第5章

Chapter 5

TD-SCDMA，中国造

如果你对WCDMA已经比较熟悉了的话，那么你学习起来TD-SCDMA也会得心应手。为什么这么说呢？

首先要说的是各种无线通信技术标准都有着几乎相似的架构，从GSM到WCDMA，乃至TD-SCDMA和cdma2000，都有着近乎相同的网络结构。很多设备的功能都差不多，只是在不同的技术标准里名字叫法不一样。这一点并不奇怪，因为出于传承和演进的考虑，通信的大框架在变化上一般而言是比较小的，所以各种技术标准的基本结构的差异不会特别大。技术的变革往往发生在最容易带来收益的那一块，比如说空中接口，而不会随意去进行整体的、深刻的变革，因为那样的代价太大，从成本收益比上来看不太划算。

其次是WCDMA和TD-SCDMA源于同一个标准化组织——3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划），同一个标准制定的两种不同标准，如果彼此之间差异太大，那么除了把自己累死之外没有太多别的好处。

因此，本书把WCDMA放在前面，浓墨重彩地介绍得详细一点，读者对于WCDMA有了足够的理解之后，再来学习TD-SCDMA就可以事半功倍。在介绍具体的技术之前，让我们先来简单地了解一下TD-SCDMA诞生的来龙去脉，这样可以让我们对TD-SCDMA在中国的运营有更深刻的了解。

5.1　从中国制造到中国创造——谈谈TD-SCDMA的发源

大家或许对一张图都很熟悉，那就是微笑曲线，如图5.1所示。微笑曲线的两端“研发与营销”代表着高利润与高附加值，而处于中间的制造则只有微薄的利润。中国是一个制造业大国，我们也一度为此而自豪，随着经济的发展和人们生活水平的提高，越来越多的中国企业发现要有更多利润，要做大做强就必须将产业向微笑曲线的两端转移。

图5.1　微笑曲线

在这样的局面下，国家开始进行整体战略迁移，开始强调创新，开始强调自主知识产权。神六、大飞机、高铁、TD-SCDMA都是在这样的大背景下开始飞速成长。

为什么微笑曲线从20世纪70年代到90年代发生了这样大的变化，中国企业又为什么需要关注专利与标准呢？在这里，引用一段华为总裁任正非的文章《华为的愿景、使命与战略》。

“在火车、轮船发明后，产生了工业经济，由于金融的载体作用以及产品的远距离运输，使资本主义成为可能。在航空器发明后，工业经济加速发展，到20世纪70年代末达到了高峰。那时的经济是以核心制造为中心的工业经济，经济的附加值主要在产品的制造上。那时，日本、德国的经济达到了顶峰。后来由于处理器（CPU）的发明，计算机开始普及，又由于光传输的发明与使用，形成了网络。由于网络及管理软件的应用，使制造可以被剥离，并转移到低成本的国家，而且制造不再有高的利润。发达国家正在从工业化走向去工业化，从而导致核心制造时代结束。20世纪90年代，日本、德国开始衰落，美国开始强盛。这时主要附加值的利润产生在销售网络的构造中，销售网络的核心就是产品的研发与IPR（专利）。因此，未来的企业之争、国家之争就是IPR之争，没有核心IPR的国家，永远不会成为工业强国。”

……

“由于制造可以被剥离出来，销售与服务可以贴近市场，它们之间的关联可以通过网络来进行，经济的全球化不可避免。”

……

“网络的存在使得经济全球化是不可避免的，不仅对于我们华为是不可避免的，实际上是世界所有国家都不可避免的。因此，这个时候希望封闭起来不要走全球化的道路，实际上是错的。这个时候必须勇敢地面对全球化，发挥自己国家的优势，为自己争取更多的机会。经济全球化的核心是什么？过去的经济竞争的核心是战争；20世纪70年代、80年代是工业制造，是关税、许可证及配额贸易。这个时代是什么呢？由于网络的发明，市场和制造相分离，这个世界最重要的市场手段是IPR，没有核心IPR的公司在国际市场上，被法律排斥。承担制造的企业是不能随意卖出产品的，这就是IPR之争。台湾工厂靠代工，主要靠大规模的生产、大规模的采购，降低了采购成本，降低了制造成本，他们获得的利润大概毛利只有百分之三到百分之五；由于高科技IPR，使产品的毛利有可能达到百分之四五十或百分之五六十。因此将来的市场竞争就是IPR之争，就是未来的企业之争。所以将来没有核心IPR的国家，永远不会成为工业强国。”

上述文字讲述了一个核心问题，专利由于知识产权保护可以构成企业的壁垒，销售与服务由于贴近市场可以构成壁垒，而制造由于网络的诞生可以剥离，全球的生产企业为了订单要进行激烈角逐，这是一场没有壁垒的自由竞争，带来的必然是制造的低利润。因此，中国企业要获得更好的生存空间，不可避免要向微笑曲线的两端布局。具体到通信产业上，也就是必然要向“制定通信标准”这一价值链的顶端延伸。

5.1.1　破局——TD-SCDMA草创

多少年来，围绕TD-SCDMA的争论一直没有中断过，但是究其根本无非就是一点——通信方面的自主创新其代价是巨大的，其成本是高昂的，TD-SCDMA究竟能给我们带来什么？

就宏观层面而言，从移动通信产业占信息产业的比重、分量以及它的发展趋势来看，其在国民经济中已完全居于战略性支柱产业的地位。对标准制定的控制、主导以及话语权，实质上是对自己未来发展战略的选择，更是对未来市场竞争优势的争夺。

就微观层面而言，TD-SCDMA带给我们的无外乎两个方面，一是TD-SCDMA标准及其产业化发展的直接结果，它包括人才、技术、产品、网络、服务等，这些是有形的、可见的东西；二是创新活动本身的曲折历程带给我们的启示、经验和教训，这些无形的、不可见的东西不仅是当前中国企业所缺乏的，也是中国走向工业强国的必经之路。

在这样的背景下，1998年国际电信联盟（ITU）向全球征集3G无线传输方案，当时的电信科学技术研究院在信息产业部的支持下，代表国家向ITU递交了TD-SCDMA技术标准候选方案。应当说在提交方案之初，TD-SCDMA相对其他两大标准还显得非常单薄与势孤。

其一，当时国外提交的技术方案已经有了将近十年的研究和技术积累，关键技术已经完成了开发验证，并有了可供演示或测试的实证系统，技术规范、专利保护已相当完备，而我们的方案还处在原理验证、计算机仿真阶段。尽管此前电信研究院有过SCDMA无线接入技术的研究，但其距3G移动通信需求定义还相去甚远。

其二，TD方案几乎是电信科学技术研究院独自研究，并在中国相关部门和运营商的支持下，去参与国际3G标准之争，只是到了方案融合阶段，才有个别国际合作，而国外每一个技术方案的背后都形成了运营商、制造商联合及政府支持的强大阵营。

其三，最终成为3G另外两个国际标准的WCDMA和cdma2000，都有全球性的2G产业和网络运营为依托，它们最大的卖点是所谓的“平滑演进”。只有TD-SCDMA是横空出世，意图在3G产业的发展上成为一支新军。

其四，无论是WCDMA还是cdma2000，都已建立了完整的产业链，据不完全统计，当时全世界仅从事WCDMA开发的公司达上百家，从事开发的人员就不下10000人，一些主要设备公司的投入已高达10亿美元以上；相比之下，国内从事TD-SCDMA研究与开发的人才几十个，年投入不过几百万元人民币，产业链更是一片空白。

