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(cháng)鄔賀銓、楊毅剛和作者等湊到了一起，討論未來(lái)中國3G標準的命名問(wèn)題。中國3G標準的技術(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標準應該是一個(gè)包含窄帶語(yǔ)音和寬帶數據在內的全移動(dòng)標準，必須有別于SCDMA系統。另外它將是一個(gè)國際標準，必須得到國際通信企業(yè)和組織的支持，并且還有與其他3G標準提案（正在提出的）進(jìn)行融合的可能。

　　在此之前，鄔賀銓院長(cháng)問(wèn)起在國際諸多3G標準方案中哪一個(gè)比較接近中國想提出的方案時(shí)，作者說(shuō)西門(mén)子提出的TD-CDMA應該是最接近的一個(gè)。鄔院長(cháng)馬上反應說(shuō)：“我們標準的名字必須帶SCDMA，但也要體現我們和其他標準合作的愿望，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，走向了世界，并標識了中國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(xiàn)（smart antenna）、同步碼分多址（synchronous CDMA）、軟件無(wú)線(xiàn)電（software radio）和同步無(wú)線(xiàn)接入協(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各項技術(shù)的起源和優(yōu)勢。

　?。?）智能天線(xiàn)技術(shù)

　　智能天線(xiàn)技術(shù)最早用于美國軍方雷達和抗干擾通信系統。美國斯坦福大學(xué)信息系統實(shí)驗室當時(shí)在智能天線(xiàn)的研究方面處于全世界最領(lǐng)先的地位。美國海陸空研究機構每年會(huì )撥款上百萬(wàn)美元給這個(gè)實(shí)驗室，用于高可辨雷達及抗干擾通信上的智能天線(xiàn)研究。作者當時(shí)留學(xué)美國就在這個(gè)實(shí)驗室師從導師——美國著(zhù)名的兩院院士湯姆斯凱拉斯（Thomas Kailath）教授。1992年，作者成為美國德州大學(xué)奧斯汀分校的助理教授，成立了美國第一個(gè)研究智能天線(xiàn)在民用無(wú)線(xiàn)通信系統中應用的實(shí)驗室，對智能天線(xiàn)在民用無(wú)線(xiàn)環(huán)境的性能進(jìn)行了深入細致的研究，并開(kāi)發(fā)了一套智能天線(xiàn)的測試系統，以演示智能天線(xiàn)的波束賦形功能以及由此帶來(lái)的增加覆蓋、鏈路預算和干擾抵消等性能優(yōu)勢。當時(shí)各大通信公司包括摩托羅拉、北電、愛(ài)立信對這些研究非常感興趣。但由于當時(shí)通用的系統包括模擬“大哥大”、GSM和美國TDMA系統（IS-136）都采用了頻分雙工（frequency division duplex，FDD）方式，這種雙工方式的上、下行頻率不同，使得智能天線(xiàn)無(wú)法實(shí)現下行的波束賦形，因此對于FDD系統智能天線(xiàn)只能解決其一半的問(wèn)題，加上智能天線(xiàn)技術(shù)還處于早期階段，導致各大通信公司沒(méi)有采用智能天線(xiàn)技術(shù)。這是作者這些留學(xué)生們第一次深深感覺(jué)到現有的無(wú)線(xiàn)通信標準對新技術(shù)應用的障礙，如果有一個(gè)基于智能天線(xiàn)技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通信標準，將會(huì )大大提升無(wú)線(xiàn)通信的性能。

　?。?）同步碼分多址技術(shù)

　　CDMA技術(shù)起源于美國的軍事通信領(lǐng)域，后來(lái)美國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(xiàn)通信標準。CDMA技術(shù)較當時(shí)應用的GSM和IS-136的TDMA技術(shù)在理論上有容量大的優(yōu)勢，但實(shí)際增加的容量不會(huì )超過(guò)2倍。CDMA最顯著(zhù)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，即當用戶(hù)數多時(shí)，覆蓋變??；用戶(hù)數減小，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(xiàn)通信標準，修改異步CDMA到同步CDMA將會(huì )造成系統的不兼容，因此阻礙了同步CDMA的應用。

　?。?）軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)

