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第二代数字系统是针对第一代系统容量有限、容易被窃听、语音质量较差等不足而设计的。然而，GSM、IS-95和IS-136等标准仍然是为语音通信而设计的，在数据服务方面表现并不佳。
以数据为中心的蜂窝网
Web浏览、多媒体消息、电子邮件、交互式游戏和高保真音频和视频流等互联网服务激增，以及这些服务从有线网络扩展到移动网络的需求，促使了蜂窝系统对这些数据进行优化，以取代之前以语音为中心的蜂窝系统。
困扰前几代互不兼容的移动通信环境和碎片化的频谱使用促使国际电信联盟（International Telecommunications Union，ITU）在20世纪80年代开始制定具有完全互操作性和互通性的全球标准。1990年，国际电信联盟发布了第一份关于未来公共陆地移动通信系统（Future Public Land Mobile Telecommunications System，FPLMTS）的建议书。因为旧的缩略语很难发音，FPLMTS在20世纪90年代末更名为国际移动通信2000（International Mobile Telecommunications-2000，IMT-2000）［ITU-RM.1225，1997］。同时，1992年2月举行的世界无线电大会为IMT-2000确定了用于全球范围内的1885～2025MHz和2110～2200MHz的230MHz频谱。IMT-2000建议书定义了3G系统的最低技术要求，包括高数据速率、非对称数据传输、全球漫游、多项同时服务、改进的语音质量、更安全和更大的容量。国际电信联盟无线电通信（ITU-R）M.1225［ITU-RM.1225，1997］规定的评估标准设定了3G电路交换和分组交换数据服务的目标数据速率：
● 室内环境：2Mbit/s。
● 室外到室内和行人环境：144kbit/s。
● 车载环境：64kbit/s。
尽管如此，国际电信联盟并没有具体说明满足这些要求的技术解决方案，只是征求了感兴趣的组织建议。基于GSM的成功标准化，ETSI联合全球其他标准制定组织，包括ARIB（日本）、ATIS（美国）、CCSA（中国）、TTA（韩国）和TTC（日本），发起了第三代合作伙伴计划（Third Generation Partnership Project，3GPP）。与此同时，美国的另一个组织成立了第三代合作伙伴计划2（Third Generation Partnership Project 2，3GPP2），旨在制定基于IS-95演进的3G系统协议。尽管仍然存在一些差异，但3GPP和3GPP2都选择了CDMA作为底层基准技术。3GPP制定的标准是WCDMA或通用移动电信系统（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）。3GPP2重点开发了CDMA2000、复用了IS-95的频段、继承了1.25MHz的带宽集。1998年，国际电信联盟收到了众多技术提案，其中五项标准被批准用于地面业务，即UTRA FDD、UTRA时分双工（TDD）、CDMA2000、TDMA单载波和FDMA/TDMA。2007年，IEEE 802.16标准规定的全球微波接入互操作性（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）被ITU批准为第六个IMT-2000标准，也称为IMT2000 OFDMA TDD WMAN。与其他基于CDMA的3G标准不同，WiMAX采用了更多的准4G技术，如正交频分复用（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，OFDM）、多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）、低密度奇偶校验（Low-Density Parity-Check，LDPC）编码。IMT-2000 TDMA单载波也称为通用无线通信136（Universal Wireless Communications 136U，WC-136），由超过85家无线网络运营商和供应商组成的联盟基于TDMA开发，并向后兼容IS-136标准。数字增强型无线通信（Digital Enhanced Cordless Telecommunications，DECT）也称为IMT-2000 FDMA/TDMA，由DECT论坛和ETSI开发。UWC-136和DECT虽然也被ITU认定为3G标准，但得到的业界支持较少，没有广泛部署。图1.1说明了经ITU-R批准的IMT-2000协议。
图1.1 经ITU-R批准的IMT-2000协议［ITU-R M.1457，2000］
来源：数据来自ITU-R M.1457（2000）。
