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。

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 μs），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2×1.25=2.5 MHz带宽才能支持30路语音，SCDMA容量超过CDMA的5倍之多。

    5.2　欧洲的3G

    与此同时，在通信界正在酝酿3G的标准。受益于2G GSM的成功经验，欧洲各运营商和设备商都在积极地推动3G标准。当时，欧洲电信标准学会（ETSI）有两大阵营：一个是以爱立信、诺基亚为首的WCDMA阵营，另一个是以西门子和法国电信为首的TD-CDMA阵营。TD-CDMA技术的信道带宽为1 MHz，是CDMA和TDMA的结合，采用了联合检测技术来提升系统容量和性能。从技术设计理念上与SCDMA较为接近，其性能应该优于WCDMA。但由于爱立信和诺基亚在电信界的霸主地位和WCDMA已被视为主流技术，在ETSI的最后投票中，WCDMA以微弱优势胜出。为了让ESTI只出一个3G标准，两大阵营协商提出了一个双方融合的3G家族方案，即FDD用WCDMA，TDD用TD-CDMA，但信道带宽统一为5 MHz。实际结果还是WCDMA取得了胜利，因为其参数保持不变而TD-CDMA的信道带宽从1 MHz扩大到了5 MHz。如前所述，这将大大增加联合检测实现的复杂度。西门子对此一直耿耿于怀，这也为以后电信研究院和西门子的合作埋下伏笔。

    5.3　中国3G的香山会议

    3G的标准化工作也从欧洲影响到了中国。当时电信研究院科技处处长熊飞第一个提出应该把SCDMA技术变成中国的国际标准。在随后一次庆祝SCDMA实验网成功的宴会上，作者郑重地提出将SCDMA变成3G国际标准。宴会当时在场的领导有周寰司长、李世鹤副院长、熊秉群院长等。周寰司长当场表示支持。之后，李世鹤和作者就开始讨论中国3G标准的推出方案，在不久之后召开的关于中国3G标准的香山会议上，两人推出了北京信威的以SCDMA为核心的3G方案。当时运营商代表有两种意见：一种意见是基于运营商的角度，希望全球只有一个3G标准。现在全球已有两大标准WCDMA和cdma2000，如果中国再提出一个。TD-SCDMA标准，将不利于3G标准的统一。另一种意见主要从国家利益出发，希望能利用3G标准化的机会，建立自己的3G标准，以此推动中国通信产业的快速发展。最后以邮电部宋直元副部长为首的3G小组，做出了鼓励提交自己的3G标准的倾向性意见。

5.4　从SCDMA技术衍生的TD-SCDMA

    在1998年1月，作者和李世鹤副院长正式接到通知开始着手TD-SCDMA 3G标准的起草撰写工作。从SCDMA的系统设计到商用，北京信威对SCDMA的技术有了更深的认识。我们根据3G的要求，对SCDMA系统做了相关修改。

    首先，国际电联（ITU）对3G的定义是快速移动的数据率为144 kbit/s，慢行的数据率为384 kbit/s，固定的数据率为2 Mbit/s。为了适应宽带数据的要求，将信道频宽从0.5 MHz改成为1.25 MHz（以后又改成为现在的1.6 MHz）。

    在现场测试中，又发现空间特征向量在高速移动过程中变化很快，特别是某些场合，10 ms的时间内空间特征向量有相当大的变化，导致下行波束赋型性能下降。为了提升SCDMA的移动性能将TDD周期从10 ms缩短到了5 ms。

    在SCDMA进行同频组网时发现其广播信道之间的相互干扰比较严重，原因是广播信道的能量很大并且是全向发射，引进TDMA之后可以将同频的邻近基站分散在不同时隙以避免相互干扰。将TDMA引入SCDMA，还可以使终端在只通话时（只用一个时隙）关闭射频和其他处理达到省电性能。另外，引入TDMA可以在不改变带宽颗粒度的情况下降低扩频系数（从32降到16），从而降低了联合检测的实现难度和提高了检测性能。另一个改动是将广播信道和接续信道分开，由于接续信道只针对一个用户，可以用波束赋型来发射，以节省下行功率和降低对其他终端的干扰。