　　軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)是指將無(wú)線(xiàn)通信各層協(xié)議的算法用軟件實(shí)現。由于當時(shí)數字信號處理器（DSP）的運算能力有限，絕大多數的終端都用專(zhuān)用集成電路（ASIC）芯片來(lái)實(shí)現。ASIC的優(yōu)勢是可以在合理的成本下實(shí)現運算量較大的處理，但問(wèn)題也很多，如設計周期長(cháng)，設計代價(jià)高，生產(chǎn)驗證測試成本高，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字信號處理器代替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)是可以適應多種制式并可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(xiàn)通信技術(shù)的優(yōu)越性能得到充分體現，新的無(wú)線(xiàn)通信標準必須誕生，基于軟件 無(wú)線(xiàn)電的產(chǎn)品必須開(kāi)發(fā)。歐美的通信巨頭出于對已有標準的既得利益的保護，對新標準的推動(dòng)不是很積極。而中國當時(shí)在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域較為落后，在1993年，像華為和中興這樣的國內通信巨頭都還沒(méi)有涉足許多無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品的研發(fā)。但中國在不久的將來(lái)無(wú)疑會(huì )成為全球最大的無(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)，因此中國應該有自己的無(wú)線(xiàn)通信標準，中國的用戶(hù)應該要求用最先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。 
　　懷著(zhù)這種大膽的設想，中國在美國德州奧斯汀市的3位留學(xué)生走到了一起：作者、美國摩托羅拉半導體部門(mén)經(jīng)理陳衛博士和德州大學(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(cháng)取得聯(lián)系，并得到李世鶴和當時(shí)剛上任的郵電部科技司司長(cháng)周寰的大力支持。隨后，陳衛和作者在取得了陳五福（當時(shí)聞名的創(chuàng )業(yè)家）的第一筆投資后成立了美國希威爾公司。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(xiàn)、同步碼分多址、軟件無(wú)線(xiàn)電和同步空口信令的新一代無(wú)線(xiàn)通信系統。中國政府對SCDMA的技術(shù)研發(fā)也給予了大力支持，先后給該項目資助3000萬(wàn)元。富有“中國心”的美籍華人風(fēng)險投資家劉  
宇環(huán)先生非常支持中國留學(xué)生回國創(chuàng )業(yè)的模式，1998年，通過(guò)其管理的美國中經(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系統與眾不同的設計理念

　　4.1　不用寬帶CDMA

　　當時(shí)在設計TD-SCDMA系統的一些參數如信道帶寬為0.5 MHz時(shí)，一些國內的電信專(zhuān)家有些不解。因為當時(shí)IS-95 CDMA系統即將商用，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CDMA的性能有充分的了解就不難看出設計信道帶寬為0.5 MHz的原因：

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

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

　　●實(shí)現的復雜度。帶寬增加將加大擴散和解擴的處理量，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(xiàn)電的實(shí)現。另外，為了繼續提高在嚴重多徑信道情況下的無(wú)線(xiàn)性能，將采用多用戶(hù)檢測（又稱(chēng)為聯(lián)合檢測）技術(shù)，其復雜度將與帶寬的平方成正比，將帶寬設計過(guò)大將不利于聯(lián)合檢測技術(shù)的實(shí)現。

　　當時(shí)業(yè)界普遍認為碼片寬度降低，可以讓RAKE接收機將各個(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強度的衰落。這種分析在系統欠載時(shí)（即并發(fā)用戶(hù)數不多時(shí)）是成立的，而當系統滿(mǎn)載時(shí)，RAKE接收機的這種效果不會(huì )理想，因為各個(gè)多徑分量中都含有相當大的來(lái)自其他用戶(hù)信號的干擾。在多用戶(hù)同步碼分多址的系統中，聯(lián)合檢測技術(shù)在這方面的效果成倍地優(yōu)于RAKE接收機。

　　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(xiàn)技術(shù)的優(yōu)勢，TD-SCDMA的雙工方式選為T(mén)DD方式。當時(shí)，業(yè)界普遍認為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留了足夠的保護時(shí)隙（320 ?s），支持的最大距離可達到48 km。

　　4.3　有機結合各項先進(jìn)技術(shù)

　　最后，除了各個(gè)單項核心技術(shù)有其顯著(zhù)的優(yōu)勢外，它們的有機結合還可創(chuàng )造出1+1＞2的效應。例如，智能天線(xiàn)和同步碼分多址的結合使得智能天線(xiàn)算法得以簡(jiǎn)化。TDD和同步碼分多址的結合將簡(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(xiàn)技術(shù)的結合使單基站可以對終端定位，實(shí)現可靠的接力切換。

　　5、TD-SCDMA標準的出籠

　　5.1　SCDMA系統的問(wèn)世

　　經(jīng)過(guò)兩年艱苦的研發(fā)，SCDMA無(wú)線(xiàn)本地環(huán)路系統于1997年底在重慶西坪和白市驛首開(kāi)了商用實(shí)驗網(wǎng)，首次演示了系統的性能優(yōu)勢。例如，演示了智能天線(xiàn)的8單元天線(xiàn)陣，它可以達到8的平方即64倍（18 dB）的等效發(fā)射效應，可滿(mǎn)足廣覆蓋的要求。另外，系統可實(shí)現在0.5 MHz內打滿(mǎn)31路電話(huà)。當時(shí)容量最大的CDMA系統需要2