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（信息產業部）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）自主創新的SCDMA，但3G標準應該是一個包含窄帶語音和寬帶數據在內的全移動標準，必須有別于SCDMA系統。另外它將是一個國際標準，必須得到國際通信企業和組織的支持，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，但也要體現我們和其他標準合作的愿望，就叫TD-SCDMA吧。”誰也沒想到，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）和同步無線接入協議（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勢。

　　（1）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。美國斯坦福大學信息系統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師從導師——美國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中應用的實驗室，對智能天線在民用無線環境的性能進行了深入細致的研究，并開發了一套智能天線的測試系統，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，使得智能天線無法實現下行的波束賦形，因此對于FDD系統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。

　　（2）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勢，但實際增加的容量不會超過2倍。CDMA最顯著的優點在于寬帶抗衰落、同頻組網、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，即當用戶數多時，覆蓋變小；用戶數減小，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將會造成系統的不兼容，因此阻礙了同步CDMA的應用。

　　（3）軟件無線電技術

　　軟件無線電技術是指將無線通信各層協議的算法用軟件實現。由于當時數字信號處理器（DSP）的運算能力有限，絕大多數的終端都用專用集成電路（ASIC）芯片來實現。ASIC的優勢是可以在合理的成本下實現運算量較大的處理，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字信號處理器代替ASIC，可使產品的開發周期大大縮短，產品的開發成本也會大大減低，最吸引人的優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化性能。

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3、北京信威的創立

　　綜上所述，為了能夠讓新的無線通信技術的優越性能得到充分體現，新的無線通信標準必須誕生，基于軟件 無線電的產品必須開發。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品的研發。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理陳衛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，陳衛和作者在取得了陳五福（當時聞名的創業家）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——北京信威，致力于開發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。中國政府對SCDMA的技術研發也給予了大力支持，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  
宇環先生非常支持中國留學生回國創業的模式，1998年，通過其管理的美國中經合投資基金（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系統的一些參數如信道帶寬為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系統是受限干擾，干擾的增加將降低系統容量。

　　●實現的復雜度。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，帶寬太大會不利于軟件無線電的實現。另外，為了繼續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合檢測技術的實現。

　　當時業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。這種分析在系統欠載時（即并發用戶數不多時）是成立的，而當系統滿載時，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中，聯合檢測技術在這方面的效果成倍地優于RAKE接收機。

　　4.2　不用FDD，采用TDD

　　另外，如上所述，為了能最大化地發揮智能天線技術的優勢，TD-SCDMA的雙工方式選為TDD方式。當時，業界普遍認為FDD可用于組建廣域網而TDD只適用于短距離的局域網，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勢外，它們的有機結合還可創造出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，實現可靠的接力切換。

　　5、TD-SCDMA標準的出籠

　　5.1　SCDMA系統的問世

　　經過兩年艱苦的研發，SCDMA無線本地環路系統于1997年底在重慶西坪和白市驛首開了商用實驗網，首次演示了系統的性能優勢。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）的等效發射效應，可滿足廣覆蓋的要求。另外，系統可實現在0.5 MHz內打滿31路電話。當時容量最大的CDMA系統需要2