    5.5　来自西门子的宝贵支持

    技术上的设计是一部分工作，影响政府决策是另一部分工作。虽然香山会议决定要积极推动自主3G的工作，但没有明确的定论。为了能保住在华的利益，各大国际电信巨头加大公关力度，从各方面来攻击中国自己提出的3G标准（当时华为和中兴在无线通信方面的研发较少，没有太多的话语权）。此时原邮电部科技司也承受了很大的压力。但却做了一件看似一般但对TD-SCDMA起了关键作用的事情。那就是科技司专门拨了一笔经费，组建了一个代表团，由李世鹤和杨毅刚副院长等带队去欧洲访问爱立信、诺基亚、西门子等一些大的电信公司。一是了解他们在3G标准化方面的工作，二是寻求他们对中国3G标准的支持。爱立信和诺基亚当时的态度是希望中国将智能天线技术搞出来融合到WCDMA的标准中去。如上所述，由于WCDMA是一个FDD系统，智能天线的优势不能充分发挥出来，因此在WCDMA标准上的合作没有很深入。当代表团到了德国的西门子公司时，又一个机遇发生了。当时负责接待的是李万林博士，李博士是重庆人和李世鹤以前就认识，他曾在德国留学，留学后在西门子任职。由于西门子的TD-CDMA在ETSI受挫，一直耿耿于怀，中国提出的3G标准与其设计理念很接近并引进了智能天线和上行同步的新技术，再加上李万林博士的内部沟通和双边撮合，西门子表示出极大的热情与电信研究院签署了一个备忘录。

    在备忘录中，西门子表示对中国3G标准的支持，更重要的是对中国标准的技术先进性和优势给予了肯定。这次欧洲访问的报告和与西门子签署的备忘录，从另一个方面证实了中国3G标准的可行性。

    5.6　TD-SCDMA标准的递交

    TD-SCDMA的第一个标准在1998年5月左右完成，然后用了1个月左右的时间进行了修改和完善。直到离国际电联递交3G标准的期限6月30日只有一周的时间时，政府还未对是否提交自己的标准做出最后决策。经过周寰司长、邮电部科技司和电信研究院的不懈努力，在离期限只有2天的时间时终于得到了邮电部的确认，最后邮电部以最快的公文传送方式将申报中国3G标准的公文按照流程先送两位副部长，再送吴基传部长。当吴部长签完字后，科技司马上给李世鹤打电话，作者和李世鹤马上通过电子邮件将TD-SCDMA的标准提案提交给了ITU。此刻，距离规定的3G标准提案的递交期限只剩不到一天的时间了。也许任何一个环节的迟延，都可能会给中国通信业未来几十年带来无比巨大的遗憾。

6、TD-SCDMA标准的确立

    当时在ITU有7个3G标准的提案，显然是太多了，下一步就是要求各提案者将各种方案进行融合。应ITU要求，3GPP的主要成员爱立信、诺基亚、西门子、松下以及日本电信，和中国邮电部的电信研究院、科技司以及中国主管电信标准的传输所进行磋商。当时的传输所副所长曹淑敏一直对SCDMA和TD-SCDMA非常支持，由传输所牵头在北京召开了融合会议。第一次会议上，以爱立信、诺基亚为首的WCDMA阵营对中国的TD-SCDMA标准提出了一系列问题。中国参会人员记录了问题，在第二次融合会议前通过书面对这些问题做了充分的回答，并在第二次融合会议上当面澄清。由于对方与会的技术人员对中国方面的回答再也提不出重大疑义，于是最后提出要看在ITU模型上做出来的计算机仿真结果。在第三次融合会议上，中国方面将仿真结果公布出来，西门子的李万林博士认为TD-SCDMA的仿真结果已优于WCDMA的结果。鉴于对方与会的技术人员无法对仿真结果提出重大疑义以及中国政府的出面支持，最后由日本电信出面与各方签订了一份支持将TD-SCDMA提交到3GPP，作为3GPP TDD的一个低码片速率方案的备忘录。在该备忘录中，各方一致认为智能天线技术和上行同步码分多址技术有一定的优势。由于3GPP的核心成员已经同意，TD-SCDMA顺利地被3GPP组织接收。之后，电信研究院又和西门子签订了合作起草标准和相关开发的协议。从此，中国的3G标准进入了实质性的启动阶段。

