從技術(shù)起源看TD-SCDMA的演進(jìn)

1、TD-SCDMA的名字由來(lái) 
　　TD-SCDMA的名字來(lái)源很少人知道。1998年，在原郵電部（信息產(chǎn)業(yè)部）電信研究院的大樓里，電信研究院副院長(zhǎng)鄔賀銓、楊毅剛和作者等湊到了一起，討論未來(lái)中國(guó)3G標(biāo)準(zhǔn)的命名問(wèn)題。中國(guó)3G標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)來(lái)源于北京信威通信技術(shù)股份有限公司（電信研究院和美國(guó)希威爾公司的合資公司，下文簡(jiǎn)稱(chēng)北京信威）自主創(chuàng)新的SCDMA，但3G標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是一個(gè)包含窄帶語(yǔ)音和寬帶數(shù)據(jù)在內(nèi)的全移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，必須有別于SCDMA系統(tǒng)。另外它將是一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，必須得到國(guó)際通信企業(yè)和組織的支持，并且還有與其他3G標(biāo)準(zhǔn)提案（正在提出的）進(jìn)行融合的可能。

　　在此之前，鄔賀銓院長(zhǎng)問(wèn)起在國(guó)際諸多3G標(biāo)準(zhǔn)方案中哪一個(gè)比較接近中國(guó)想提出的方案時(shí)，作者說(shuō)西門(mén)子提出的TD-CDMA應(yīng)該是最接近的一個(gè)。鄔院長(zhǎng)馬上反應(yīng)說(shuō)：“我們標(biāo)準(zhǔn)的名字必須帶SCDMA，但也要體現(xiàn)我們和其他標(biāo)準(zhǔn)合作的愿望，就叫TD-SCDMA吧?！闭l(shuí)也沒(méi)想到，這7個(gè)英文字母從此就扎根了中國(guó)，走向了世界，并標(biāo)識(shí)了中國(guó)百年通信史上的第一個(gè)高峰。TD-SCDMA中的SCDMA是同步碼分多址（synchronous code division  
multiple access）技術(shù)的英文縮寫(xiě)，TD是時(shí)分（time division）的英文縮寫(xiě)。SCDMA的S在北京信威還有另一種解釋?zhuān)篠是指智能天線（smart antenna）、同步碼分多址（synchronous CDMA）、軟件無(wú)線電（software radio）和同步無(wú)線接入?yún)f(xié)議（synchronous wireless access protocol）。這4個(gè)“S”基本上是SCDMA技術(shù)的簡(jiǎn)練概括。

　　2、TD-SCDMA的技術(shù)起源

　　下面簡(jiǎn)單介紹一下TD-SCDMA各項(xiàng)技術(shù)的起源和優(yōu)勢(shì)。

　?。?）智能天線技術(shù)

　　智能天線技術(shù)最早用于美國(guó)軍方雷達(dá)和抗干擾通信系統(tǒng)。美國(guó)斯坦福大學(xué)信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室當(dāng)時(shí)在智能天線的研究方面處于全世界最領(lǐng)先的地位。美國(guó)海陸空研究機(jī)構(gòu)每年會(huì)撥款上百萬(wàn)美元給這個(gè)實(shí)驗(yàn)室，用于高可辨雷達(dá)及抗干擾通信上的智能天線研究。作者當(dāng)時(shí)留學(xué)美國(guó)就在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室?guī)煆膶?dǎo)師——美國(guó)著名的兩院院士湯姆斯凱拉斯（Thomas Kailath）教授。1992年，作者成為美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校的助理教授，成立了美國(guó)第一個(gè)研究智能天線在民用無(wú)線通信系統(tǒng)中應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)室，對(duì)智能天線在民用無(wú)線環(huán)境的性能進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，并開(kāi)發(fā)了一套智能天線的測(cè)試系統(tǒng)，以演示智能天線的波束賦形功能以及由此帶來(lái)的增加覆蓋、鏈路預(yù)算和干擾抵消等性能優(yōu)勢(shì)。當(dāng)時(shí)各大通信公司包括摩托羅拉、北電、愛(ài)立信對(duì)這些研究非常感興趣。但由于當(dāng)時(shí)通用的系統(tǒng)包括模擬“大哥大”、GSM和美國(guó)TDMA系統(tǒng)（IS-136）都采用了頻分雙工（frequency division duplex，F(xiàn)DD）方式，這種雙工方式的上、下行頻率不同，使得智能天線無(wú)法實(shí)現(xiàn)下行的波束賦形，因此對(duì)于FDD系統(tǒng)智能天線只能解決其一半的問(wèn)題，加上智能天線技術(shù)還處于早期階段，導(dǎo)致各大通信公司沒(méi)有采用智能天線技術(shù)。這是作者這些留學(xué)生們第一次深深感覺(jué)到現(xiàn)有的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新技術(shù)應(yīng)用的障礙，如果有一個(gè)基于智能天線技術(shù)的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，將會(huì)大大提升無(wú)線通信的性能。