正因为如此，当年TD-SCDMA从实验室走出来，并最终成为国际标准的历程才显得格外艰辛。而TD-SCDMA最终成为国际标准，不得不说中国经济的快速发展和在通信领域的迅速崛起是其中的关键因素之一。

5.1.2　移动通信标准背后的无形之手

在TD-SCDMA的发展历程中，除了企业谋求向产业链的制高点延伸的努力以外，政府这只有形的手也在有力地推动TD-SCDMA向前发展。比如把TD-SCDMA给了实力最为雄厚的中国移动来运营，让TD-SCDMA提前于其他标准试商用，给了最多的频谱带宽，在政策性补贴上给予倾斜，等等。对此，总有一些利益集团以市场经济为由，对此进行种种非议，鼓吹把3大标准一碗水端平来进行竞争。

其实政府支持某一项通信标准的例子并不鲜见，翻开通信的史书就可以发现，在移动通信标准这种战略性的产业上面，从来就不是完全的市场经济，其背后都有诸多政治、经济的因素。

就GSM来说，没有欧盟及其成员国给予的政治支持和由欧洲运营商所组成的“谅解备忘录协会”的全力推动，GSM只怕不会形成今天这样大的气候。早在第一套GSM规范发布的4年之前，GSM计划就获得了欧盟委员会的认可。在1986年11月召开的欧盟委员会会议上，又正式形成了一封GSM推荐信和一份指示性文件，推荐信对GSM进行了详细介绍，正式表明了欧盟对它的支持；指示性文件则确保了每一个成员国都要保留首次演示所需的900MHz频带。这些都极大地激励了整个行业对GSM终端和基础设施的开发，从而促成了GSM的最终成功。

美国为推广自己的CDMA技术更是不遗余力。当还只是一家小公司的高通爆冷门地提出一种基于码分多址技术的系统时，GSM系统已经在世界范围内拥有130万用户。尽管如此，美国CTIA（蜂窝电话工业协会）还是在1993年采用了这项本土技术。但最初支持高通CDMA技术的仅有一家美国设备供应商——摩托罗拉。通常说来，像IS-95这样一项进入市场晚，又是单厂商支持的技术，商业成功性很低。但美国官方坚信CDMA在容量上的理论优势，不仅坚决支持并资助该标准，鼓励在美国本土这个世界上最大的移动通信市场上采用CDMA，还鼓动美国的设备制造商和进入北美市场的外国供应商支持CDMA技术，并大力说服南美洲和亚太地区使用CDMA技术，使其成为一项国际使用的标准。此外，北美在频率分配上也很具倾向性。1994年之前，由美国FCC（联邦通信委员会）决定的可分配频率中并没有为GSM留一席之地，GSM技术若想进来，只能在1994年把保留给PCS（个人通信系统）的1900MHz频率清理出来之后。正是因为美国政府采取的这一系列措施，CDMA最终实现了在北美和亚太地区等地的广泛应用，成为继GSM之后的全球第二大移动通信系统。

从以上事例可以看到，对于移动通信这样一个全球性战略产业的自主创新，如果没有政府的支持、推动和统筹，是不可能取得成功的。所以中国选择强力支持和推动自主通信标准，实在是一件符合国际惯例而无可置喙的事情。

5.1.3　TD-SCDMA标准发展概述

TD-SCDMA的发展过程始于1998年初，在当时的邮电部科技司的直接领导下，由原电信科学技术研究院组织队伍在SCDMA技术的基础上，研究和起草符合IMT-2000要求的我国的TD-SCDMA建议草案。

该标准草案以智能天线、同步码分多址、接力切换、时分双工为主要特点，于ITU征集IMT-2000第三代移动通信无线传输技术候选方案的截止日1998年6月30日前提交到ITU，从而成为IMT-2000的15个候选方案之一。ITU综合了各评估组的评估结果。在1999年11月赫尔辛基ITU-RTG8/1第18次会议上和2000年5月伊斯坦布尔的ITU-R全会上，TD-SCDMA被正式接纳为CDMA—TDD制式的方案之一。如图5.2所示。

图5.2　TD-SCDMA标准发展关键历程

CWTS（中国无线通信标准研究组）作为代表中国的区域性标准化组织，从1999年5月加入3GPP以后，经过4个月的充分准备，并与3GPP PCG（项目协调组）、TSG（技术规范组）进行了大量协调工作后，在同年9月向3GPP建议将TD-SCDMA纳入3GPP标准规范的工作内容。1999年12月在法国尼斯的3GPP会议上，我国的提案被3GPP TSG RAN（无线接入网）全会所接受，正式确定将TD-SCDMA纳入到Release 2000（后拆分为R4和R5）的工作计划中，并将TD-SCDMA简称为LCR TDD（Low Code Rate TDD，即低码片速率TDD方案）。

经过一年多的时间，经历了几十次工作组会议几百篇提交文稿的讨论，在2001年3月棕榈泉的RAN全会上，随着包含TD-SCDMA标准在内的3GPP R4版本规范的正式发布，TD-SCDMA在3GPP中的融合工作达到了第一个目标。

5.2　似曾相识燕归来——谈谈TD-SCDMA与WCDMA

我们之前说过，TD-SCDMA由于也是由3GPP组织制定的协议，其网络结构等方面采取了和WCDMA相似的结构。我们不妨先来了解一下整体框架中相似的部分，然后再去了解TD-SCDMA相对于WCDMA的差异之所在，这样有利于我们迅速形成对TD-SCDMA的基本认识。

首先，我们可以从图5.3中看到，TD-SCDMA的网络结构和WCDMA是完全一样的，基站也叫Node B，基站控制器还是叫RNC。接口的名字也没有什么变化，Uu接口、Iub接口、Iu-CS接口、Iu-PS接口一样都不少。更重要的是，这些设备的功能也没有发生变化。

如果我们对GSM网络或者WCDMA网络熟悉，那么很轻松就可以搞清楚TD-SCDMA这些网络设备都是做什么的，其相互之间的关系是什么，它们之间有哪些接口。从这一点上来说，有一点移动通信基础的人学习TD-SCDMA比起学习cdma2000要方便很多，因为虽然cdma2000的网络结构跟其他几种制式也差不多（没办法，谁让这个结构是人类智慧的结晶呢），但是它的名字却大大不同。初学者碰到cdma2000里面的诸多名词，什么CBSC、PCF、A1/A2/A3……A9/A10/A11接口，一时间往往容易两眼一抹黑，搞不清和自己以前学过的什么GSM等标准里面设备和接口的对应关系，从而学起来要麻烦得多。

上面提到的是学习TD-SCDMA的第一个好处——有着相同的网络结构。第二个好处更容易看出来，WCDMA、TD-SCDMA、cdma2000，这3者有什么共同的特点？恩，聪明的你一定一眼就看出来了，那就是这3者都有一个词叫做“CDMA”。

没错，这3者的空中接口尽管千差万别，但是有一个共同的基础，就是它们都采取了CDMA技术（当然，TD-SCDMA还采取了TDMA技术和SDMA技术，稍后再表）。我们知道，CDMA技术其核心就是要找到合适的扩频码。如图5.4所示，TD-SCDMA也采取了和WCDMA一样的OVSF码（cdma2000的叫做Walsh码，其原理都是一样的）。所以，在WCDMA中经常打交道的这棵码树又出来了，在你眼前晃啊晃啊……

