确定的3个无线接口标准分别是美国的CDMA2000、欧洲的WCDMA、中国的TD-SCDMA。同时中国国内也支持国际电信联盟确定的这3个无线接口标准。由于GSM设备采用的是时分多址，而CDMA使用码分扩频技术，先进功率和话音激活至少可提供大于3倍GSM网络容量，因而业界将CDMA技术作为3G的主流技术。

3G发展十分迅猛，就国内来说，原中国联通的CDMA卖给中国电信，中国电信已经将CDMA升级到3G网络，3G的主要特征是可提供移动宽带多媒体业务。国际上已有538个WCDMA运营商在246个国家和地区开通了WCDMA网络，3G商用市场份额超过80%，而WCDMA向下兼容的GSM网络已覆盖184个国家，遍布全球，WCDMA用户数已超过6亿。

4.1.1 技术起源

1940年，美国女演员海蒂·拉玛和她的作曲家丈夫乔治·安塞尔提出一个Spectrum（频谱）的技术概念。这个被称为“展布频谱技术”（也称为码分扩频技术）的技术理论在此后带给了人们这个世界不可思议的变化，人们今天使用的3G技术就是由这个技术理论演变而来。

1938年3月纳粹德国正式进入奥地利，随后，海蒂·拉玛逃到伦敦，以远离她失败的婚姻和众多的纳粹“朋友”。她顺便也把纳粹无线通信方面的“军事机密”带到了盟国。这些机密主要是基于无线电保密通信的“指令式制导”系统，用于自动控制武器，精确打击目标，但为了防止无线电指令被敌军窃取，需要开发一系列的无线电通信的保密技术——受过良好教育的她偷偷地吸收了许多极具价值的前瞻性概念。

这些技术当时并不被重视，但在1942年8月她还是得到了美国的专利，在美国的专利局，曾经尘封着这样一份专利：专利号为2292387的“保密通信系统”专利，美国国家专利局网站上的存档显示这个技术专利最初是用于军事用途的。

海蒂·拉玛最初研究这个技术是为帮助美国军方制造出能够对付纳粹德国的电波干扰或防窃听的军事通信系统，因此这个技术最初的作用是用于军事。第二次世界大战结束后因为暂时失去价值，美国军方封存了这项技术，但它的概念已使很多国家对此产生了兴趣，多国在20世纪60年代对此技术展开了研究，但进展不大。

直到1985年，在美国的圣迭戈成立了一个名为“高通”的小公司（现成为世界五百强），这个公司利用美国军方解禁的“展布频谱技术”开发出一个被命名为CDMA的新通信技术，就是这个CDMA技术直接导致了3G的诞生。世界3G技术的三大标准（美国的CDMA2000、欧洲的WCDMA、中国的TD-SCDMA）都是在CDMA的技术基础上开发出来的，CDMA就是3G的根本基础原理，而“展布频谱技术”就是CDMA的基础原理。

1995年问世的第一代模拟制式手机（1G）只能进行语音通话。1996—1997年出现的第二代GSM、CDMA等数字制式手机（2G）便增加了接收数据的功能，如接收电子邮件或网页。

2008年5月，国际电信联盟正式公布第三代移动通信标准，中国提交的TD-SCDMA正式成为国际标准，与欧洲的WCDMA、美国的CDMA2000成为3G时代最主流的三大技术之一。

作为一项新兴技术，CDMA、CDMA2000已经风靡全球并已占据20%的无线市场。截至2012年，全球CDMA2000用户已超过2.56亿，遍布70个国家的156家运营商已经商用3G CDMA业务。包含高通授权LICENSE的安可信通信技术有限公司在内全球有数十家OEM厂商推出EVDO移动智能终端。2002年，美国高通公司芯片销售创历史佳绩；1994年至今，美国高通公司已向全球包括中国在内的众多制造商提供了累计超过75亿多枚芯片。3G也就是在这个大背景下诞生的。

4.1.2 标准参数

国际电信联盟（ITU）在2000年5月确定WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大主流无线接口标准，并写入3G技术指导性文件《2000年国际移动通信计划》（简称IMT-2000）；2007年，WiMAX也被接受为3G标准之一。

码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）是第三代移动通信系统的技术基础。第一代移动通信系统采用频分多址（FDMA）的模拟调制方式，这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。第二代移动通信系统主要采用时分多址（TDMA）的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大大改善，但TDMA的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。下面分别介绍一下3G标准参数。

