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第一代蜂窝系统出现后的20年，人们采用3G来命名第三代蜂窝系统，与此同时，第一代蜂窝系统才被称为1G。虽然1G开启了移动蜂窝通信时代，但它被认为是原始的，并且存在许多不足，例如：语音质量较差、系统容量有限、没有安全保护、国际漫游有限、切换可靠性差、手机笨重昂贵和电池寿命短暂。
因此，20世纪80年代初移动行业开始开发第二代数字系统，并在20世纪90年代逐渐取代第一代模拟系统。这一代的数字蜂窝标准包括欧洲的全球移动系统（Global System for Mobile，GSM）、美国的数字高级移动电话系统（Digital Advanced Mobile Phone System，D-AMPS）和IS-95，以及日本的个人数字蜂窝（Personal Digital Cellular，PDC）［Mishra，2005］。
数字化
第一代到第二代蜂窝系统的过渡是由数字技术推动的。数字系统可以实现比模拟系统更高的容量，因为数字通信可以应用频谱效率更高的数字调制和更高效的多址技术。数字化有利于压缩语音信号、信息加密防窃听并支持数据服务。此外，数字组件比模拟组件更强大、更轻便、更小、更便宜、更节能。
欧洲各种系统之间的不兼容使得欧洲国家之间的旅行者难以通过一部模拟电话获得连续的通信服务。这推动了制定统一的欧洲标准和统一的分配频谱。早在1982年，欧洲邮政和电信会议（Conference of European Postal and Telecommunications，CEPT）就成立了全球移动通信系统（GSM）工作组来协调开发工作。从1982年至1985年，全球移动通信系统工作组就模拟系统和数字系统的选择进行了讨论。经过多次现场试验，该工作组决定开发基于窄带时分多址（Time-Division Multiple Access，TDMA）的数字蜂窝系统，并定义了该泛欧系统的要求，例如良好的主观语音质量、较低的终端和服务成本，以及提供国际漫游服务。1988年，欧洲邮政和电信会议组建了欧洲电信标准协会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI），随后将规范化标准的职责转交给了ETSI。1990年，ETSI发布了全球移动通信系统的第一阶段建议。同时，在ETSI内标准化了在更高频段运行的全球移动通信系统的一种变体，称为1800MHz数字蜂窝系统（DCS-1800），并于1991年2月获得批准［Mouly and Pautet，1995］。除了基本的语音业务外，全球移动通信系统终端还可以与综合业务数字网（Integrated Services Digital Network，ISDN）相连，以9.6kbit/s的速率提供各种数据业务。第一个全球移动通信系统网络的商业运营开始于芬兰。1991年7月1日，时任的芬兰总理Harri Holkeri在使用诺基亚和西门子设备构建的Radiolinja移动网络上进行了世界上第一次GSM通话。从那时起，GSM迅速获得认可并成为占主导地位的2G数字蜂窝标准［Vriendt et al.，2002］。GSM取得了非凡的商业成功，全球市场份额超过90%。到2004年初，全球200多个国家和地区的10亿多人使用了GSM的移动电话服务。
高级移动电话系统标准与相对分散竞争的欧洲标准相比，由于具有规模经济性，在1G时代取得了相对较好的地位。然而，美国并没有在2G时代保持同样的优势。第二代数字蜂窝的发展围绕时分多址和码分多址（Code-Division Multiple Access，CDMA）频谱共享技术展开了激烈的争论。这场争论产生了两个不兼容的系统：IS-54（及其演进系统IS-136）与IS-95。IS-54和IS-136组成了数字高级移动电话系统，是美国此前高级移动电话系统的数字化升级。数字高级移动电话系统继承了其前身的基本架构和信令协议，实现了从模拟到数字的平稳过渡。数字高级移动电话系统网络部署在与高级移动电话系统相同的频段中，即下行链路频段为869～894MHz，上行链路频段为824～849MHz。但是每个30kHz的信道基于时分多址技术进一步细分为三个时隙，通过在单个模拟通道上多路复用来自三个用户的压缩语音信号，容量增加了三倍。IS-54的协议于1992年完成，自1993年首次商业发布以来一直在美国和加拿大部署。随着时间的推移，它得到了增强，并基于这些增强演变出了IS-136标准。IS-136标准为初始的IS-54标准引入了电路交换数据、文本消息以及支持在1900MHz下运行等新功能。IS-136标准为全数字时分多址系统提供了可能性，而不是其前身采用的双模式操作。
