从技术起源看TD-SCDMA的演进

1、TD-SCDMA的名字由来 
　　TD-SCDMA的名字来源很少人知道。1998年，在原邮电部（信息产业部）电信研究院的大楼里，电信研究院副院长邬贺铨、杨毅刚和作者等凑到了一起，讨论未来中国3G标准的命名问题。中国3G标准的技术来源于北京信威通信技术股份有限公司（电信研究院和美国希威尔公司的合资公司，下文简称北京信威）自主创新的SCDMA，但3G标准应该是一个包含窄带语音和宽带数据在内的全移动标准，必须有别于SCDMA系统。另外它将是一个国际标准，必须得到国际通信企业和组织的支持，并且还有与其他3G标准提案（正在提出的）进行融合的可能。

　　在此之前，邬贺铨院长问起在国际诸多3G标准方案中哪一个比较接近中国想提出的方案时，作者说西门子提出的TD-CDMA应该是最接近的一个。邬院长马上反应说：“我们标准的名字必须带SCDMA，但也要体现我们和其他标准合作的愿望，就叫TD-SCDMA吧。”谁也没想到，这7个英文字母从此就扎根了中国，走向了世界，并标识了中国百年通信史上的第一个高峰。TD-SCDMA中的SCDMA是同步码分多址（synchronous code division  
multiple access）技术的英文缩写，TD是时分（time division）的英文缩写。SCDMA的S在北京信威还有另一种解释：S是指智能天线（smart antenna）、同步码分多址（synchronous CDMA）、软件无线电（software radio）和同步无线接入协议（synchronous wireless access protocol）。这4个“S”基本上是SCDMA技术的简练概括。

　　2、TD-SCDMA的技术起源

　　下面简单介绍一下TD-SCDMA各项技术的起源和优势。

　　（1）智能天线技术

　　智能天线技术最早用于美国军方雷达和抗干扰通信系统。美国斯坦福大学信息系统实验室当时在智能天线的研究方面处于全世界最领先的地位。美国海陆空研究机构每年会拨款上百万美元给这个实验室，用于高可辨雷达及抗干扰通信上的智能天线研究。作者当时留学美国就在这个实验室师从导师——美国著名的两院院士汤姆斯凯拉斯（Thomas Kailath）教授。1992年，作者成为美国德州大学奥斯汀分校的助理教授，成立了美国第一个研究智能天线在民用无线通信系统中应用的实验室，对智能天线在民用无线环境的性能进行了深入细致的研究，并开发了一套智能天线的测试系统，以演示智能天线的波束赋形功能以及由此带来的增加覆盖、链路预算和干扰抵消等性能优势。当时各大通信公司包括摩托罗拉、北电、爱立信对这些研究非常感兴趣。但由于当时通用的系统包括模拟“大哥大”、GSM和美国TDMA系统（IS-136）都采用了频分双工（frequency division duplex，FDD）方式，这种双工方式的上、下行频率不同，使得智能天线无法实现下行的波束赋形，因此对于FDD系统智能天线只能解决其一半的问题，加上智能天线技术还处于早期阶段，导致各大通信公司没有采用智能天线技术。这是作者这些留学生们第一次深深感觉到现有的无线通信标准对新技术应用的障碍，如果有一个基于智能天线技术的无线通信标准，将会大大提升无线通信的性能。

　　（2）同步码分多址技术

　　CDMA技术起源于美国的军事通信领域，后来美国加州的高通公司将此技术民用化并形成IS-95的新一代无线通信标准。CDMA技术较当时应用的GSM和IS-136的TDMA技术在理论上有容量大的优势，但实际增加的容量不会超过2倍。CDMA最显著的优点在于宽带抗衰落、同频组网、软切换和可变速语音编码。CDMA也有许多缺陷，最明显的缺陷就是所谓的呼吸效应，即当用户数多时，覆盖变小；用户数减小，覆盖变大。同步CDMA技术可以克服以上缺陷。但异步CDMA即IS-95早在1989年就成为北美下一代的无线通信标准，修改异步CDMA到同步CDMA将会造成系统的不兼容，因此阻碍了同步CDMA的应用。

　　（3）软件无线电技术

　　软件无线电技术是指将无线通信各层协议的算法用软件实现。由于当时数字信号处理器（DSP）的运算能力有限，绝大多数的终端都用专用集成电路（ASIC）芯片来实现。ASIC的优势是可以在合理的成本下实现运算量较大的处理，但问题也很多，如设计周期长，设计代价高，生产验证测试成本高，最大的缺点是一旦完成就不能被修改。如果用可编程的高速处理器件如数字信号处理器代替ASIC，可使产品的开发周期大大缩短，产品的开发成本也会大大减低，最吸引人的优点是可以适应多种制式并可以通过无线软件更新的方式来优化性能。