图5.3　TD-SCDMA网络结构

图5.4　TD-SCDMA中的扩频码

但值得注意的是，TD-SCDMA的扩频码虽然和WCDMA一样都是采用OVSF码，但是其变化范围是不一样的。WCDMA变化范围很广，下行可以从4～512，上行可以从4～256。而TD-SCDMA因为在时间轴上对用户还有一个划分，每个用户都是承载在一个时隙内，自然一个时隙就不能承载太多的用户，也就不需要太多的扩频码。

所以，TD-SCDMA在下行方向，扩频码只有两个，一个是1，一个是16，当采用低速率的业务时就使用为16的扩频因子，当需要高速率业务时，就采用为1的扩频因子，只有两个扩频码，实现起来比较简单，可以降低系统的复杂程度。另外，一个重要的好处就是终端比较容易判断其他用户所采用的扩频码，自己占用了为1的扩频因子的话，那本时隙就没有其他用户了；若自己占用了两个SF＝16的扩频码，其他用户的扩频无外乎就是另外那14个，试两下就能出来。知道其他用户的扩频码有什么好处呢？答案就是方便终端进行多用户检测，也就是通过知道所有用户的扩频码，可以把所有信号都解出来，而不是像以前单用户检测的时候把这些都当噪声处理。多用户检测的内容在5.4.3节有描述，大家现在把它理解为一种更先进、更能降低系统干扰的解码方式即可。

上行的扩频因子相对而言要灵活不少，可以在1、2、4、8、16之间选择，这样在上行方向可以有更多选择，不至于流量稍微大一点就非得选SF＝1的扩频因子不可，也可以避免由于扩频因子变化太大而造成发射功率的峰均比过高。由于基站子系统是知道小区下所有终端的扩频码的，因此多增加一些扩频码的选择对于基站进行多用户检测并不是什么麻烦的事情。

大家知道，做无线通信这行的人，往往最关注的就是空中接口（这个接口在GSM和cdma2000中叫做Um接口，在WCDMA和TD-SCDMA中叫做Uu接口）。在空中接口的设计上，无论哪种标准采用的都是分层结构，通俗一点讲也就是ISO那个堆积木结构。你还真别小看ISO当年提出的那个7层结构，这个结构在计算机和通信领域发挥了巨大的作用，也被这个领域的个人和机构所广泛遵守着。理由很简单，一来做协议不分层从头搞到尾能把你累死；二来就算你弄出来了，你跟大家遵循的标准格格不入，你和谁互通去？所以，TD-SCDMA在空中接口也采用了和WCDMA一样的层级化结构，如图5.5所示。为了简单起见，我们在图5.5中只列出了一个三层结构，上层由于和无线接入网（RAN侧）无关，所以也就不详细列举。TD-SCDMA空中接口的物理层、MAC层、RLC层、RRC层要完成的工作与WCDMA一样，其中RRC层、RLC层、MAC层的工作机理基本一样，而物理层则不然。

我们刚才列举了TD-SCDMA和WCDMA其网络结构相同、其空中接口的协议栈相同、其OVSF码相同，那么有什么地方是不同的呢，或者说TD-SCDMA作为3G的三大国际通信标准，其与WCDMA的主要差异在哪里？

答案就是空中接口的物理层！虽然我们可以从核心网、接入网、业务等层面给出两者之间的很多差别，但其关键的差异还在于空中接口的物理层，实际上，3大标准的主要差异也在于空中接口的物理层！

图5.5　TD-SCDMA空中接口的结构

我们可以从3大3G标准的名称来发现其中的玄机，WCDMA、TD-SCDMA、cdma2000，什么是“WCDMA”、什么是“TD-SCDMA”？这不就是多址复用方式么。多址复用发生在哪里呢？不就在空中接口的物理层么！

实际上，对空中接口的物理层进行变革是移动通信中永恒的话题，从GSM到WCDMA如是，从WCDMA到LTE亦如是。因为在移动通信中，由于电磁波四散发射带来的干扰，最宝贵的东西永远是频谱资源，最重要的事情永远是对频谱资源最大限度的利用。所以也无怪乎人们总是在物理层上做文章。

除了物理层上的变化以外，TD-SCDMA还引进了很多先进的关键技术来提升自身性能，概况起来说有智能天线技术、联合检测技术、接力切换技术、动态分配信道、软件无线电等新特性，我们会在接下来的篇幅中详细介绍这些技术。

5.3　秀秀“TD-SCDMA”

其实TD-SCDMA是由两部分组成的，第一部分叫做“TD”，也就是“Time Division”，把时间切成片给不同的用户使用；第二部分叫做“SCDMA”，也就是“Synchronization CDMA”，同步CDMA的意思，这个解释起来有点复杂，且容稍后再述。在这里，我们不妨把这几个词拆开分别“秀”一下，因为“TD-SCDMA”这个词，就包含了这种标准最关键的技术，对这个词来字斟句酌有利于我们对它的理解。

5.3.1　秀秀“TD”

要把TD这个词解释清楚，又要涉及那个讨厌的空中接口的帧结构。说它讨厌，是因为它比较复杂，但是它有一个好处就是可以呈现最本质的东西给你。我们在第3章介绍了GSM的帧结构，在第4章介绍了WCDMA的帧结构，不妨再把它们拉进来，温故而知新一把，因为GSM能告诉我们什么叫“TD”，WCDMA能告诉我们什么叫“CDMA”，加在一起就成了“TD-CDMA”。当然，还少了一个“S”，我们在下一小节再把这个“S”补上去。

1．GSM、WCDMA与TD-SCDMA的帧结构

GSM完美阐述了什么叫做“TD”，把时间切成8块，每一块叫做一个时隙，不同的时隙分配给不同的用户，就完成了“时分”的过程。GSM帧结构如图5.6所示。

图5.6　GSM的帧结构

WCDMA是CDMA技术的典范，从图5.7我们看到，虽然WCDMA中也划分“时隙”。但是所有时隙都是给同一个用户用的，并不从时间上来对用户进行区别，而是通过不同的“扩频码”来对用户进行区分。WCDMA一个帧的时间长度和GSM是有所不同的，为10ms，相比GSM那个讨厌的4.615ms而言这个数字要更好记，也方便各种运算。3大3G标准都采取了同样的帧长或者是这个帧长的倍数，比如WCDMA和TD-SCDMA用的是10ms帧长，而cdma2000用的是20ms帧长。

图5.7　WCDMA的帧结构

图5.8是TD-SCDMA空中接口的帧结构，我们可以从图中看到，这个帧结构有点复杂，因为它一个无线帧下面还有两个无线子帧，这是我们之前没有碰到过的情况。由于两个子帧长得一模一样，所以我们只需挑出一个来进行分析就可以了。

图5.8　TD-SCDMA帧结构

乍一看，TD的这个无线子帧长得还真像GSM，不同的时隙也是分配给不同的用户，只不过GSM是8个时隙，这里是7个时隙。但是要注意的一点就是，TD-SCDMA不仅有“TD”，还有“CDMA”，也就是说在TD-SCDMA里面，不同的用户信号是可以在同一个时隙里发射的，一个时隙是可以支持多个用户的，只要它们采用不同的扩频码！

