從技術起源看TD-SCDMA的演進

1、TD-SCDMA的名字由來 
　　TD-SCDMA的名字來源很少人知道。1998年，在原郵電部（信息產(chǎn)業(yè)部）電信研究院的大樓里，電信研究院副院長鄔賀銓、楊毅剛和作者等湊到了一起，討論未來中國3G標準的命名問題。中國3G標準的技術來源于北京信威通信技術股份有限公司（電信研究院和美國希威爾公司的合資公司，下文簡稱北京信威）自主創(chuàng)新的SCDMA，但3G標準應該是一個包含窄帶語音和寬帶數(shù)據(jù)在內的全移動標準，必須有別于SCDMA系統(tǒng)。另外它將是一個國際標準，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）進行融合的可能。

　　在此之前，鄔賀銓院長問起在國際諸多3G標準方案中哪一個比較接近中國想提出的方案時，作者說西門子提出的TD-CDMA應該是最接近的一個。鄔院長馬上反應說：“我們標準的名字必須帶SCDMA，但也要體現(xiàn)我們和其他標準合作的愿望，就叫TD-SCDMA吧?！闭l也沒想到，這7個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高峰。TD-SCDMA中的SCDMA是同步碼分多址（synchronous code division  
multiple access）技術的英文縮寫，TD是時分（time division）的英文縮寫。SCDMA的S在北京信威還有另一種解釋：S是指智能天線（smart antenna）、同步碼分多址（synchronous CDMA）、軟件無線電（software radio）和同步無線接入?yún)f(xié)議（synchronous wireless access protocol）。這4個“S”基本上是SCDMA技術的簡練概括。

　　2、TD-SCDMA的技術起源

　　下面簡單介紹一下TD-SCDMA各項技術的起源和優(yōu)勢。

　?。?）智能天線技術

　　智能天線技術最早用于美國軍方雷達和抗干擾通信系統(tǒng)。美國斯坦福大學信息系統(tǒng)實驗室當時在智能天線的研究方面處于全世界最領先的地位。美國海陸空研究機構每年會撥款上百萬美元給這個實驗室，用于高可辨雷達及抗干擾通信上的智能天線研究。作者當時留學美國就在這個實驗室?guī)煆膶煛绹膬稍涸菏繙匪箘P拉斯（Thomas Kailath）教授。1992年，作者成為美國德州大學奧斯汀分校的助理教授，成立了美國第一個研究智能天線在民用無線通信系統(tǒng)中應用的實驗室，對智能天線在民用無線環(huán)境的性能進行了深入細致的研究，并開發(fā)了一套智能天線的測試系統(tǒng)，以演示智能天線的波束賦形功能以及由此帶來的增加覆蓋、鏈路預算和干擾抵消等性能優(yōu)勢。當時各大通信公司包括摩托羅拉、北電、愛立信對這些研究非常感興趣。但由于當時通用的系統(tǒng)包括模擬“大哥大”、GSM和美國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，使得智能天線無法實現(xiàn)下行的波束賦形，因此對于FDD系統(tǒng)智能天線只能解決其一半的問題，加上智能天線技術還處于早期階段，導致各大通信公司沒有采用智能天線技術。這是作者這些留學生們第一次深深感覺到現(xiàn)有的無線通信標準對新技術應用的障礙，如果有一個基于智能天線技術的無線通信標準，將會大大提升無線通信的性能。

　?。?）同步碼分多址技術

　　CDMA技術起源于美國的軍事通信領域，后來美國加州的高通公司將此技術民用化并形成IS-95的新一代無線通信標準。CDMA技術較當時應用的GSM和IS-136的TDMA技術在理論上有容量大的優(yōu)勢，但實際增加的容量不會超過2倍。CDMA最顯著的優(yōu)點在于寬帶抗衰落、同頻組網(wǎng)、軟切換和可變速語音編碼。CDMA也有許多缺陷，最明顯的缺陷就是所謂的呼吸效應，即當用戶數(shù)多時，覆蓋變??；用戶數(shù)減小，覆蓋變大。同步CDMA技術可以克服以上缺陷。但異步CDMA即IS-95早在1989年就成為北美下一代的無線通信標準，修改異步CDMA到同步CDMA將會造成系統(tǒng)的不兼容，因此阻礙了同步CDMA的應用。

　?。?）軟件無線電技術

　　軟件無線電技術是指將無線通信各層協(xié)議的算法用軟件實現(xiàn)。由于當時數(shù)字信號處理器（DSP）的運算能力有限，絕大多數(shù)的終端都用專用集成電路（ASIC）芯片來實現(xiàn)。ASIC的優(yōu)勢是可以在合理的成本下實現(xiàn)運算量較大的處理，但問題也很多，如設計周期長，設計代價高，生產(chǎn)驗證測試成本高，最大的缺點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)字信號處理器代替ASIC，可使產(chǎn)品的開發(fā)周期大大縮短，產(chǎn)品的開發(fā)成本也會大大減低，最吸引人的優(yōu)點是可以適應多種制式并可以通過無線軟件更新的方式來優(yōu)化性能。