　?。?）同步碼分多址技術(shù)

　　CDMA技術(shù)起源于美國(guó)的軍事通信領(lǐng)域，后來(lái)美國(guó)加州的高通公司將此技術(shù)民用化并形成IS-95的新一代無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)。CDMA技術(shù)較當(dāng)時(shí)應(yīng)用的GSM和IS-136的TDMA技術(shù)在理論上有容量大的優(yōu)勢(shì)，但實(shí)際增加的容量不會(huì)超過(guò)2倍。CDMA最顯著的優(yōu)點(diǎn)在于寬帶抗衰落、同頻組網(wǎng)、軟切換和可變速語(yǔ)音編碼。CDMA也有許多缺陷，最明顯的缺陷就是所謂的呼吸效應(yīng)，即當(dāng)用戶(hù)數(shù)多時(shí)，覆蓋變小；用戶(hù)數(shù)減小，覆蓋變大。同步CDMA技術(shù)可以克服以上缺陷。但異步CDMA即IS-95早在1989年就成為北美下一代的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，修改異步CDMA到同步CDMA將會(huì)造成系統(tǒng)的不兼容，因此阻礙了同步CDMA的應(yīng)用。

　?。?）軟件無(wú)線電技術(shù)

　　軟件無(wú)線電技術(shù)是指將無(wú)線通信各層協(xié)議的算法用軟件實(shí)現(xiàn)。由于當(dāng)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的運(yùn)算能力有限，絕大多數(shù)的終端都用專(zhuān)用集成電路（ASIC）芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。ASIC的優(yōu)勢(shì)是可以在合理的成本下實(shí)現(xiàn)運(yùn)算量較大的處理，但問(wèn)題也很多，如設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)代價(jià)高，生產(chǎn)驗(yàn)證測(cè)試成本高，最大的缺點(diǎn)是一旦完成就不能被修改。如果用可編程的高速處理器件如數(shù)字信號(hào)處理器代替ASIC，可使產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期大大縮短，產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本也會(huì)大大減低，最吸引人的優(yōu)點(diǎn)是可以適應(yīng)多種制式并可以通過(guò)無(wú)線軟件更新的方式來(lái)優(yōu)化性能。

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3、北京信威的創(chuàng)立

　　綜上所述，為了能夠讓新的無(wú)線通信技術(shù)的優(yōu)越性能得到充分體現(xiàn)，新的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)必須誕生，基于軟件 無(wú)線電的產(chǎn)品必須開(kāi)發(fā)。歐美的通信巨頭出于對(duì)已有標(biāo)準(zhǔn)的既得利益的保護(hù)，對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)不是很積極。而中國(guó)當(dāng)時(shí)在無(wú)線通信領(lǐng)域較為落后，在1993年，像華為和中興這樣的國(guó)內(nèi)通信巨頭都還沒(méi)有涉足許多無(wú)線通信產(chǎn)品的研發(fā)。但中國(guó)在不久的將來(lái)無(wú)疑會(huì)成為全球最大的無(wú)線通信市場(chǎng)，因此中國(guó)應(yīng)該有自己的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)的用戶(hù)應(yīng)該要求用最先進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)。 
　　懷著這種大膽的設(shè)想，中國(guó)在美國(guó)德州奧斯汀市的3位留學(xué)生走到了一起：作者、美國(guó)摩托羅拉半導(dǎo)體部門(mén)經(jīng)理陳衛(wèi)博士和德州大學(xué)奧斯汀分校副教授李三琦。在此后不久，三位就與郵電部電信研究院的李世鶴副院長(zhǎng)取得聯(lián)系，并得到李世鶴和當(dāng)時(shí)剛上任的郵電部科技司司長(zhǎng)周寰的大力支持。隨后，陳衛(wèi)和作者在取得了陳五福（當(dāng)時(shí)聞名的創(chuàng)業(yè)家）的第一筆投資后成立了美國(guó)希威爾公司。幾個(gè)月后（1995年11月）希威爾公司和電信研究院成立了中外合資企業(yè)——北京信威，致力于開(kāi)發(fā)新一代包含諸多世界領(lǐng)先核心技術(shù)，如智能天線、同步碼分多址、軟件無(wú)線電和同步空口信令的新一代無(wú)線通信系統(tǒng)。中國(guó)政府對(duì)SCDMA的技術(shù)研發(fā)也給予了大力支持，先后給該項(xiàng)目資助3000萬(wàn)元。富有“中國(guó)心”的美籍華人風(fēng)險(xiǎn)投資家劉  
宇環(huán)先生非常支持中國(guó)留學(xué)生回國(guó)創(chuàng)業(yè)的模式，1998年，通過(guò)其管理的美國(guó)中經(jīng)合投資基金（WI Harper）注資300多萬(wàn)美元到希威爾公司，大大加速了SCDMA技術(shù)的成熟和完善。