另外，我们看到，一个无线子帧中除了7个常规时隙以外，还有3个特殊时隙，分别叫做“下行同步”、“保护间隔”和“上行同步”。对于下行同步相信大家并不觉得新鲜了，在GSM里面，就有一个叫做“SCH”的同步信道来干这个活，只不过在GSM里面SCH信道跟什么BCH信道之流的都挤在0号时隙，不像TD里面有这么好的待遇，可以自己单独霸占一个时隙来做同步。在WCDMA里面，同样不缺乏用来进行下行同步的信道，叫做“P-SCH”信道和“S-SCH”信道。

除此之外，这里还有一个奇怪的信道，它单独霸占了一个特殊时隙，用于“上行同步”。这属于TD-SCDMA的独特现象，其他几种标准里都没有，这个时隙用来做什么的呢。我们在这里暂且不表，放到下一小节里。

“保护间隔”很好理解，无非是用来隔开上下行，避免上下行撞到一起用的。

2．TD基站之间为什么必须时间同步

TD作为一个时分系统，是非常讲究时间同步的，它要求所有基站之间都必须同步，这是为什么呢？为什么同样作为时分系统的GSM没有这么苛刻的要求呢？我们不妨举个例子来说明。

如图5.9所示，有两个相邻的基站和1个手机，其中手机处于基站1的覆盖范围内。由于TD-SCDMA系统是一个“时分双工”的移动通信系统，这也就意味着上下行不是通过采用不同的频段来区隔，而是通过在不同的时间段来分别发射上行和下行信号这样的方式来区隔。这是TD-SCDMA以及后来的TDD-LTE与其他频分双工系统的不同之所在。

图5.9　TD系统——基站1和基站2不同步，出现干扰

所以基站1在某个时刻是在向手机发射信号，还是在接收信号完全取决于时隙，如果该时隙定义为发射下行信号，那么基站就发射信号；如果该时隙定义的是用于上行，那么就只是接收手机发射的信号。

时分双工系统由于基站和手机采用的是相同的频率，那么就存在一个潜在的隐患。如果相邻基站没有精确同步，那它们的收发时隙可能就会有错位。那么假设基站1此时正在接收来自手机的上行信号，而此时与其相邻的基站2由于和基站1并不是同步的，时间不一样，那么基站2此时可能正在发射下行信号。由于手机和基站2都是用相同的频率发射的信号，那么基站1就分辨不清楚收到的信号到底是不是来自于手机，因为它很容易把来自基站2的同频信号也当成是来自手机的信号。也就是说如果失步基站在下行信号的发射时隙刚好落在正常基站的接收时隙里，正常基站就无法接收手机发出的上行信号，这样就会造成强干扰。由此可见，在TD-SCDMA系统中，失步基站很容易对附近所有基站造成很大的干扰。

为了避免相邻基站的收发时隙交叉，减少干扰，TD-SCDMA系统要求所有网内基站之间必须同步。

大家可以想想为什么GSM也是一个时分系统，也是通过时隙来工作，怎么就不会有这样的情况？我们不妨先看看图5.10。

在GSM里面，即使基站1和基站2时间不同步，出现了时隙交错，基站2也无法对手机的上行进行干扰，因为它们处于不同的频段。上下行处于不同的频段，通过频段来对上下行信号进行区隔叫做“频分双工”，比如GSM、WCDMA、cdma2000；上下行处于同一个频段，通过不同的时间来进行区隔叫做“时分双工”，比如TD-SCDMA、PHS。GSM和TD虽然都采用时分复用，但是其双工方式不同，也就是说区隔上下行信号的方式不同，从而导致了对基站同步的要求的不同。

图5.10　GSM系统——基站2的下行和手机的上行频段不同，无法干扰

我们看到，为了时分双工TD是付出了一定代价的，那么时分双工又有什么好处呢？

（1）频谱的灵活性。采用频分双工的话，上下行需要成对的频谱，在2GHz以下，已经是比较难了。而时分双工不需要成对的频谱，相对而言分配起频谱来要简单不少。这对TD-SCDMA未来的国际化有着重要意义，因为在国外尤其是一些发达国家频谱资源已经很紧张了，能节省频谱资源这个优点对于在这些国家推广TD-SCDMA很有好处。

（2）对不对称业务的支持。对于时分双工而言，上下行工作于同一个频段，只是不同的时隙，这样就可以通过调整上下行的时隙数目来适应上下行的业务量。我们知道，对于互联网数据业务而言，上下行的流量一般而言是不对称的，下行流量一般要远大于上行流量。既然如此，那么上下行分配相等的带宽是不是显得有点浪费呢？

（3）上下行链路的相关性。由于时分双工系统上下行工作于同一个频率，所以上下行的传播特性比较相近。基站端的发射机就可以根据在上行链路上得到的接收信号来了解下行链路的多径信道的特性，从而可以非常方便地使用我们后文将说到的智能天线。频分双工系统由于上下行工作于不同的频段，而不同频段的电磁波其传播特性各不相同，因此很难根据上行的情况判断下行的情况，用起智能天线来就没那么方便了。

（4）设备成本较低。由于上下行工作于相同的频段，其发射机和接收机就比较简单，从而可以使得设备成本比频分双工的要低20％～40％。

3．用什么来同步——从GPS到北斗

说到时钟同步，目前在现网里广泛应用的一种方式就是通过GPS来校准时钟。比如当前TD-SCDMA系统和cdma2000系统的外部天线上都装有GPS接收器，并以此接收同步信号。GPS的时钟信号非常精准，但是同时也带来了一个问题，就是整个网络的安全完全依赖于美国的GPS的工作状况。一个GPS系统的示例如图5.11所示。

图5.11　GPS系统

据报道，2010年1月13日，由美国空军控制的全球卫星定位系统GPS进行系统升级，严重依赖GPS授时服务的中国电信CDMA网络出现大范围告警。中国电信表示，“这几天，GPS正在进行升级维护，CDMA现网中部分厂家的基站设备在告警机制设置上，每隔12分钟有1秒钟的丢星现象，现网中出现了大量网络告警”。

GPS是美国空军主导的定位系统，是向所有用户免费开放的全球卫星导航系统。GPS发射信号分为军用和民用两种，其中军用信号专供美国军方，民用信号免费开放给全球用户。GPS系统的开关掌握在美国手中，美国随时可以扩大信号误差、关闭信号，让几百万平方千米的人员、设备突然“消失”，甚至可以关闭特定区域信号，让GPS失灵。例如，1993年7月23日，美国指控中国“银河号”货轮将制造化学武器的原料运往伊朗，制造“银河号”事件。当天，“银河号”上的GPS导航设备突然失灵，失去航行方向。直到美军强行搜查后，船上GPS才恢复正常。

近几年，GPS因其强大的定位导航功能，使民用用户数量呈几何级增长，成为众多国家民众生活的重要组成部分。许多国家的政府、专业部门甚至对GPS产生了严重依赖。由于中国电信CDMA在网络同步实现等方面依赖GPS系统，CDMA通信基站在工作的切换、漫游等方面都需要GPS的精确时间控制，因此，当GPS系统升级时，CDMA网络就会受到影响。2010年1月13日出现的网络告警，涉及中国绝大多数省份，但并没有引发网络中断和延时，用户没有多大感知。但是，中国电信的外企设备商称，如果GPS在72小时内中断授时，电信CDMA系统就会全面瘫痪。