对于蜂窝系统而言，码分多址技术相较于时分多址技术具有一些独特的技术优势，例如更高的系统容量和由通用频率复用带来的简单频谱规划、软切换期间的高质量服务、对用户数量（软容量）没有硬性限制、能够利用语音活动自动减少聚合干扰，并使用类似噪声的扩频信号提高鲁棒性。高通开发了第一个基于码分多址技术的蜂窝系统，该系统的初始协议于1993年最终确定。美国电信工业协会（Telecommunications Industry Association，TIA）和电子工业联盟（Electronic Industries Alliance，EIA）于1995年批准其为数字标准，因此将它命名为IS-95或IS-95A。1995年10月，Hutchison Telephone在中国香港推出了名为cdmaOne的世界上第一个商用CDMA蜂窝网络。与之前的窄带移动通信不同，它是一种宽带系统，使用直接序列扩频技术在1.25MHz的信号带宽上扩展信息比特。CDMA系统需要复杂的空口和通信协议，例如采用Rake接收机来减轻多径传输的影响。由于多用户干扰和小区间干扰，系统性能在很大程度上取决于精准的功率控制，以补偿远近效应，这在上行链路中更为明显。功率控制比特在前向链路上每秒传输800次，以指示移动台以1dB的粒度调整其传输功率。IS-95B是其增强版，也称为第2.5代CDMA技术，它结合了IS-95、ANSI-J-STD-008和TSB-74等标准。IS-95B的标准化于1997年完成，1998年韩国运营商推出了世界上第一个IS-95B商用网络。它利用编码聚合技术提供了更高的数据速率，一个基站最多可以给单个移动站分配8个编码信道，将可实现的速率从IS-95A的11.4kbit/s提高到115kbit/s。在20世纪90年代初期，关于IS-54标准和IS-95标准相对优势的争论很多，声称基于IS-95标准可以达到高级移动电话系统容量的20倍，而基于IS-54标准只能达到这个容量的三倍。最终，这两个系统都证明与高级移动电话系统相比，容量增加大致相同［Goldsmith，2005］。
日本独立开发了名为个人数字蜂窝（PDC）的数字蜂窝标准，其仅在日本部署。与数字高级移动电话系统和全球移动通信系统类似，个人数字蜂窝采用TDMA作为多址技术。为了与日本的模拟系统兼容，它为语音信道选择了25kHz的信号带宽。每个信道分为基于全速率（11.2kbit/s）语音编解码器的三个时隙或基于半速率（5.6kbit/s）语音编解码器的六个时隙。无线系统研究与开发中心（the Research and Development Center for Radio System，RCR）后来成为无线工业和商业协会（the Association of Radio Industries and Businesses，ARIB），于1991年4月完成了协议。基于NEC、摩托罗拉和爱立信制造的网络设备，NTT DoCoMo在1993年3月推出了数字服务。在达到近8000万用户的峰值后，它逐渐被3G技术所取代，并于2012年4月1日关闭。个人数字蜂窝网络提供移动语音服务（全速率和半速率）、补充服务（呼叫等待、语音邮件、三方通话和呼叫转移等）、电路交换数据服务（最高9.6kbit/s）和分组交换数据服务（最高28.8kbit/s）。尽管与世界其他地区隔绝，但日本2G网络培育了一项引人注目的创新，即i-mode，它被视为移动互联网的先驱（表1-2～表1-4）。
表1-2 第二代蜂窝网络标准
（续）
表1-3 第三代蜂窝网络标准
表1-4 LTE/LTE-Advanced和WiMAX主要系统参数的比较
① 3GPP Release 12在LTE-Advanced中加入了256QAM的支持。