在20世纪90年代后期，NTT DoCoMo为其3G系统开发了宽带码分多址（WCDMA）技术，称为自由移动的多媒体接入（Freedom of Mobile Multimedia Access，FOMA）。WCDMA只定义了空口部分，因此也称为通用地面无线接入（Universal Terrestrial Radio Access，UTRA）。作为GSM的3G继承者，WCDMA被选为UMTS的空口。不同的系统（包括FOMA、UMTS和J-Phone）共享WCDMA空口，但具有不同的完整通信标准协议栈。3GPP将其作为IMT-2000提案提交，ITU-R批准将其作为IMT-2000系列标准的一部分。它采用码片速率为3.84Mcps的直接序列码分多址技术。无线接入标准同时提供FDD和TDD变体，利用5MHz信道实现最高至5Mbit/s的峰值速率。2001年10月，NTT DoCoMo在日本推出了第一个商用FOMA网络，作为i-mode的继任者。在许多欧洲国家，移动运营商必须在拍卖中支付巨额费用来获得3G频谱牌照。例如，英国的移动运营商在2000年4月的拍卖中花费了330亿美元，而当年晚些时候德国则在拍卖中花费了475亿美元。高昂的许可成本给移动运营商带来了巨大的财务压力，延缓了欧洲3G网络的商用进程。例如，英国的第一个商业3G网络由Hutchison Telecom于2003年3月部署。
3GPP标准Release 99和Release 4协议的WCDMA包含了满足IMT-2000要求的所有技术特性，同时未停止过进一步的增强，如图1.2所示。高速分组接入（High Speed Packet Access，HSPA）出现于2002年，是WCDMA无线接口的第一个重要演进。
● Release 5增加了下行链路能力，最高速率可达14Mbit/s，被称为高速下行链路分组接入（High Speed Downlink Packet Access，HSDPA）。为实现这一目标，Release 5引入了一组技术特性，包括共享信道传输、信道相关调度、高阶调制（即16QAM）、混合自动重复请求和链路自适应。
图1.2 关于WCDMA的3GPP协议
● Release 6于2005年3月完成，增加了高速上行链路分组接入（High Speed Uplink Packet Access，HSUPA）的增强功能，在上行链路中提供5.74Mbit/s的速率。
● Release 7于2007年9月发布，作为HSPA的进一步演进，称为HSPA演进或HSPA+。它利用多天线技术（2×2 MIMO）和更高级别的调制（即上行链路16QAM和下行链路64QAM），基于5MHz带宽分别在上下行链路实现11Mbit/s和28Mbit/s的速率。
● Release 8支持在下行链路中同时使用二层空间复用和64QAM调制技术。它采用与后来的长期演进（Long-term Evolution，LTE）类似的载波聚合技术，将最大带宽增加至10MHz。通过聚合两个载波信道，双载波HSDPA可以将下行链路的数据速率提高一倍至56Mbit/s。
● Release 9通过引入两个聚合载波增强了上行链路，从而使上行链路速率达到22Mbit/s。
● Release 10可以聚合四个载波分量，将最大带宽增加至20MHz，以实现168Mbit/s的下行峰值数据速率［Dahlmanetal et al.，2011］。
IS-95是第一个采用码分多址（CDMA）技术的蜂窝系统，因此更容易演变为基于CDMA的3G标准。当它成为全球IMT-2000标准时，名称更改为CDMA2000，同时标准化工作从美国TIA转移到了3GPP2。3GPP2推动CDMA2000技术沿着类似WCMDA的演进路线发展，重点从电路交换语音通信转向分组交换数据服务。如图1.3所示，采用两条并行的演进路线来进一步改善数据传输服务。主路线是Evolution-Data Only（EV-DO），或解释为Evolution-Data Optimized。另一条路线专门用于在同一载波上同时支持电路交换和分组交换服务，因此称为集成数据和语音演进（EV-DV）［Attar et al.，2006］。
● CDMA2000 1x：由ITU-R批准的IMT-2000 CDMA Multi-Carrier初始版本支持两种操作模式：单载波（CDMA2000 1x）和多载波（CDMA2000 3x）。虽然3x模式是CDMA2000提交到ITU-R的重要组成部分，但它从未在大规模网络中商业化部署。CDMA2000 1x是IS-95的全面向后兼容的提升，继承了直接序列扩频和1.25MHz信道带宽的基本设计。它在IS-95的早期版本上增加了几个增强功能，以提高频谱效率并提供更高的数据速率。最重要的是，它提供了一种架构，为进一步发展分组交换数据服务提供了可能性。CDMA2000 1x可以部署在IS-95频段上，因此IS-95网络运营商可以平稳地从2G升级到3G，而无须获取3G频谱的许可证。2000年10月，SK Telecom在韩国首次推出了世界上第一个商用CDMA2000 1x网络。CDMA开发组织表示，截至2014年，共118个国家314家运营商提供了CDMA2000 1x或1x EV-DO服务。