    由于当时北京信威正忙于SCDMA的商用准备阶段，无力继续投入巨大资源来开展3G这样的远期项目，因此于1999年年底将该项目转入其母公司电信研究院，在2002年转入电信研究院的子公司大唐移动。从1999年到2000年5月TD-SCDMA正式被国际电联批准为第三代移动通信国际标准，再到2007年的试商用，TD-SCDMA发展的每一步都离不开国家政府各部委的鼎力支持和果断决策，还有大唐移动在TD-SCDMA上所付出的始终如一的巨大代价。

7、标准化的双刃剑

    众所周知，标准化是一把“双刃剑”，有其有利的一面也有其不利的一面。出于自身利益的考虑，各个标准化组织的成员会倾向于将自己的专利技术塞进标准中，不管该技术对系统是否有益，因此最后的标准将是一个各种技术的混合产物而不是各种先进技术的优化组合。

    TD-SCDMA同样存在着这方面的问题。例如，原来TD-SCDMA的DwPTS是放在下行信道的前面，并且在下行和上行之间有320 μs左右的保护时隙，在现在的标准中被改成了75 μs（96码片）。这些改动可能便于非对称时隙的灵活配置和提高效率，但在实际组网时会造成很难解决的问题：75 μs对于光速的电磁波来讲是22 km，这样22 km以外的同频基站的DwPTS将会干扰本基站的上行接入即UpPTS。由于基站的天线增益大，DwPTS的功率是最大功率，各基站位置较高（在视距范围），其干扰将可能是非常严重的。如SCDMA系统留出320 μs相当于96 km的隔离有时还不够（如江苏省SCDMA基站间干扰可达200 km），为此还专门采用了零陷技术来解决此问题。另外下行最后一个时隙的能量应尽量小，最好采用波束赋型发射以减小对其他基站的干扰。

    另一个例子是原来的广播信道可随意配置到任何下行时隙，可以避开在同频组网时广播信道之间的干扰。如果无法正确接收到广播信息，终端很难可靠地和基站通信。但后来被改到一个固定时隙，不必要地增加了同频的实现难度。

    另外上行和下行之间几乎没有保护时间，这样对功放和低噪放的开关性能要求太高。因为在功放打开之前，必须关闭低噪放，以免自激，这样，增加了实现的复杂性，当然也增加了设备的可靠性。

8、TD-SCDMA技术的演进难点

    除以上标准修改的问题之外，TD-SCDMA的现有技术就像其他3G现有技术一样存在着一些较难对付的问题。这些问题将不利于从3G到无线移动宽带系统的演进。

    第一个问题是，联合检测技术不容易解决高速移动引起的快速信道变化。即使可以完美地预测信道变化，由于每次做联合检测需要对巨大的矩阵做复杂度为N2或N3的逆矩阵变换，因此在实现上可行性较差。由于所有同频码道都在相互影响，只要对一个终端的信道估计不准，对所有终端的信号都将会有不利影响。

    第二个问题是同频组网问题，智能天线独有的空间零陷技术将大大有助于抵消同频干扰，但零陷技术的有效性将随着干扰源的增加而显著降低。TDMA和OFDMA的信道只受邻近同频基站对应信道的干扰，而CDMA的干扰源是邻近同频基站的所有信道，因此零陷技术在OFDMA或TDMA系统里更加适用。