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3、北京信威的創(chuàng)立

　　綜上所述，為了能夠讓新的無線通信技術的優(yōu)越性能得到充分體現(xiàn)，新的無線通信標準必須誕生，基于軟件 無線電的產(chǎn)品必須開發(fā)。歐美的通信巨頭出于對已有標準的既得利益的保護，對新標準的推動不是很積極。而中國當時在無線通信領域較為落后，在1993年，像華為和中興這樣的國內通信巨頭都還沒有涉足許多無線通信產(chǎn)品的研發(fā)。但中國在不久的將來無疑會成為全球最大的無線通信市場，因此中國應該有自己的無線通信標準，中國的用戶應該要求用最先進的無線通信技術。 
　　懷著這種大膽的設想，中國在美國德州奧斯汀市的3位留學生走到了一起：作者、美國摩托羅拉半導體部門經(jīng)理陳衛(wèi)博士和德州大學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取得聯(lián)系，并得到李世鶴和當時剛上任的郵電部科技司司長周寰的大力支持。隨后，陳衛(wèi)和作者在取得了陳五福（當時聞名的創(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，致力于開發(fā)新一代包含諸多世界領先核心技術，如智能天線、同步碼分多址、軟件無線電和同步空口信令的新一代無線通信系統(tǒng)。中國政府對SCDMA的技術研發(fā)也給予了大力支持，先后給該項目資助3000萬元。富有“中國心”的美籍華人風險投資家劉  
宇環(huán)先生非常支持中國留學生回國創(chuàng)業(yè)的模式，1998年，通過其管理的美國中經(jīng)合投資基金（WI Harper）注資300多萬美元到希威爾公司，大大加速了SCDMA技術的成熟和完善。

　　4、TD-SCDMA系統(tǒng)與眾不同的設計理念

　　4.1　不用寬帶CDMA

　　當時在設計TD-SCDMA系統(tǒng)的一些參數(shù)如信道帶寬為0.5 MHz時，一些國內的電信專家有些不解。因為當時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演進到WCDMA的5 MHz帶寬。事實上，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。帶寬增大意味著碼片寬度變窄，導致同步困難。

　　●碼片變窄，多徑信道的時延可能超過碼片長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。

　　●實現(xiàn)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，帶寬太大會不利于軟件無線電的實現(xiàn)。另外，為了繼續(xù)提高在嚴重多徑信道情況下的無線性能，將采用多用戶檢測（又稱為聯(lián)合檢測）技術，其復雜度將與帶寬的平方成正比，將帶寬設計過大將不利于聯(lián)合檢測技術的實現(xiàn)。

　　當時業(yè)界普遍認為碼片寬度降低，可以讓RAKE接收機將各個多徑剔出來并可以同向疊加，大大降低多徑造成的信號強度的衰落。這種分析在系統(tǒng)欠載時（即并發(fā)用戶數(shù)不多時）是成立的，而當系統(tǒng)滿載時，RAKE接收機的這種效果不會理想，因為各個多徑分量中都含有相當大的來自其他用戶信號的干擾。在多用戶同步碼分多址的系統(tǒng)中，聯(lián)合檢測技術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)揮智能天線技術的優(yōu)勢，TD-SCDMA的雙工方式選為TDD方式。當時，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。但其實由于SCDMA留了足夠的保護時隙（320 ?s），支持的最大距離可達到48 km。

　　4.3　有機結合各項先進技術

　　最后，除了各個單項核心技術有其顯著的優(yōu)勢外，它們的有機結合還可創(chuàng)造出1+1＞2的效應。例如，智能天線和同步碼分多址的結合使得智能天線算法得以簡化。TDD和同步碼分多址的結合將簡化功率控制，而功率控制是IS-95異步CDMA的老大難問題。同步碼分多址和智能天線技術的結合使單基站可以對終端定位，實現(xiàn)可靠的接力切換。

　　5、TD-SCDMA標準的出籠

　　5.1　SCDMA系統(tǒng)的問世

　　經(jīng)過兩年艱苦的研發(fā)，SCDMA無線本地環(huán)路系統(tǒng)于1997年底在重慶西坪和白市驛首開了商用實驗網(wǎng)，首次演示了系統(tǒng)的性能優(yōu)勢。例如，演示了智能天線的8單元天線陣，它可以達到8的平方即64倍（18 dB）的等效發(fā)射效應，可滿足廣覆蓋的要求。另外，系統(tǒng)可實現(xiàn)在0.5 MHz內打滿31路電話。當時容量最大的CDMA系統(tǒng)需要2