CDMA网络技术要求全网同步，对授时要求非常高。而目前除了GPS外，还很难找到替代品。这次告警事件也表明：中国网络安全的关键技术还掌握在别人手里。中国在通信网络技术上如果完全依赖于美国GPS系统，是存在很大安全隐患的。

早在中国联通开通CDMA时，就曾因为美国GPS未授时，出现过瘫痪事件。在很长一段时间内，由于缺乏先进的网络同步技术，中国移动自行发展的TD-SCDMA技术也采用GPS同步。但由于使用GPS存在的安全隐患，国内厂家一直在努力，希望在TD的同步问题上能够绕开美国的GPS。很多新方法不断被提出并得到实践的验证，其中利用我国自主发射的北斗卫星作为时间信号源成了一个重要的替代方案。

北斗卫星导航系统是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，其建设与发展则遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性这4项原则。2011年4月10日4时47分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号甲运载火箭，成功将第八颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。

我国正在建设的北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务（属于第二代系统）。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10m，授时精度为50ns，测速精度0.2m/s。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

根据系统建设总体规划，2012年左右，“北斗”系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。北斗系统星位图如图5.12所示。

图5.12　北斗系统星位图

从2008年3月开始，中国移动启动了“TD-SCDMA系统GPS替代方案”等技术工作，探讨采用1588v2替代GPS时钟传送技术，并建设PTN传输网，实现GPS之外的授时方案。一方面通过有线传输网络传送精确时间同步信号；另一方面在TD-SCDMA基站加装“北斗系统”模块，采用GPS／北斗系统双模同步方式，并互为主备用，最终从时间信号的来源和传输两个方面相结合，彻底摆脱对GPS的依赖。基于北斗卫星的授时方案已在研究实验中完成测试，并显示具有和GPS系统相同等级的授时精度，可满足TD-SCDMA同步要求。自TD-SCDMA二期设备以来，各主要TD-SCDMA设备厂商都普遍推出了支持GPS／北斗系统双模同步方式的设备，从而成功地绕开了美国GPS系统，为中国的自主创新系统添光加彩。

5.3.2　秀秀“SCDMA”

提起TD-SCDMA，除了大唐之外，还有一家公司绕不过去，那就是北京信威。信威公司最初由4个从美国留学归来的人所创办，并提出了SCDMA无线通信标准，这也是后来成为国际标准的TD-SCDMA的重要组成部分。

SCDMA看起来只比CDMA多一个字母，但这一个字母却意义非凡，它是中国第一个完全自主知识产权的无线通信核心技术！

其实这个标准在国内也有不少应用，比如曾经也有不小名声的“大灵通”。2003年，中国网通曾计划在全国范围内大规模上马SCDMA，谈判和准备工作一度进入了相当层次，但由于担心3G发牌和电信重组等因素，最终上马的也只有5个省份。随着PHS在城市的开花，CDMA450在偏远农村的应用，SCDMA逐渐式微。但SCDMA作为中国第一个无线通信标准，在中国通信的历史上留下了浓墨重彩的一笔，也为其后的TD-SCDMA的发轫奠定了重要的理论基础。

1．为何需要上行同步

在TD-SCDMA中，这个S指的是同步（Synchronization）的意思，我们在上一小节里说过了基站之间的同步，在这里要谈谈手机之间的上行同步（Uplink Synchronization），这也是TD的特色之一。

所谓上行同步，指的是同一时隙内的不同用户的信号同步到达基站接收机，如图5.13所示。对于TD-SCDMA系统来说，终端支持上行同步是必需的。

图5.13　上行同步

我们知道，TD-SCDMA是一个码分系统，但是WCDMA、cdma2000同样也是码分系统，为什么那两个标准没有做上行同步，而TD-SCDMA进行了上行同步，这样做有什么好处？

我们知道，对于TD-SCDMA系统而言，同一个时隙里有多个用户同时接入，如图5.14所示。

图5.14　多用户接入同一个时隙

我们知道，基站之所以能够区分出同一个时隙内的不同用户，那是因为图5.14中的用户1到用户N采用的不同扩频码。在这里，我们假设用户1采用的扩频码是C_8,2＝（1，1，1，1，-1，-1，-1，-1），用户2采用的扩频码是C_8,4＝（1，1，-1，-1，-1，-1，1，1），如图5.15所示。假如两个用户的信号同时到达基站，那么对于用户2的信号，基站可以用用户1的扩频码对其进行解扩滤除之，具体计算结果如下：

C_8,2×C_8,4＝［1×1＋1×1＋1×（-1）＋1×（-1）＋（-1）×（-1）＋（-1）×（-1）＋（-1）×1＋（-1）×1］＝0

图5.15　OVSF码树

如果这些用户的信号都可以同步到达，那么由于扩频码的正交性，一个简单的解扩动作就可以实现对其他用户信号的完美滤除，从而实现区分不同用户的目的。

现在问题就来了，如果到达的时间不一致呢，比如说用户2的信号慢了一拍到达基站，会发生什么样的情况？用户2扩频后的信号就不再是（1，1，-1，-1，-1，-1，1，1），而是（1，1，1，-1，-1，-1，-1，1）了。我们不妨再来计算一次：

C_8,2×C_8,4（延时）＝［1×1＋1×1＋1×1＋1×（-1）＋（-1）×（-1）＋（-1）×（-1）＋（-1）×（-1）＋（-1）×1］＝4

也就是说，因为用户2的信号到达晚了，导致扩频码之间不正交了，从而没法完全滤除掉。用户2的信号就此成了用户1的底噪，并使得用户1的信噪比降低，进而影响用户1的通信质量。

我们为什么说WCDMA、cdma2000系统的上行都是干扰受限，那是因为各个用户上行信号不同步，从而影响了扩频码之间的正交性，抬升了底噪，进而最终影响了系统的容量。

2．如何进行上行同步

当手机上电之后，它必须首先建立下行同步。如果连基站的位置在哪里、有些什么样的系统信息都不知道，想建立和基站的上行同步是不可能的。当建立了下行同步之后，虽然手机可以收到基站的信息，但是它与基站间的距离却是未知的。如果距离未知的话，那么信号到达基站的时间也无法控制，这将导致各个手机到达基站的时间不一致。到达时间不一致的后果我们在上文中也提到了，就是会提升整个系统的干扰。

现在终于可以对我们在图5.8中埋下的伏笔进行一下答疑了，在TD-SCDMA中，3个特殊时隙中有一个专门用来进行“上行同步”。我们可以对照图5.8给出的时隙图，先来理一理TD-SCDMA中手机接入网络的过程，最初手机都必须监听0号时隙的系统信息，得知网络的种种信息（这与GSM网络并无二致）；然后手机和基站要进行一个下行信息的同步，这就是“下行同步时隙”的工作。手机在间隔一段时间之后（参见间隔时隙），会在“上行同步”这个特殊的时隙上发射一串特殊的固定内容的码字，也叫做上行同步序列。基站收到这串序列之后，就会进行比对，根据码延迟的位置和功率减少的多少来决定手机接下来的发射功率和时间调整值，并通知手机。手机得知了应该在什么时间发射之后，就会进行时间调整，然后发起接入网络的随机接入消息。基站与手机之间的接入过程如图5.16所示，上行同步过程如图5.17所示。大家可以看到，上行同步是从监听系统消息到最终发起随机接入之间的一个小步骤，但是这个步骤却非常重要，这个过程可以在很大程度上降低上行的干扰，从而大大提高系统容量。想想，这个同步过程中居然就是SCDMA中的“S”，即“Synchronization”，标准都以这个名字命名，那么这个过程的重要性就不言而喻了。

