手机

定义

手机是能够通过无线电链路接入公共移动通信网络、在移动状态下完成通话的便携式电话终端，其通信不依赖固定的线路接入点^[4]。它的硬件一般由送受话与显示部分、无线电收发与天线部分、以微处理器为核心的控制单元以及可充电电池组成^[3]。按功能与系统开放程度，通常分为只提供通话、短信等固定功能的功能手机和可安装第三方应用的智能手机两类^[5]。

在中文语境中，中国大陆多称手机或移动电话，台湾多称行动电话，港澳与新马多称流动电话、手提电话^[1]。早期机型因售价高昂、体积笨重，曾获“大哥大”的俗称^[1]。

原理

手机通话的基础是蜂窝组网。服务区被划分为许多小覆盖区（蜂窝小区），每个小区设一座基站，相邻小区使用不同频率，相隔较远的小区则可重复使用同一频率，从而在有限频谱上容纳大量用户^[6]。用户从一个小区移动到另一个小区时，网络依据测量到的信号强度把连接转移到新基站，这一过程称为切换，是通话不中断的前提^[7]。

在小区内部，多址技术决定多个用户如何共用信道：早期模拟系统采用频分多址（FDMA），2G 的 GSM 采用时分多址（TDMA），把同一载频划分为循环出现的时隙供不同用户轮流使用^[8]；CDMA 及后续制式则用码分方式，使多个用户在同一频段上同时通信^[9]。

智能手机把通信与计算分成两套处理器：基带处理器运行实时操作系统，负责调制解调、信道编解码以及与基站之间的协议处理；应用处理器承担操作系统、用户界面和第三方应用的运算，一般采用系统级芯片形态，并集成图形处理等单元^[10]。两类处理器相互分离，可使操作系统层面出现缺陷时不致影响无线链路的通信功能^[11]。

以载波频率 $f_c$ 表示工作频率、$B$ 表示占用带宽时，信道容量可粗略由香农关系 $C = B\log_2(1+S/N)$ 描述，这说明提高带宽或改善信噪比都能换取更高的数据传输速率，也构成从模拟制式向数字宽带制式演进的动因。下面示意一次通话中语音所经过的主要环节：

flowchart LR

A[语音输入] --> B[语音编码/调制]

B --> C[手机射频前端]

C --> D[所在小区基站]

D --> E[移动交换与核心网]

E --> F[对方终端或固定电话网]

A2[移动中] --> G[信号强度测量]

G --> H[切换至相邻基站]

H --> D

发展历程

1973 年 4 月 3 日，摩托罗拉通信系统部门负责人马丁·库珀在纽约第六大道使用一台手持样机拨通电话，被叫方是美国电话电报公司贝尔实验室的乔尔·恩格尔^[2]。这台 DynaTAC 样机重约 1.1 千克，可通话约 30 分钟，充电却需 10 小时左右^[12]。

此后又经过约十年改进，1983 年面向消费者的商用机型 DynaTAC 8000X 上市，重 790 克，仅支持通话，不能收发短信或拍照^[2]。国际电信联盟的记录显示，日本于 1979 年、北欧国家于 1981 年先后开通早期模拟移动网络^[13]。

第二代移动通信自 1990 年代初起步，由模拟语音转向数字交换，主要使用 GSM、CDMA 等标准，除通话外还能传送短信，手机开始朝小型化、轻量化方向发展^[1]。1991 年芬兰推出数字制式的 2G 业务^[13]。

2001 年日本首先推出 3G 业务，国际电信联盟于 2000 年的大会通过了 IMT-2000 规范，使不同系统间首次实现互操作，并为语音、数据与互联网接入结合的终端奠定基础^[13]。2007 年苹果发布 iPhone，把触屏与移动操作系统整合到同一设备，推动智能手机普及。2012 年国际电信联盟无线电通信大会就 IMT-Advanced 规范达成一致，4G 网络随后大范围部署^[13]。

国际电信联盟统计，2013 年全球手机用户约 68 亿，几乎与当时世界人口相当^[13]。按中国信息通信业界统计，2022 年全球智能手机出货量约 12.1 亿台^[3]。

应用

语音通话与短信息仍是手机的基础用途，2G 时代的 GSM 手机即可在通话之外收发短信、彩信并使用无线应用协议上网^[14]。

智能手机借助移动数据网络成为个人计算与信息终端，可完成网页浏览、拍摄、录音、导航、媒体播放与个人信息管理等操作^[14]。3G 及以后的网络带宽提升后，移动支付、短视频等依赖持续联网的服务得以普及^[3]。

在通信基础设施薄弱的地区，手机还承担金融交易与获取教育、就业信息的功能；2018 年盖洛普世界民意调查显示，发展中经济体有 79% 的受访者持有一部手机。

局限

手机依赖运营商网络，覆盖不足或基站拥塞时无法建立连接。早期蜂窝系统还存在明显技术短板：模拟制式只能传送语音，抗干扰与保密能力弱，通话锁定在固定频率上，容易被同频设备接收^[1]。小区信道全被占用时，新的呼叫只能被拒绝，这是固定信道分配方式固有的局限^[15]。

频谱是稀缺资源，蜂窝系统必须靠频率复用来扩容，而相邻小区复用同一频率又会带来同频干扰，容量与覆盖之间需要权衡^[6]。切换过程中也可能出现短暂中断，系统设计需在切换频率与掉话风险之间取舍^[15]。

在终端层面，体积、重量与电池容量长期相互制约，早期机型受电池与模拟电路限制，只能算“可以移动”，尚达不到随身携带的程度^[1]。智能手机把更多计算与联网功能集成到同一机身，功耗与散热压力进一步上升，性能提升也因此受到限制^[10]。此外，手机是移动互联网的主要入口，用户的通信记录、位置和支付信息集中于单一设备，数据与隐私保护成为其使用中必须面对的问题。

参见

• 蜂窝网络 —— 手机实现广域移动通话所依赖的组网方式。

• 基站 —— 手机无线接入移动通信网络的固定设施。

• 智能手机 —— 具备独立操作系统、可安装第三方应用的手机类别。

• 移动通信 —— 手机所属的技术与产业领域。

• 固定电话 —— 与手机相对、通过有线线路接入的电话形式。

• 国际电信联盟 —— 负责划分移动通信频谱与制定 IMT 系列标准的国际组织。