几乎与寻呼系统的发展同时展开的是第一代模拟通信系统,即20世纪80年代末席卷全国的“大哥大”风潮。印象中一个个西装笔挺、带着墨镜、手执一台约砖头大的黑色手提移动电话的身影频繁出现在影视镜头中,从此手机开始和寻呼机一样逐步在人们的日常生活中占有其独特的位置。
在无线移动通信发展史上所谓的1G(the first generation)就是指第一代模拟移动通信系统,系统采用了模拟调制、蜂窝原理和频分多址(FDMA)等技术,支持话音通信,是第一个真正意义上的移动通信网络。
2.2.1 第一代网络的结构和技术特点
与寻呼网络相类似,第一代网络的基本结构也由交换中心、基站和终端(通常就是模拟手机)组成。交换中心负责在主叫与被叫用户间建立电路连接,处理从基站接收到的信号,并把要发送的信号选择合适的基站发送给用户等方面的工作。基站主要负责信号的发射和接收,控制在其覆盖范围内的天线的工作以及实时监测服务区内的用户数量和位置。作为网络终端的模拟手机就相当于一个小型的信号接收器和发射器的结合体,一方面接收基站的信号并作相应的解调制等处理,另一方面在通话中接收话音信号并进行调制等处理,将信号发送给基站,完成与基站间的双向通信。可以看出与寻呼系统不同的是1G是一个双向通信的系统,在基站和用户终端之间存在双向的信道,终端不仅从基站接收系统的信号,而且也具有发送信号给系统的功能,这在无线通信史上是一个重大的突破。
对移动通信系统中划分时代的一个主要的依据是系统中采用的多址方式的不同。多址是指对于系统中服务的众多用户,需要根据一定的特性来区别用户,就像一个班级中要给每个学生一个学号,用来在学籍管理中方便地区分和统计每个学生的成绩等。在通信系统中也需要给每个用户一个标志,用来区分用户。
不管在怎样的无线通信网络中首先要面对的就是如何区分用户的问题,也就是多址方式的问题。在通信技术中提出了几大类的多址技术,多址技术可以令多个用户共用一份资源,而且在相互间尽量避免干扰。常见的多址技术主要分为三种,即采用频率、时间或码元的不同来区分用户的多址方式,分别称为频分多址FDMA (Frequency Division Multiple Access)、时分多址TDMA(Time Division Multiple Access)和码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)。以一个形象的比喻来简单说明这三种多址方式:在一个大房间里正在举办一场鸡尾酒会,与会的人很多,场面很热闹,如果大家谈话的方式是一个人在说话的时候,其他人都不能说话,这样就可以保证所有人都能听到这个人说话的内容,也就是同一时刻只能有一个人说话,这种方式就是TDMA;如果把所有与会者分成若干组,每个组内的成员分别讨论,而不去理会其他组的人在说什么,这样同时有多个人在说话,但是也不会互相影响,这种方式就类似于FDMA中按不同频率划分用户,可以使多个用户同时进行通信;如果每一对聊天的人说一种语言,而且只会说这一种语言,每对人使用的语言都不相同,讲汉语的人听不懂法语,这样大家即使同时都在聊天,其他人的话对于不懂这门语言的人来说就是噪音,不会影响自己的谈话,这就是CDMA的原理——为每个用户分配不同的编码形式,对于其他用户来说虽然也能收到该用户的信号,但是解码不匹配就不能理解,这样的信号就被当作噪声而抛弃。
第一代模拟移动通信系统(即通常简称的1G)就采用了频分复用的多址方式和模拟调制方式,系统依靠频率的不同来区别不同的用户,其原理类似于无线广播系统,不同的电台占用不同的频率,在收听广播节目时经常能听到的“你现在收听的是FM 108.3调频广播”之类的介绍,其中“FM”就是Frequency Modulation频率调制的意思,而“108.3”是指这个广播电台使用的是108.3 MHz的频率。电台将自己的广播节目信号调制到相应的频率上发送,用户端通过收音机的选频选择到希望接收的电台的频率上,对信号进行解调制就可以收听该电台的节目。
第一代模拟系统采用给每个用户分配一定的频率,通过频率的不同来标识每个用户,而模拟手机终端也通过接收自己频率上的信号同时屏蔽其他频率上的信号来达到通信的目的。因此可以看出,对频率资源的有效利用直接影响着系统的容量,即在一定频率范围内所能容纳的用户数量。在移动通信系统中更高的频谱资源的利用率始终是技术上不断追求的目标,从最初的单工系统发展为半双工最终形成了全双工体系。单工方式下信号只能固定地沿一个方向传输,寻呼系统就是一个典型的单工方式体系,信息只能从基站发送到寻呼机,而寻呼机不能发送信息给基站。半双工方式下每个用户占用一个信号通道(即信道),不能同时传送两个方向的信号,手机终端要么从系统接信号要么传输用户信号给系统,不能同时接收和发送信号。这大大限制了移动通信的服务效果,于是改进的技术提出了全双工的工作方式,其原理很简单,只是把系统分配给每个用户的信道从一个增加至两个,分为上行和下行两路信道,上行信道负责将用户的信息发送给系统,而下行信道则从系统接收消息。双工通信方式比单工方式要求更多的频率资源,这也提出了对频谱利用率的更高要求。
当库帕—手机原形的发明者,拨打世界第一部移动电话时,他可以使用任意的电磁频段,而现在频率资源已日益紧张。从那时起到第一代手机真正投入商用在通信技术上已经有了极大的飞跃。从最初用于军事、警力的装备,逐步扩展为民用移动通信应用,从人工接续连线方式发展到自动接续和自动选频,从单工通信演进到双工方式,而至关重要的一点是从大区制小容量的系统升级为蜂窝移动通信网络,大大提高了系统的容量,为移动通信方式能够被更多的人群所使用提供了前提条件。