1．WCDMA

WCDMA全称为Wideband CDMA，也称为CDMA Direct Spread，意为宽频分码多重存取，这是基于GSM网发展出来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同，目前正在进一步融合。WCDMA的支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商，日本公司也或多或少参与其中，包括欧美的爱立信、阿尔卡特、朗讯、北电，以及日本的NTT、富士通、夏普等厂商。该标准提出了GSM（2G）-GPRS-EDGE-WCDMA（3G）的演进策略。这套系统能够架设在现有的GSM网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡。预计在GSM系统相当普及的亚洲，这套新技术的接受度会相当高。因此，WCDMA具有先天的市场优势。WCDMA已是当今世界上采用国家及地区最广泛的、终端种类最丰富的一种3G标准，占据全球80%以上市场份额。

ARTT FDD

异步CDMA系统：无GPS。

带宽：5MHz。

码片速率：3.84Mcps（cps为chips per second的缩写）。

中国频段：1940~1955MHz（上行）、2130~2145MHz（下行）。

2．CDMA2000

CDMA2000是由窄带CDMA（CDMAIS95）技术发展而来的宽带CDMA技术，也称为CDMA Multi-Carrier，它是由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉和后来加入的韩国三星公司都有参与，韩国成为该标准的主导者。这套系统是从窄频CDMAOne数字标准衍生出来的，可以从原有的CDMAOne结构直接升级到3G，建设成本低廉。但使用CDMA的地区只有日、韩和北美，所以CDMA2000的支持者不如WCDMA多。不过CDMA2000的研发技术却是目前各标准中进度最快的。该标准提出了从CDMAIS95（2G）-CDMA20001x-CDMA20003x（3G）的演进策略。CDMA20001x被称为2.5代移动通信技术。CDMA20003x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。

RTT FDD

同步CDMA系统：有GPS。

带宽：1.25MHz。

码片速率：1.2288Mcps。

中国频段：1920~1935MHz（上行）、2110~2125MHz（下行）。

3．TD-SCDMA

TD-SCDMA全称为Time Division-Synchronous CDMA（时分同步CDMA），该标准是由中国独自制定的3G标准，1999年6月29日，中国原邮电部电信科学技术研究院（大唐电信）向ITU提出，但技术发明始于西门子公司，TD-SCDMA具有辐射低的特点，被誉为绿色3G。该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面有独特优势。另外，由于中国内地庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TD-SCDMA标准。该标准提出不经过2.5代的中间环节，直接向3G过渡，非常适用于GSM系统向3G升级。军用通信网也是TD-SCDMA的核心任务。相对于另两个主要3G标准CDMA2000和WCDMA，它的起步较晚，技术不够成熟。

RTT TDD

同步CDMA系统：有GPS。

带宽：1.6MHz。

码片速率：1.28Mcps。

中国频段：1880~1920MHz、2010~2025MHz、2300~2400MHz。

4．功能对比

GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成，包括GSM 900MHz、GSM 1800MHz及GSM 1900MHz等几个频段。GSM系统有几项重要特点：防盗拷能力佳、网络容量大、号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低等。

CDMA是在数字技术的分支（扩频通信技术）上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。它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。

3G与2G的主要区别是在传输声音和数据的速率上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速率，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mb/s、384kb/s以及144kb/s的传输速率（此数值根据网络环境会发生变化）。

模拟移动通信具有很多不足之处，例如容量有限；制式太多，互不兼容，不能提供自动漫游；很难实现保密；通话质量一般；不能提供数据业务等。

第二代数字移动通信克服了模拟移动通信系统的弱点，话音质量、保密性得到很大提高，并可进行省内、省际自动漫游。但由于第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数据业务的应用，也无法实现移动的多媒体业务。同时，由于各国第二代数字移动通信系统标准不统一，因而无法进行全球漫游。例如，采用日本的PHS系统的手机用户，只有在日本国内使用，而中国GSM手机用户到美国旅行时，手机就无法使用了。而且2G的GSM信号覆盖的盲区较多，一般高楼、偏远地方都会信号较差，都是通过加装“蜂信通（signaltone）”手机信号放大器来解决的。

第三代移动通信与第一代模拟移动通信和第二代数字移动通信相比，第三代移动通信是覆盖全球的多媒体移动通信。它的主要特点之一是可实现全球漫游，使任意时间、任意地点、任意人之间的交流成为可能。也就是说，每个用户都有一个个人通信号码，带着手机，走到世界任何一个国家，人们都可以找到你。反过来，你走到世界任何一个地方，都可以很方便地与国内用户或他国用户通信，与在国内通信时毫无分别。能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务是第三代移动通信的另一个主要特点。这就是说，用第三代手机除了可以进行普通的寻呼和通话外，还可以上网读报纸、查信息、下载文件和图片；由于带宽的提高，第三代移动通信系统还可以传输图像，提供可视电话业务。