　　4、TD-SCDMA系統(tǒng)與眾不同的設(shè)計(jì)理念

　　4.1　不用寬帶CDMA

　　當(dāng)時(shí)在設(shè)計(jì)TD-SCDMA系統(tǒng)的一些參數(shù)如信道帶寬為0.5 MHz時(shí)，一些國(guó)內(nèi)的電信專(zhuān)家有些不解。因?yàn)楫?dāng)時(shí)IS-95 CDMA系統(tǒng)即將商用，歐盟正在積極投入寬帶CDMA（WCDMA）的研究。在通信界存在一種流行的偏見(jiàn)即CDMA的帶寬越寬，性能越好。這也是為什么 CDMA的帶寬要從1.25 MHz演進(jìn)到WCDMA的5 MHz帶寬。事實(shí)上，只要對(duì)CDMA的性能有充分的了解就不難看出設(shè)計(jì)信道帶寬為0.5 MHz的原因：

　　●同步碼分多址的同步要求。帶寬增大意味著碼片寬度變窄，導(dǎo)致同步困難。

　　●碼片變窄，多徑信道的時(shí)延可能超過(guò)碼片長(zhǎng)度引起碼間不正交或增加碼間干擾。由于CDMA系統(tǒng)是受限干擾，干擾的增加將降低系統(tǒng)容量。

　　●實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。帶寬增加將加大擴(kuò)散和解擴(kuò)的處理量，在DSP處理能力還限制在幾十MIPS的情況下，帶寬太大會(huì)不利于軟件無(wú)線電的實(shí)現(xiàn)。另外，為了繼續(xù)提高在嚴(yán)重多徑信道情況下的無(wú)線性能，將采用多用戶(hù)檢測(cè)（又稱(chēng)為聯(lián)合檢測(cè)）技術(shù)，其復(fù)雜度將與帶寬的平方成正比，將帶寬設(shè)計(jì)過(guò)大將不利于聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

　　當(dāng)時(shí)業(yè)界普遍認(rèn)為碼片寬度降低，可以讓RAKE接收機(jī)將各個(gè)多徑剔出來(lái)并可以同向疊加，大大降低多徑造成的信號(hào)強(qiáng)度的衰落。這種分析在系統(tǒng)欠載時(shí)（即并發(fā)用戶(hù)數(shù)不多時(shí)）是成立的，而當(dāng)系統(tǒng)滿(mǎn)載時(shí)，RAKE接收機(jī)的這種效果不會(huì)理想，因?yàn)楦鱾€(gè)多徑分量中都含有相當(dāng)大的來(lái)自其他用戶(hù)信號(hào)的干擾。在多用戶(hù)同步碼分多址的系統(tǒng)中，聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)在這方面的效果成倍地優(yōu)于RAKE接收機(jī)。

　　4.2　不用FDD，采用TDD

　　另外，如上所述，為了能最大化地發(fā)揮智能天線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，TD-SCDMA的雙工方式選為T(mén)DD方式。當(dāng)時(shí)，業(yè)界普遍認(rèn)為FDD可用于組建廣域網(wǎng)而TDD只適用于短距離的局域網(wǎng)，如CT-2和PHS。但其實(shí)由于SCDMA留了足夠的保護(hù)時(shí)隙（320 ?s），支持的最大距離可達(dá)到48 km。

　　4.3　有機(jī)結(jié)合各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)

　　最后，除了各個(gè)單項(xiàng)核心技術(shù)有其顯著的優(yōu)勢(shì)外，它們的有機(jī)結(jié)合還可創(chuàng)造出1+1＞2的效應(yīng)。例如，智能天線和同步碼分多址的結(jié)合使得智能天線算法得以簡(jiǎn)化。TDD和同步碼分多址的結(jié)合將簡(jiǎn)化功率控制，而功率控制是IS-95異步CDMA的老大難問(wèn)題。同步碼分多址和智能天線技術(shù)的結(jié)合使單基站可以對(duì)終端定位，實(shí)現(xiàn)可靠的接力切換。

　　5、TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的出籠

　　5.1　SCDMA系統(tǒng)的問(wèn)世

　　經(jīng)過(guò)兩年艱苦的研發(fā)，SCDMA無(wú)線本地環(huán)路系統(tǒng)于1997年底在重慶西坪和白市驛首開(kāi)了商用實(shí)驗(yàn)網(wǎng)，首次演示了系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)。例如，演示了智能天線的8單元天線陣，它可以達(dá)到8的平方即64倍（18 dB）的等效發(fā)射效應(yīng)，可滿(mǎn)足廣覆蓋的要求。另外，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在0.5 MHz內(nèi)打滿(mǎn)31路電話。當(dāng)時(shí)容量最大的CDMA系統(tǒng)需要2