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高级移动电话系统（Advanced Mobile Phone System，AMPS）作为最具影响力的1G标准，由美国贝尔实验室在严重拥塞的IMTS系统的启发下开发，它最初起源于1947年提出的蜂窝网络的概念，经历了相当长时间的研究和实践才成为一个实用的网络。AMPS的系统设计在20世纪60年代基本完成，随后进行了广泛的技术和商用试验来对系统参数进行优化并对蜂窝网络布局进行验证。1978年，贝尔实验室与伊利诺斯贝尔电话公司、美国电话电报公司及西电公司合作，建立了大规模全方位的试验系统，该系统由10个小区组成，覆盖伊利诺伊州芝加哥地区约3000mile 2 范围，旨在为2000多个用户提供覆盖服务［Ehrlich，1979］。1983年，联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）为模拟蜂窝网络分配了40MHz的初始频谱（后来增加到50MHz），并颁发了商业运营许可证。在AMPS系统中，后向传输使用824～849MHz的频率范围，前向传输使用869～894MHz的频率范围。通过将信号复用在时、频、码、空域可实现频谱共享，尤其是无线系统中的多址接入。AMPS系统采用频分多址（Frequency-division Multiple Access，FDMA）技术，将整个频谱划分为一组带宽为30kHz的正交信道。为了鼓励竞争，在一个地理区域向A和B两个运营商颁发许可，为这些运营商分配不同的信道，其中，每个运营商共有416个配对信道可以使用，包含21个控制信道和395个语音信道。语音信号通过采用调频（Frequency Modulation，FM）机制进行模拟调制，每个控制信道可以与一组语音信道相关联。因此每组语音信道可以分16个信道组，由不同的控制信道控制。尽管AMPS是一个模拟蜂窝系统，但控制信道已经数字化，信令以10kbit/s的速率在基站和移动站之间传输，信令数据使用频移键控（Frequency-Shift Keying，FSK）和用于纠错的曼彻斯特编码进行数字调制。
除了移动终端，典型的AMPS网络还包括两个主要部分：基站收发台（Base Transceiver Station，BTS）和移动电话交换局（Mobile Telephone Switching Office，MTSO），其架构如图2.1所示。BTS一般位于小区中心，由发射和接收无线电信号的收发机以及与MTSO相连的传输设备组成，主要负责呼叫建立、呼叫监听、移动站定位和呼叫终止等本地处理任务。一定地理区域内的所有基站都通过高速有线或微波链路连接到MTSO，MTSO的主要作用是执行交换功能，使基站与公共交换电话网（Public Switched Telephone Network，PSTN）之间建立连接。此外，MTSO还负责处理网络的整体控制、分配每个小区内的信道、协调移动终端跨越小区边界时的小区间切换、路由与移动用户之间的呼叫以及检测系统故障功能。通常情况下，MTSO可以控制城市服务区内的所有移动终端。
图2.1 典型AMPS系统架构
AMPS的部署虽然暂时缓解了手机业务的容量限制，但也暴露出诸多弊端。例如，该系统的频谱效率低下，它的频率复用因子是7，即将所有信道分为7组，以避免相邻小区间干扰（Inter-cell Interference，ICI）。但是，一个小区的容量有限，无法容纳大量的活跃用户。此外，AMPS没有为终端提供足够的安全保护，手机的电子序列号（Electronic Serial Number，ESN）或手机号码（Cellular Telephone Number，CTN）等信息可以通过伪基站被克隆并在其他站点非法重复使用。上述这些问题引发了对功能更强大、更高效、更可靠通信系统的需求。基于此，D-AMPS作为AMPS的后继者应运而生。D-AMPS通过采用时分多址（Time-division Multiple Access，TDMA）技术在带宽30kHz的信道上同时支持三个用户传输压缩后的语音数据来增加容量，它继承了AMPS的基本架构和信令协议，促进了无线通信系统从模拟系统到数字系统的平滑过渡。D-AMPS的移动终端最初可以通过传统的AMPS控制信道接入网络，然后在数字语音信道可用时请求数字语音信道或保持模拟模式。D-AMPS被电子工业协会（Electronics Industries Association，EIA）和电信工业协会（Telecommunication Industries Association，TIA）命名为IS-54和IS-136，是美国第一个2G数字蜂窝标准。
在早期的移动通信系统中，通常将基站的天线安装在高海拔处并发射大功率无线电信号以覆盖数十公里的范围。该覆盖范围内的所有移动用户共享分配的频谱，从而导致容量受限。随着移动用户订阅需求不断增加，对无线通信系统功能强大、经济且便携的迫切需求促进了蜂窝概念的诞生。1947年，曾在AT&T贝尔实验室工作的工程师William Rae Young提出了在城市中采用六边形小区布局来使每部移动终端都可以连接到至少一个小区的想法。同在AT&T贝尔实验室工作的Douglas H.Ring扩展了Young的概念，概述了一个标准蜂窝网络的基本设计，并于1947年12月11日发布了题为“移动电话-广域覆盖”的技术备忘录［Ring，1947］。