图1.3 CDMA2000的演进路线
● CDMA2000 1x EV-DO Rev.0：CDMA2000的1x版本沿着不同的路径演进，产生了两种模式：CDMA2000 1x EV-DV和CDMA2000 1x EV-DO。前者侧重于语音容量的提升，在3GPP2下发展有限。相比之下，EV-DO作为主要演进路线，经历了Rev.0、Rev.A、Rev.B和Rev.C等版本。CDMA2000 1x EV-DO后来也被命名为HRPD。EV-DO Rev.0重新设计了CDMA2000 1x的上行链路和下行链路架构，优化了分组交换数据传输，同时消除了支持电路交换语音通信的限制。运营商为EV-DO部署额外的载波，将不同运营商上的语音和分组数据连接分开。3GPP2在CDMA2000 EV-DO Rev.0中增加了一套数据优化技术，包括共享信道传输、信道相关调度、短传输时间间隔（Transmission Time Interval，TTI）、链路自适应、高阶调制、HARQ、虚拟软切换和接收分集。这些技术也被3GPP用于HSPA的演进。得益于新的空口和仅用于数据传输的单独通道，前向链路在1.25MHz载波上的数据速率达到2.4Mbit/s，而反向链路的数据速率为153kbit/s。
● CDMA2000 1x EV-DO Rev.A：Rev.0的下一个版本命名为Rev.A，而不是Rev.1。类似3GPP中的HSUPA，它侧重于上行链路的增强。Rev.A的前向链路与Rev.0相似，但也包含一些更新：将数据速率从2.4Mbit/s提高到3.1Mbit/s。在反向链路中，与Rev.0中使用的BPSK相比，引入了高阶调制（即QPSK和可选支持8PSK）以及HARQ，实现了高达1.8Mbit/s的上行链路速率。此外，与其前身相比，利用更小的数据包和更短的TTI，可以降低50%延迟，从而更好地支持IP语音（VoIP）和时延敏感型数据服务。
● CDMA2000 1x EV-DO Rev.B：进一步增强的版本是Rev.B，它通过使用多个载波支持更高的数据速率。最多可聚合16个载波形成20MHz带宽，理论速率可达46.5Mbit/s。由于成本、硬件尺寸和电池寿命的限制，Rev.B网络中的移动终端最多支持三个载波，从而导致峰值速率为9.3Mbit/s。Rev.B的空口向后兼容Rev.0和Rev.A，使多载波网络可以进一步支持传统的单载波终端。它支持非对称操作，其中载波不必在下行链路和上行链路之间对称分配。对于文件下载和视频流等非对称应用，前向链路可以使用更多的载波。一条反向链路可以承载多条前向链路的控制信令和反馈信息，减少了上行链路的信令开销。
● CDMA2000 1x EV-DO Rev.C：下一步是1x EV-DO Rev.C，也称为超移动宽带（Ultra Mobile Broadband，UMB）。在采用松散后向兼容（Loosely Backward Compatible，LBC）技术后，Rev.C与CDMA2000先前的标准版本不兼容。设计颠覆性的空口是为了实现更高的峰值速率、更高的频谱效率、更低的延迟以及增强时延敏感数据应用的用户体验，例如3GPP开发的LTE。Rev.C的重要新特性是引入了典型的4G技术，即OFDM和MIMO。OFDM多载波传输选择了9.6kHz的子载波间隔与不同数据大小的快速傅里叶变换（FFT）（128、256、512、1024和2048），以灵活支持各种传输带宽。空间复用在前向链路中最多支持四个传输层，但它只能与OFDM一同使用。在反向链路中，在基站的控制下，最多两个空间层被赋予基于码本的预编码。使用20MHz的带宽，前向链路的最大速率为260Mbit/s，后向链路的最大速率为70Mbit/s。在3G部署的前几年中，CDMA2000和WCDMA在全球范围内竞争3G市场。尽管与传统GSM标准不兼容，推出时间较晚，以及部署全新的空口技术的升级成本较高，但WCDMA最终赢得了这场竞争，并成为主导的3G标准。在3GPP2阵营中，UMB是CDMA2000的计划中的4G继任者，在3GPP中与LTE展开竞争。然而，UMB的主要利益相关者高通于2008年11月宣布停止进一步开发CDMA2000技术。3GPP2在2013年举办了最后一次活动，此后该组织一直处于休眠状态。