除了由数字加密而提高的安全性和比其前身显著增加的系统容量之外，2G蜂窝系统的里程碑式进展是将数据服务引入移动网络。1992年，支持9.6kbit/s数据速率的短信服务（Short Messaging Service，SMS）首次诞生。1992年12月3日，在沃达丰（Vodafone）工作的22岁软件工程师Neil Papworth从电脑上用Orbitel 901手机向Richard Jarvis发送了内容为“圣诞快乐”的世界上第一条短信。随着短信服务的巨大成功以及通过手机和笔记本电脑访问互联网需求的不断增长，2G蜂窝标准不断发展以增强承载高速分组数据（High-Rate Packet Data，HRPD）服务的能力。
ETSI为响应早期的蜂窝数字分组数据（Cellular Digital Packet Data，CDPD）以及日本的i-mode服务，开发了通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS），利用高级移动电话系统提供19.2kbit/s的速率。在全球移动系统中引入分组交换的蜂窝分组无线电协议是自1993年起GPRS标准的基础［Walke，2003］。2000年6月，British Telecom Cellnet在英国推出了世界上第一个商用GPRS网络。GPRS是一种基于电路交换GSM网络的分组交换数据网络。依靠传统空口，运营商只需要安装一些网络节点，就可以将纯语音的GSM网络升级为语音加数据的GPRS网络。基站控制器将数据和语音业务分开，并将数据定向到与数据网络相连的GPRS支持节点。GPRS通常以尽力而为的方式运行，通过将多个时隙聚合到一个承载中，在下行链路中实现40kbit/s的数据速率，在上行链路中实现14kbit/s的数据速率。在后期的增强协议中，理论上可以通过为单个用户同时聚合八个时隙来实现171.2kbit/s的峰值速率。
一方面，GPRS表现出一些局限性，例如实际数据速率比理论值低得多。另一方面，未能获得3G牌照的移动运营商希望进一步增强GPRS标准，从而尽可能以接近3G网络可用上限的速度来提供数据服务。GSM演进的数据速率增强（Enhanced Data Rates for GSM Evolution，EDGE）最早由ETSI在1997年作为GPRS的演进而开发。虽然EDGE重新使用了GSM载波带宽和时隙结构，但它并不局限于GSM蜂窝系统。相反，它旨在成为促进现有蜂窝系统向第三代功能演进的通用技术［Furuskar et al.，1999］。在评估了几个不同的提案后，通用无线通信联盟（Universal Wireless Communications Consortium，UWCC）于1998年1月批准EDGE作为IS-136HS的室外补充，以提供384kbit/s的数据速率的服务。第一个商用EDGE网络于2003年由美国AT&T公司推出。通过引入名为八相移键控（Eight Phase-Shift Keying，8PSK）的高阶调制方案，与其前身的高斯最小相移键控（Gaussian Minimum-Shift Keying，GMSK）不同，它可以支持高达470kbit/s的最大数据速率。链路自适应、混合自动重复请求（Hybrid Automatic Repeat Request，HARR）和高级调度等多项新技术首先应用于EDGE，随后应用于宽带码分多址（Wideband Code-Division Multiple Access，WCDMA）、CDMA2000等标准。
同时，IS-54和IS-136系统通过时隙聚合和高阶调制提供了60kbit/s的数据速率。基于EDGE，IS-136标准进一步发展为IS-136HS标准。它将IS-136系统的数据吞吐量提高到每载波470kbit/s以上。最初的IS-95系统以14.4kbit/s的数据速率支持电路模式和分组模式数据服务。在不破坏传统空口设计以保证严格后向兼容性的情况下，它升级到IS-95B，提供了115kbit/s的更高数据速率［Knisely et al.，1998］。
从1G模拟到2G数字的过渡也促进了移动终端的创新，更小、更轻、更便宜、更省电的手机以惊人的速度普及。手机从商业用户走向普通用户，成为现代生活中必不可少的一部分。诺基亚成功地认识到了人们将手机变成个性化设备的愿望。1994年，诺基亚发布了第一款使用标志性铃声的手机——诺基亚2110、第一款允许用户更换手机外壳以反映其心情或风格的手机——诺基亚5110，以及第一款具有贪吃蛇手机游戏功能的手机——诺基亚6110。由此，诺基亚获得了全球手机市场的主导份额。2002年，全球完成向数字蜂窝网络的过渡，移动用户数量首次超过固定电话用户，蜂窝网络成为提供通信服务的主导技术。