在图5.17中我们看到，手机发射的信息在空中传播有两个码的时延，因此基站经过和固定的码比对之后，判断手机需要提前的时间量，并根据接收能量判断手机需要的发射功率，从而通知手机接入。

图5.16　TD-SCDMA中随机接入过程

图5.17　上行同步过程

应当注意的是，上行同步的过程不是一开始同步了就一劳永逸了，为什么这样说呢？因为手机是移动的，它到基站的距离是在不断变化的。因此在手机发射话音和数据的同时，还会掺杂一段“训练序列”，这个序列跟“上行同步序列”的功能是一样的，都是一段标准的码字，基站根据这段码字进行对比，来判断手机此时此刻的位置，从而不断修正“时间提前量”，从而保证手机与基站始终能够时钟同步。

5.4　秀秀TD-SCDMA的关键绝活

我们知道，WCDMA、cdma2000都是参与者众，研究时间长，论证相对比较成熟的标准。作为后来者的TD-SCDMA，如果仅仅有时分双工、时分复用、上行同步等几个差异化的特点，就想杀入国际标准体系，跟盘桓在这里已久的两大标准抗衡，显然是不实际的。所以TD-SCDMA实现成功突围，必然还有一系列让这个标准脱颖而出的关键绝活，比如智能天线技术、接力切换、联合检测技术、动态分配信道技术等。我们下面就不妨一一来介绍这些技术，看看它们都有什么样的特点。

5.4.1　一如那舞台上的聚光灯——智能天线

对于舞台上应用很多的聚光灯（如图5.18所示），相信大家都不会陌生了。这种灯有两个特点，第一个特点是聚光灯不像普通电灯一样光线像四面八方散射，它把光线聚集起来，投向演员表演的那个区域，而周围基本上没有什么亮光；第二个特点就是它会跟随演员在舞台上的活动，演员走到哪里，它的灯光就跟到哪里，真可谓“月亮走，我也走”。

图5.18　舞台上的聚光灯

如果把我们在无线通信中通常用到的天线比作是普通电灯的话，那么智能天线就好比聚光灯。普通天线的电磁波是向四面八方传播的，而智能天线却可以将电磁波聚焦于某些方位；普通天线的电磁传播并不随用户方位的移动而有所改变，而智能天线却可以随着用户的变化来改变自己的传播方式。

在TD-SCDMA中，智能天线无疑是最受关注的关键技术之一。甚至有人这么理解，TD-SCDMA中的“S”应该指的是同步CDMA（Synchronization CDMA）、智能天线（Smart Antennas）和软件无线电（Software Radio）。智能天线之前主要应用于雷达、声纳等军事用途，从20世纪90年代才逐渐转入民用通信领域。美国Arraycom公司在PHS系统中实现了智能天线。1997年，北京信威通信技术公司成功开发出采用智能天线技术的SCDMA无线通信系统。1998年我国向国际电信联盟提交的TD-SCDMA RTT建议是第一个以智能天线为核心技术的码分多址通信系统。除此之外，WiMAX也将智能天线定义为一项可选技术。大家看这些名字就知道，PHS、TD-SCDMA、WiMAX，通通是时分双工的系统，而WCDMA、cdma2000，这些频分双工的系统都没有采用智能天线，这是为什么呢？答案在本小节的末尾揭晓。

智能天线的所谓“智能”，主要是从两个方面来体现，第一是说它可以“跟踪”用户终端的具体位置；第二是说它可以根据用户的位置，定向地向用户发射电磁波。

智能天线的运作跟雷达也颇有点相似，雷达向天空中发射电磁波，电磁波被战机反射以后，雷达就可以根据反射的电磁波的情况判断战机的位置，并不断对其进行跟踪，如图5.19所示。应当说智能天线实现对手机位置的跟踪锁定来得比雷达还要容易得多，因为手机是主动向基站发射电磁波的，智能天线只需要接收这些电磁波并对手机的位置进行持续跟踪就可以了。

图5.19　雷达如何“跟踪目标”

话说智能天线有跟踪用户方位和定向发射信号两大特点，这两大特点其背后的技术机理又是怎样的？这样做又有什么好处呢？

首先我们来看看智能天线的构造，从中找出点端倪。图5.20是一个单极化8阵元智能天线和普通天线的对比。

我们看到，TD-SCDMA的智能天线比GSM或者WCDMA里面应用的普通天线要宽很多，之所以要宽很多是因为它是由多根小天线共同组成的天线阵列，这些小天线排在一起，外面罩个壳，就成了智能天线现在这副模样。TD-SCDMA智能天线宽大的体型给它的建站造成了不少麻烦，很多居民有这么一种潜意识：基站天线越大，其辐射就越强。加上这些小天线又引出许多馈线，密密麻麻的，和TD-SCDMA的“大门板”般的天线堆在一起，很容易引起人们的注意，所以在施工建设过程中所受的阻力不小。其实TD-SCDMA的天线只是内部阵元的根数有所增加，与电磁波辐射的强弱并无直接关系。由于TD-SCDMA智能天线能够定向地跟踪手机，只需要向某个区域发射电磁波，其基站的辐射相对GSM基站而言其实要更低。

图5.20　智能天线与普通天线

那么，现在问题就来了，TD-SCDMA中的智能天线为什么要由多根小天线组成呢？这样做与对用户方位的跟踪是不是有什么关联呢？我们来看图5.21。

图5.21　如何判别手机的方位

图5.21就是对图5.20顶端的“有什么玄机”的文字的说明，我们知道，只要手机的电磁波不是面对智能天线垂直入射，那么电磁波到小天线2和小天线8的距离就会不一样，图中到小天线2的距离多了d。又由于小天线2和小天线8的距离∆L也是固定的（天线制作的时候就确定了）。那么要知道手机所在的方位角θ就变得非常简单，不过就是初等数学中的一个一元一次方程而已，即

我想肯定有朋友要问，∆L是固定的，θ是算出来了，那个路程差d我又怎么得知呢，请大家翻看图5.17，路程差是可以根据延迟的码片时间乘以光速计算出来的。

上面所说的是如何对手机的方位进行“跟踪”，跟踪的目的是将下行信号定向地发射给手机，那么我们又如何做到“定向”发射呢？

这源于波的干涉特性，波的干涉是智能天线得以实现的最根本的原理。物理学知识告诉我们，频率相同的两列波叠加，会使某些区域的振动增强，某些区域的振动减弱，而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开，这种现象叫做波的干涉。波的干涉是波的基本属性，电磁波也不例外。智能天线中的阵元（从小天线1到小天线8）所发出的电磁波信号经过一定的调节，发生了干涉现象，所以会增强在特定方向上的传播，同时其他无关方向上的电磁波则会相应地被削弱，故而也就可以产生定向的电磁波了。

到这里为止，我们就阐述完了基站是如何“跟踪”手机用户方位以及如何“定向”给手机用户发射信号的。但是，我们依然没有回答一个问题，那就是这样做有什么好处？

（1）提高基站的接收灵敏度，基站所接收的信号应该为各天线单元之和。从理论上而言，图5.22所示的智能天线所接收到的信号的幅度就应该约为单天线所接收到信号幅度的8倍，基站把这8根小天线的信号汇拢，上行方向接收的信号的总强度就能提高，从而就能有效提高基站的接收灵敏度。这也不奇怪，增加天线就好比增加耳朵，多增加几个耳朵听觉的灵敏度自然会更高。