4.1.3 应用领域

1．宽带上网

宽带上网是3G手机的一项很重要的功能，人们能在手机上收发语音邮件、写博客、聊天、搜索等。不少人以为这些在手机上的功能应用要等到3G时代，但其实的无线互联网门户也已经可以提供。尽管GPRS的网络速度还不能让人非常满意，但3G时代来了，手机变成小计算机再也不是梦想。

2．手机商务

与传统的OA系统相比，手机办公摆脱了传统OA局限于局域网的桎梏，办公人员可以随时随地访问政府和企业的数据库，进行实时办公和处理业务，极大地提高了办公和执法的效率。

3．视频通话

3G时代，传统的语音通话已经是基础功能了，视频通话和语音信箱等新业务才是主流，依靠3G网络的高速数据传输，3G手机用户也可以“面谈”了。当用3G手机拨打视频电话时，不再是把手机放在耳边，而是面对手机，再戴上有线耳麦或蓝牙耳麦，你会在手机屏幕上看到对方影像，你自己也会被录制下来并传送给对方。

4．手机电视

从运营商层面来说，3G牌照的发放解决了一个很大的技术障碍，TD和CMMB等标准的建设也推动了整个行业的发展。手机流媒体软件会成为3G时代使用最多的手机电视软件。

5．无线搜索

对用户来说，这是比较实用的移动网络服务，也能让人快速接受。随时随地用手机搜索将会变成更多手机用户一种平常的生活习惯。

6．手机音乐

在无线互联网发展成熟的日本，手机音乐是最为亮丽的一道风景线，通过手机上网下载音乐是通过计算机上网下载音乐的50倍。3G时代，只要在手机上安装一款手机音乐软件，就能通过手机网络，随时随地让手机变身音乐魔盒，轻松收纳无数首歌曲，下载速度更快。

7．手机办公

随着带宽的增加，手机办公越来越受到青睐。手机办公使得办公人员可以随时随地与单位的信息系统保持联系，完成办公功能。这包括移动办公、移动执法、移动商务等。极大地提高了办事和执法的效率。

8．手机购物

不少人都有在淘宝上购物的经历，手机商城对年轻人来说也已经不是什么新鲜事。事实上，移动电子商务是3G时代手机上网用户的最爱。高速3G可以让手机购物变得更实在，高质量的图片与视频会话能使商家与消费者的距离拉近，提高购物体验，让手机购物变为新潮流。

9．手机游戏

与计算机的网游相比，手机网游的体验并不好，但方便携带，随时可以玩，这种利用零碎时间的网游是年轻人的新宠，也是3G时代的一个重要资本增长点。3G时代到来之后，游戏平台会更加稳定和快速，兼容性更高，即“更好玩了”，像是升级的版本一样，让用户在游戏的视觉和效果方面感觉更有体验。

10．手机终端

3G手机是基于移动互联网技术的终端设备，3G手机完全是通信业和计算机工业相融合的产物，和此前的手机相比差别实在是太大了，因此越来越多的人开始称这类新的移动通信产品为“个人通信终端”。

即使是对通信业最外行的人也可从外形上轻易地判断出一部手机是否是“第三代”：第三代手机都有一个超大的彩色显示屏，往往还是触摸式的。3G手机除了能完成高质量的日常通信外，还能进行多媒体通信。用户可以在3G手机的触摸显示屏上直接写字、绘图，并将其传送给另一部手机，而所需时间可能不到1s。当然，也可以将这些信息传送给一台计算机，或从计算机中下载某些信息；用户可以用3G手机直接上网，查看电子邮件或浏览网页；将有不少型号的3G手机自带摄像头，这将使用户可以利用手机进行计算机会议，甚至使数字相机成为一种“多余”。

距离国务院常务会议研究同意启动3G牌照仅一周，工业与信息化部就迅速向三大运营商发放了3G牌照。工业和信息化部宣布，批准中国移动通信集团公司增加基于TD-SCDMA技术制式的3G业务经营许可，中国电信集团公司增加基于CDMA2000技术制式的3G业务经营许可，中国联合网络通信集团公司增加基于WCDMA技术制式的3G业务经营许可。

对于运营商来说，3G牌照发放意味着新一轮市场角逐的开始；对于设备商来说，这意味着3年至少2800亿元的投资大蛋糕摆在了面前；而对于用户来说，3G意味着手机上网带宽飙升，资费越降越低。

3G通信是移动通信市场经历了第一代模拟技术的移动通信业务的引入，在第二代数字移动通信市场的蓬勃发展中被引入日程的。在当今Internet数据业务不断升温中，在固定接入速率（HDSL、ADSL、VDSL）不断提升的背景下，3G移动通信系统也看到了市场的曙光，更为电信运营商、通信设备制造商和普通用户所关注。