    第三个问题是，MIMO和空分多址（SDMA）在TD-SCDMA上的实现和在WCDMA上的实现一样艰难。

    因此TD-SCDMA向哪个方向演进将成为TD-SCDMA产业化期间面临的一个重要问题。由于SCDMA和TD-SCDMA是同源技术，SCDMA和TD-SCDMA的最佳演进方向应该是相似的。所以这里简要地介绍一下SCDMA技术的演进方向，以供TD-SCDMA借鉴参考。

9、SCDMA的演进方向——McWiLL

    由于北京信威的SCDMA系统于2004年已形成规模生产，市场逼迫其在几年前就提早开始了对下一代技术的演进进行研究。在2004年期间，北京信威决定了SCDMA宽带无线数据的演进方向，制定了码扩正交频分多址（CS-OFDMA）方式的McWiLL系统的整体架构。McWiLL是multi-carrier wireless information local loop (多载波无线信息本地环路）的缩写，也有人延伸为My China Will（我的中国愿望）。

    McWiLL较SCDMA和TD-SCDMA有了以下的改进。

     （1）智能天线技术的新突破

     TD-SCDMA在波束赋形和联合检测上更新速度不够快（5 ms），难于对付高速移动引起的快速信道变化，较难保持足够的信号质量和采用高级调制（如QAM16）。McWiLL系统中开发了高性能的信道跟踪和预测技术，大幅度地提高了波束赋形和联合检测的速度（0.1 ms）。同时，在智能天线下行的实现上，McWiLL系统采用了子空间波束赋形（多向量波束赋形）的算法取代单向量波束赋形，在更大程度上保证了高速移动下的信号质量。

     McWiLL系统在智能天线上的另一个突破是抗干扰性能的显著提升。SCDMA和TD-SCDMA的智能天线只能抗和信号强度相当的干扰。在McWiLL系统中，通过在信号帧格式中引进特殊的数码（symbol）和北京信威研制出的新抗干扰算法，可以消除比信号大20 dB的干扰，大大提高了智能天线的抗干扰能力。

     另外，该新抗干扰算法结合了联合检测技术，可达到消除干扰和联合检测一气呵成的效果，对同频组网起了关键的作用。

     （2）同步CDMA和OFDMA技术的融合——CS-OFDMA

     McWiLL系统的CS-OFDMA设计有机地融合了同步CDMA和OFDMA的优点，有效地避开了两者的缺点。它首先将一个宽带纵向分成许多窄带频点，然后再将数码（symbol）用正交CDMA码道横向调制到窄带频点。具体地说，由于使用了OFDMA，它能克服传统CDMA系统在传输宽带数据时由扩展频谱而引起的严重码间干扰（ISI），并将复杂的、非最优性能的多用户联合检测分解成多个简单的、高性能的单用户检测。同时由于每个数码被扩展到多个有一定间隔的频点。可有效地对抗频率选择性衰落和相邻小区干扰，有利于窄带语音和宽带数据的可靠传送以及同频组网。

     （3）联合检测技术的简化和性能提升

     如前所述，SCDMA和TD-SCDMA多用户时空联合检测技术有用户间的相关性问题，即如某个用户的信号太强、太弱或信道太差，将影响其他用户信号检测。由于融合了OFDMA，McWiLL的联合检测技术对每个用户的检测都是独立的，变成了单用户检测，实现简化，提高了性能。

     另外，McWiLL系统的频空联合检测的快速算法，大大降低了联合检测的实现复杂度，能处理时变信道（即每个数码的信道不同），从而有效地提升系统的高速移动性能。

     （4）动态调制技术的性能提高

     SCDMA语音系统的动态调制只限于QPSK，TD-SCDMA的动态调制将扩展到QPSK、8PSK、QAM16，McWiLL的动态调制扩展到了QPSK、8PSK、QAM16和QAM64。这是由于McWiLL的信道帧结构引入特殊时隙，动态调制的判定标准将会比较准确，使系统的吞吐量得到了最优化。

     另外，McWiLL系统还引入了动态信道分配技术，可尽量避免特殊场合的相邻小区同频干扰，大大增加了同频组网的可靠性。