图5.22　对上行方向的干扰过滤

（2）应用智能天线可以有效降低干扰，无论是上行方向还是下行方向。在上行方向，基站可以判断手机的位置，从而使得接收信号可以有方向性，从而对其他方向发过来的干扰信号有很强的抑制作用。

在下行方向上，由于发送的信号具有一定的方向性，可以将主瓣指向期望用户方向，旁瓣指望其他用户，因此能大大减小对小区内／小区间其他用户的干扰。我们很容易从图5.23中看出智能天线在下行方向进行了有针对性的信号发射，对于目标用户信号很强，对于非目标用户信号很弱，以至于可以忽略不计。

图5.23　在下行方向降低干扰

我们知道，CDMA系统是一个自干扰系统，其容量的限制主要来自本系统的干扰。降低干扰对CDMA系统来说是非常重要的。由于在CDMA系统中的通话质量与小区容量成反比，因此为了提高小区容量，必须牺牲掉一定的通话质量。而如果系统的自干扰能够被有效降低，那么通话的质量自然会有所提高，这时再在保证通话正常进行的前提下牺牲掉一部分通话质量，就能获得更大的系统容量了。因此在CDMA系统中使用智能天线，降低了干扰，就势必会使链路性能得到改善，并增加了将全部扩频码所提供的资源都利用起来的可能性，从而实现了提高系统容量的目的。

在这里，我们要回到开篇的那个问题了，智能天线可以提高基站接收灵敏度，降低上下行的干扰，提高系统容量，这么多好处，为什么3大3G标准只有TD-SCDMA采用了这种技术，而WCDMA和cdma2000系统对此就无动于衷呢？那是因为TD-SCDMA采用的是时分双工模式，基站和手机采用相同频率的信号，所以基站在接收手机上行信号时判断出来了手机信号的方向，由于上下行频率相同，传播路径基本对称，因此根据这个方向在下行方向发射信号就可以达到定向发送给手机的目的。这是TD-SCDMA与生俱来的优势，作为频分双工的WCDMA和cdma2000系统无法进行复制。

5.4.2　先同步，后切换——接力切换技术

TD-SCDMA技术也是CDMA技术的一种分支，传统的CDMA技术一般采用的都是软切换技术，比如CDMA 1X、WCDMA、cdma2000。所谓软切换技术，就是同时和N个基站相连，从而实现“无缝切换”的技术。但是到了TD-SCDMA这里，这种方式不灵了，必须得另辟蹊径，为什么呢？请看图5.24。

由于TD-SCDMA中需要通过上行同步技术来降低干扰，所以就无法和多个基站同时保持连接了。比如说图5.24中，假设手机同时和基站1及基站2保持连接，由于手机到基站1和基站2的距离并不相等，那请问它又该跟哪个基站保持上行同步呢？

图5.24　上行同步的困惑

除了软切换以外，倒是还有一种方式可选，那就是GSM所采取的硬切换。硬切换指的是从一个基站的覆盖区域向另一个基站的覆盖区域移动时，用户需要先中断和原来基站的连接，然后迅速和新的基站建立连接，是一种“先断后连”的方式。这种先断后连的方式意味着不可靠性，有可能出现掉话，实际上，在某些运营商的掉话统计里，因为硬切换造成的掉话占了50％左右。

TD-SCDMA最终没有选择硬切换，而是采用了一种创新的切换方式，叫做“接力切换”。接力切换的基本思想是利用智能天线和上行同步等技术，在对手机的距离和方位进行定位的基础上，根据手机的方位和距离信息的变化来判断目前手机是否移动到了可进行切换的相邻基站的邻近区域。如果手机进入切换区域，RNC则通知下一个基站做好切换的准备，从而达到快速、可靠切换的目的。

这个切换的过程是比较有意思的，上下行是分别进行切换的。切换时手机的上行信道与目标小区进行上行预同步，而下行信道先不切换过来；等上行信道先完成同步之后，下行信道再切过来。这有点像很多电影里的经典桥段，如图5.25所示，一段小水沟，男的先跳过去了，女的跳不过去，于是男同志把手伸出来，女同志把手伸过去，握好以后，就完成了“上行链路同步”，然后开始起跳，落下之前，左手也握好了，这个就完成了“下行链路切换”。恩，看起来还是“有一路先同步”（接力切换）比较安全，想象一下，直接跳过去（硬切换）是不是掉水沟里的风险比较大。

与硬切换相比，接力切换将大大减少因失步造成的丢包，极大地提升了信道质量和切换成功率，降低了掉话的可能性。接力切换之所以优于硬切换，一方面是由于在接力切换之前，系统已经获得了移动台比较精确的位置信息。通过使用上行预同步的技术，手机将在合适的时间将上行专用信道切换到目标小区，排除了硬切换在专用信道切换过后同步不成功的可能。另一方面，接力切换采用上、下行专用信道分步切换的策略。如果上行信道切换不成功，手机还可以将上行专用信道切换回原小区，保证用户不掉话。因此相比硬切换而言，接力切换掉话会更少。

图5.25　接力切换之跳跃水沟

接力切换是一种应用于同步码分多址（SCDMA）移动通信系统中的切换方法，其前提是上行同步。因为上行同步，所以不能采用软切换；因为上行同步，又可以采用比硬切换成功率更高的接力切换方式。

接力切换也是TD-SCDMA移动通信系统的核心技术之一。

5.4.3　事不关己，不准挂起——联合检测技术

我们之前一直说的都是，在CDMA系统中，不同的用户之间是不会产生干扰的，因为它们采用的扩频码不同。实际上，由于多径效应，终端发出的信号无法精确地同步到达接收机，另外由于远近效应也会使接收机收到的各信号强度不同，这两种情况都有可能造成码字之间的正交性被削弱。当不同扩频码之间不再能够保证正交时，不同的用户之间实际上会产生干扰，这就是多址干扰（MAI, Multi-Address Interference）存在的根源之所在。

传统的CDMA信号检测方法总是把来自其他用户的干扰（即多址干扰）看作是一种噪声来处理。也就是不管三七二十一，基站和终端对每个信号进行分离和解析的过程都是独立的，至于掺杂在其中的其他用户的信号，我通通当作事不关己的噪声来处理。这种信号分离技术称为单用户检测（SUD, Single-User Detection）。

这种处理方式从效率上而言其缺陷是明显的，这就好比传达室来了一堆信件，但是没有一个值班人员来分拣，于是你在信件堆里查啊查啊，查到你的你就捞了出来，其余一堆别人的信件你就不管了。然后下一位同学也如法炮制，只查自己的信件，别的一概不管……请问这种分拣方式其效率是不是低下呢？你一定在想，如果有一个值班人员来分拣或者前面的同学在处理自己信件的同时也顺便帮忙给大家分拣那有多好啊。

对于CDMA系统而言，当系统中用户数比较少的时候，个别用户产生的多址干扰并不大，这种纯粹把其他用户的信号当噪声的处理方式也未尝不可。但是随着用户数的进一步增加或者信号功率的增大，再把MAI当作热噪声一样的干扰，那就会导致信噪比严重恶化，从而使得系统容量大幅下降。比如IS-95 CDMA系统正是因为使用了单用户检测技术，所以导致其实际容量远小于扩频码所能容纳的码道数。