在开发UTRA FDD/WCDMA及HSPA的同时，3GPP还致力于开发UTRA的TDD版本。尽管FDD和TDD之间的高层协议相似，但物理层设计却大不相同。由于历史原因，共有三种具有不同码片速率的变体。UTRA TDD初始版本采用3.84 Mcps的码片速率，后来又增加了7.68Mcps和1.28Mcps。UTRA低码片速率（1.28Mcps）TDD，也称为时分同步码分多址（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，TD-SCDMA），与其他两种差别较大。TD-SCDMA是由电信科学技术研究院（Chinese Academy of Telecommunications Technology，CATT）牵头制定的行业标准。2001年3月，它被批准合并到3GPP协议的Release 4中，以替代UTRA TDD版本。TD-SCDMA与其他两个3G标准（WCDMA和CDMA2000）之间的主要区别在于它使用TDD而不是FDD进行双工信令传输。它采用1.6MHz的信号带宽、8PSK调制和更短的5ms TTI。该系统还引入了一些技术特征，例如多频操作和基于八天线的智能天线/波束赋形技术。在这三个版本中，TD-SCDMA是唯一大规模部署的UTRA TDD标准，其他两个则仅限于小范围部署。就用户数量而言，中国移动是全球最大的移动运营商，它于2009年初获得了运营TD-SCDMA网络的3G牌照。全球独一无二的TD-SCDMA部署最终成为一个由约50万个基站组成的网络，订阅用户数量峰值高达2.5亿。虽然这项技术仅在中国应用，但它提升了TDD系统的优势，并推动了4G TDD版本的发展，称为TD-LTE或LTE TDD。TD-SCDMA的HSPA增强与UTRA FDD的应用类似，例如高阶调制（16QAM）和混合ARQ技术的应用。
IEEE 802.16协议是由电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）在无线城域网（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）的框架下制定的。2001年的初始版本是为了在毫米波频率范围（10～60GHz）内实现视距通信而设计的，目标是固定无线宽带（WiBro）接入。2003年，称为IEEE 802.16a的增强版本引入了低频带（2～11GHz）上非视距操作的支持，但仅限于固定无线接入应用。里程碑式的事件是2005年发布的IEEE 802.16e-2005协议，第一个移动全球微波接入互操作性（WiMAX）系统［Etemad，2008］。凭借当时尖端技术的赋能，它在20MHz信道上提供了128Mbit/s的下行峰值数据速率和56Mbit/s的上行峰值数据速率。第一个商用网络于2006年在韩国部署（品牌为WiBro），之后在世界各地部署。
IEEE 802.16协议通常提供物理层和介质访问控制（MAC）层的协议，而不是整个通信协议栈。此外，IEEE 802.16协议包含多种基本物理层传输方案的替代方案。没有必要在移动系统中实施所有选项和替代功能。WiMAX论坛是一个行业主导的非营利性联盟，旨在促进和认证基于IEEE 802.16产品的兼容性和互操作性。它的职责是从IEEE 802.16协议定义的全套特征中选择技术特征，以形成一个完整且可实施的标准，称为WiMAX系统配置文件。2007年，第一个配置文件（WiMAX Release 1.0）发布。2009年，第二个配置文件（Release 1.5）完成。IEEE 802.16e，也称为移动WiMAX，作为IMT-2000的提案提交给ITU-R。它于2007年被ITU批准为与WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA并行的IMT-2000 OFDMA TDD WMAN。
尽管IEEE 802.16为基本的物理层传输方案提供了包括OFDM和单载波传输的多种选择，但移动WiMAX是基于OFDM传输的。与LTE一样，IEEE 802.16e通过采用可变带宽（即1.25MHz、5MHz、10MHz和20MHz）来提高频谱灵活性。使用10.94kHz的公共子载波间隔，仅扩展传输带宽内的子载波数量（128、512、1024和2048）。IEEE 802.16e规范了TDD和FDD，包括半双工FDD的可行性，而移动WiMAX的第一个版本只支持TDD操作，其中一个5ms的帧分为下行链路和上行链路部分，由48个OFDM符号组成。与LTE类似，Mobile WiMAX支持QPSK、16QAM和64QAM调制，以及在瞬时信道状态下的链路自适应（自适应调制和编码）。802.16e协议支持各种信道编码方案，包括类似HSPA和LTE的Turbo码以及LDPC码。但是，Mobile WiMAX仅支持Turbo码。
视频内容和网页浏览提出了更大更好的屏幕显示需求，促进了移动终端的革命。第一款智能手机是1994年发布的IBM Simon，随后是1996年发布的诺基亚9000，该手机集成了电子邮件、文字处理器、日记和QWERTY键盘等功能。2007年1月7日，苹果公司宣布进军手机市场，并认为移动设备首先是电脑，其次才是手机，这为手机设计带来了全新的见解。Apple iPhone被证明是一项颠覆性技术，它重新定义了手机并向世界介绍了应用程序（APP）——尽管第一款机型只是2G设备［Linge and Sutton，2014］。