蜂窝系统的两个基本特征是频率复用和小区分裂［Donald，1979］。
由于信号功率会随着传播距离的增加而急剧衰减，在距离足够大的情况下，同频干扰是可接受的，因此可以在空间分离的位置使用相同的频谱来传输信号。中等功率的基站分布在整个覆盖区域，每个基站覆盖的其附近区域称为小区。无线电和电视广播在蜂窝网络出现之前就已经采用了频率复用，但在系统设计上存在本质差异，后者需要移动终端和网络之间的双向通信来传送个性化消息，而不是公共信息。蜂窝网络的频率复用通过将可用频谱分成 N 个窄带信道，每个信道的带宽为 W / N Hz，为每个小区分配 n 个信道，这些信道不一定是连续的，相邻小区不重复使用相同的信道以降低同频干扰。 N/n 的比值表示信道可以重用的频率，称为频率重用因子（一些文献使用 n/N 作为重用因子）。在如图2.2所示的典型的六边形布局中，重用因子为7，其中信道分为7组，用{ f 1， f 2， f 3， f 4， f 5， f 6， f 7}表示。通过频率复用，每7个相邻小区（有时也称为一个簇）使用整个频谱来提供移动服务。根据蜂窝排列的方式和干扰避免模式，重用因子可以不同。AMPS网络的重用因子是7，GSM网络的重用因子是3。码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）系统实现了通用频率复用方式，借助先进的干扰抑制技术，整个频谱在小区中被最大程度复用，重用因子是1。
图2.2 蜂窝网络下频率复用和小区分裂示意图
在蜂窝网络建设初始阶段，通常只使用几个大小区来覆盖整个城市或地区，这些大小区的覆盖范围至少有几平方千米，简称宏小区。基站需要安装在高大的建筑物或山上，并以较高的功率发送信号。这种部署方式主要由两个因素决定：高基站成本和低移动用户密度。当一个区域的流量需求饱和时，最直接的解决办法就是获得更大的带宽。然而，获得授权频谱不仅价格昂贵，而且在某些地区根本无法使用。在没有额外频谱的情况下进一步增加小区容量的替代解决方案是改变小区边界，将之前由单个小区覆盖的区域分为多个小区，这个过程称为小区分裂。如图2.2所示，通过部署更多发射功率较小的基站，将原本7个单元格覆盖的区域分成几个簇，频谱资源{ f 1， f 2， f 3， f 4， f 5， f 6， f 7}可以在每个簇中重复使用。
受到小区分裂可以提高频谱效率启发，小区被进一步划分为更小的区域，称为扇区。配备全向天线的基站在各个角度均匀发射信号。1985年，Philip T.Porter提议在基站使用定向天线（Porter，1985）来降低干扰以支持7小区重用模式。小区扇区化的思想在无须建立新站或网络基础设施的情况下，为如何进一步增加系统容量提供了一种有效的方法。理论上使用3组120°定向天线可以将小区容量增加三倍。当基站较高且周围障碍物很少时，扇区化是非常有效的，然而在扇区间干扰较大，散射和反射较多的情况下，扇区化的效果就要差很多。
频率复用和小区分裂技术使得蜂窝网络可以基于有限的频谱在广阔的覆盖范围内为大量移动用户提供服务。同时，小区分裂技术还可以实现可扩展的网络，以适应移动流量的增长和各种空间密度。在蜂窝网络中可以用宏小区为低需求区域提供服务，用微小区为高需求区域提供服务。然而，蜂窝网络带来了一个新的问题——当移动用户从一个小区移动到另一个小区时，它的通信质量会下降。为了保证用户服务体验，用户需要在两个小区间无缝切换。
每个基站以恒定的功率广播信标信号，来自不同基站的信号通过使用伪随机序列来进行区分。基站的伪随机序列和载波频率、信号格式、功率的对应关系是预先规定的，并且网络内的所有移动终端都知道。移动终端定期测量周围基站的信号强度，如果它位于一个小区的中心，则该小区的信号强度最强，其他小区的信号强度相对较弱；如果移动终端位于小区边缘，则可能会收到几个强度相似的信号。但无论哪种情况，移动终端都可以在允许接入的小区中选择信号强度最强的小区接入。当移动终端离开这个小区时，测量到的信号强度会降低，一旦接收信号强度低于最低可接受性能所需的预定义阈值，就会触发切换流程。基站和控制器会协助移动终端释放源小区中占用的信道，并接入目标小区的新信道中。
除上述蜂窝网络的关键技术外，1G系统另一个关键技术是FDMA。
与广播和电视系统以单向方式广播公共信号不同，移动通信是双向的，为不同的用户传输专属信息。这种多用户系统需要将资源分配给特定的用户，称之为多址接入。语音或视频通信等实时应用需要使用专用信道传输，以确保信号不中断。正交信道化技术例如频分、时分、空分或混合组合等被应用于生成专用信道。相反，针对延迟容忍型服务，例如突发数据传输，通常使用非正交多址，称之为随机接入。AMPS、北欧移动电话（Nordic Mobile Telephony，NMT）、全接入通信系统（Total Access Communication System，TACS）和C-450等1G系统均采用FDMA多址接入方式，其中系统带宽沿频率轴划分为正交信道。每个用户获得一个专用信道，不存在多用户干扰，如果单个信道是窄带的，则不存在频率选择性衰落。然而，由于硬件不完善、多普勒频移引起的频谱扩展、邻道频谱泄漏等缺陷，FDMA信道不得不在两侧使用保护带，这导致了频谱资源的浪费。例如，每个AMPS用户都分配了一个30kHz的信道，对应24kHz的FM信号传输频带和每侧3kHz的保护频带。此外，终端还需要配置频率捷变射频（Radio Frequency，RF）组件来确保调谐到不同频带。