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3、北京信威的创立

　　综上所述，为了能够让新的无线通信技术的优越性能得到充分体现，新的无线通信标准必须诞生，基于软件 无线电的产品必须开发。欧美的通信巨头出于对已有标准的既得利益的保护，对新标准的推动不是很积极。而中国当时在无线通信领域较为落后，在1993年，像华为和中兴这样的国内通信巨头都还没有涉足许多无线通信产品的研发。但中国在不久的将来无疑会成为全球最大的无线通信市场，因此中国应该有自己的无线通信标准，中国的用户应该要求用最先进的无线通信技术。 
　　怀着这种大胆的设想，中国在美国德州奥斯汀市的3位留学生走到了一起：作者、美国摩托罗拉半导体部门经理陈卫博士和德州大学奥斯汀分校副教授李三琦。在此后不久，三位就与邮电部电信研究院的李世鹤副院长取得联系，并得到李世鹤和当时刚上任的邮电部科技司司长周寰的大力支持。随后，陈卫和作者在取得了陈五福（当时闻名的创业家）的第一笔投资后成立了美国希威尔公司。几个月后（1995年11月）希威尔公司和电信研究院成立了中外合资企业——北京信威，致力于开发新一代包含诸多世界领先核心技术，如智能天线、同步码分多址、软件无线电和同步空口信令的新一代无线通信系统。中国政府对SCDMA的技术研发也给予了大力支持，先后给该项目资助3000万元。富有“中国心”的美籍华人风险投资家刘  
宇环先生非常支持中国留学生回国创业的模式，1998年，通过其管理的美国中经合投资基金（WI Harper）注资300多万美元到希威尔公司，大大加速了SCDMA技术的成熟和完善。

　　4、TD-SCDMA系统与众不同的设计理念

　　4.1　不用宽带CDMA

　　当时在设计TD-SCDMA系统的一些参数如信道带宽为0.5 MHz时，一些国内的电信专家有些不解。因为当时IS-95 CDMA系统即将商用，欧盟正在积极投入宽带CDMA（WCDMA）的研究。在通信界存在一种流行的偏见即CDMA的带宽越宽，性能越好。这也是为什么 CDMA的带宽要从1.25 MHz演进到WCDMA的5 MHz带宽。事实上，只要对CDMA的性能有充分的了解就不难看出设计信道带宽为0.5 MHz的原因：

　　●同步码分多址的同步要求。带宽增大意味着码片宽度变窄，导致同步困难。

　　●码片变窄，多径信道的时延可能超过码片长度引起码间不正交或增加码间干扰。由于CDMA系统是受限干扰，干扰的增加将降低系统容量。

　　●实现的复杂度。带宽增加将加大扩散和解扩的处理量，在DSP处理能力还限制在几十MIPS的情况下，带宽太大会不利于软件无线电的实现。另外，为了继续提高在严重多径信道情况下的无线性能，将采用多用户检测（又称为联合检测）技术，其复杂度将与带宽的平方成正比，将带宽设计过大将不利于联合检测技术的实现。

　　当时业界普遍认为码片宽度降低，可以让RAKE接收机将各个多径剔出来并可以同向叠加，大大降低多径造成的信号强度的衰落。这种分析在系统欠载时（即并发用户数不多时）是成立的，而当系统满载时，RAKE接收机的这种效果不会理想，因为各个多径分量中都含有相当大的来自其他用户信号的干扰。在多用户同步码分多址的系统中，联合检测技术在这方面的效果成倍地优于RAKE接收机。

　　4.2　不用FDD，采用TDD

　　另外，如上所述，为了能最大化地发挥智能天线技术的优势，TD-SCDMA的双工方式选为TDD方式。当时，业界普遍认为FDD可用于组建广域网而TDD只适用于短距离的局域网，如CT-2和PHS。但其实由于SCDMA留了足够的保护时隙（320 ?s），支持的最大距离可达到48 km。

　　4.3　有机结合各项先进技术

　　最后，除了各个单项核心技术有其显著的优势外，它们的有机结合还可创造出1+1＞2的效应。例如，智能天线和同步码分多址的结合使得智能天线算法得以简化。TDD和同步码分多址的结合将简化功率控制，而功率控制是IS-95异步CDMA的老大难问题。同步码分多址和智能天线技术的结合使单基站可以对终端定位，实现可靠的接力切换。

　　5、TD-SCDMA标准的出笼

　　5.1　SCDMA系统的问世

　　经过两年艰苦的研发，SCDMA无线本地环路系统于1997年底在重庆西坪和白市驿首开了商用实验网，首次演示了系统的性能优势。例如，演示了智能天线的8单元天线阵，它可以达到8的平方即64倍（18 dB）的等效发射效应，可满足广覆盖的要求。另外，系统可实现在0.5 MHz内打满31路电话。当时容量最大的CDMA系统需要2