实际上，这些多址干扰信号里面包含许多先验的信息，比如这些用户所采用的信道码以及这些用户的信道估计等。这么多有用的信息，全部当作噪声来处理岂不可惜了？所以为了进一步提高CDMA系统容量，人们想到将其他用户的信息联合加以利用，也即多用户检测（Multi-User Detection）。多用户检测最早是在1979年由Schneider首先提出的，后经不断发展，已经成为主流的应对干扰信号分离手段。多用户检测分为干扰抵消（IC, Interference Cancellation）和联合检测（JD, Joint Detection）两种。

干扰抵消技术的基本思想是判决反馈，首先从总的接收信号中判决出其中部分的数据，再根据数据和用户扩频码重构出数据对应的信号，再从总接收信号中减去重构信号，如此循环迭代。

这有点像一种方块拼图游戏，开始来的是一堆看起来有点杂乱无章的块。然后对这些块进行仔细甄别，还原其中一部分（如图5.26中圆圈部分所示），那么这一部分就可以从那一堆块中拿出来了，如此循环往复就可以把整个信号进行还原了。

图5.26　方块拼图

联合检测技术其机理有所不同。它首先将小区的所有用户及其多址干扰作为一个整体接收下来解调。这样干扰就小了，信噪比大大提高，接收灵敏度也就大大提高了。解调后，模拟数字转换成了数字信号，再利用和多址干扰相关的先验信息，结合上行信道信道估计的结果，对整体信号进行联合求解。等于说是一次性把方块拼图拼出来，而不是通过循环迭代的方式一块一块地来拼接信号。我们从图5.27中可以很清楚地看出，联合检测方式相对单用户检测方式效果要好很多。

图5.27　联合检测与单用户检测对比

由于TD-SCDMA中每载波的大量用户被分布到每个帧的每个时隙中，因此每个时隙中并行的用户数很少。用户一少，就可以以较低的计算量和较低的信号要求来检测到有用信息，从而降低了设备实现的难度，这也是TD-SCDMA进行联合检测相对其他两大标准的优势。其他两大标准由于不进行时分，所以并行的信号是很多的，对于联合检测而言不是太有利。

5.4.4　我是出色的交通指挥员——动态分配信道

假设在爪哇国的某城市有这么一条道路，分为7个车道，其中一个车道专门用于走公交车，另外有6个车道可以由你自行调配，道路上的车辆都听作为交警的你指挥，你打算怎样利用道路资源，从而使这条道路达到最好的利用效率？情况如图5.28所示。

在一开始搞不清车流量的时候，把6条车道对半开算是比较保守和稳妥的做法了，3条用于由南向北（上行），3条用于由北向南（下行）。过了一阵发现这种做法很多时候非常浪费道路资源，因为发现由北向南（下行）的车流量往往远多于由南向北（上行）的。因此作为一名聪明的交通指挥员，你可以将用于两个方向的车道调整一下，这样车流量可以均衡得多，如图5.29所示。

图5.28　道路分配

图5.29　根据负荷动态分配信道

图5.28和图5.29就是TD-SCDMA中经典的慢速DCA（Dynamic Channel Allocation，动态分配信道）技术。TD-SCDMA一共有7个业务信道，除了TS0（0号时隙）为下行公共信道以外，其余6个信道可以自由分配。RNC在进行资源分配时应当能够针对具体的情况来灵活调整小区上下行时隙的划分。由于下行流量往往大于上行，现网通常有3∶3配比、2∶4配比、1∶5配比等几种DCA方式，如图5.30所示。

图5.30　根据需求调整上下行时隙配比

在TD-SCDMA中，不光有慢速DCA，还有快速DCA，快速DCA又是用来做什么的呢？我们重新回到上面那个交通指挥员的例子，来对快速分配信道的方法做个说明。

话说这交通指挥员也不是那么好当的，不仅要根据双向车流量的情况对车道进行合理的分配，还要根据路况以及车型大小来进行合理的调度。比如一条道路质量比较差（某个时隙受干扰严重），就需要把车辆挪到另一条道上去；或是某条道上来了一个装运集装箱的超级载重大卡（比如下行方向某个时隙想采用SF＝1的扩频码，传送更多数据），那么也需要把该条道上的车挪下位置，如图5.31所示。

图5.3　根据情况对车辆进行调度

在TD-SCDMA中，以上两种情况可谓是屡见不鲜。第一种是通话中的用户遇到干扰时，通过调整信道来减少干扰，改善通话质量，这种情况比较好理解；第二种情况属于对资源的优化，它有点像计算机操作系统的磁盘碎片整理一样，通过信道的整合，把空闲的资源尽量集中在一个时隙里。一般当实时高速率业务申请到来，而现有资源又不能满足需求的时候，就要对资源进行整合。

如图5.32所示，资源整合的过程实质上就是把资源尽量整合在一起的一个过程，从而可以提高带宽业务的接入成功率、切换成功率，提高系统容量和资源利用率。

图5.32　资源整合

5.4.5　看我七十二变——软件无线电

到现在为止，我们已经学习过3种移动通信的制式了，GSM、WCDMA、TD-SCDMA，接下来还有cdma2000、LTE和LTE-Advanced即将登场。应当说，技术的不断革新对运营商而言是一把双刃剑，一方面运营商可以通过技术的革新来不断让网络的性能提升，满足用户日益增长的数据需求；另一方面技术的革新使得以前的设备都要被替换，从而付出高昂的设备成本和建设施工成本，而且这个替换过程往往需要很长的时间。这其中主要的缘由，就是因为不同制式之间的调制方式和多址方式不同，而在当前的无线通信系统架构中，无法解决多种方式并存的问题，所以导致设备要被更新和替换才能支持新技术。我们来随便数一下这些标准的调制方式和多址方式，如表5-1所示。

表5-1　　　　　　　　　　多种制式

相信谁看到这么繁杂的一张表格都会感觉到头很晕，对于运营商而言，就不单单是头晕这么简单了，多种制式并存的局面造成了高昂的设备购买的资金成本和替换安装的时间成本。于是，运营商也有了一个梦想，而这个梦想并不简单，那就是：“我希望我所购买的设备像孙猴子一样会七十二变，想变成GSM就变成GSM、想变成WCDMA就变成WCDMA、想变成LTE就变成LTE……LTE之后，我还没有想好。”

愿望是美好的，但如何实现，还是得从现实中来。我们先看看一个基站的基本构造，从中寻找一点端倪，如图5.33所示。

图5.33　无线接收装置

在无线接收装置中所有的功能模块：滤波、放大、向下变频，直到调制，都是使用模拟技术（除了频率合成的部分）实现的。信号解调出来以后，使用一个可编程的数字信号处理（DSP）器件进行处理。

由于模拟器件其操作方便性和通用性远不如数字编程序列，所以软件无线电的一个关键性步骤就是将A/D（和D/A）变换器尽量向射频端靠拢（如图5.34所示，大家注意一下AD变换装置在图5.33和图5.34中位置的变化）。另一点就是要应用宽带天线或多频段天线，并将整个中频频段作A/D变换，这之后整个的处理都用可编程数字器件特别是软件来实现。它的结构图显示在图5.35上。我们可以看出，这样一个体系结构具有非常大的通用性，对解决上面提到的问题有很大的潜力，可用来实现多频段、多调制方式和多址方式，构成多体制的通用无线通信系统。

图5.34　软件无线电接收装置

图5.35　软件无线电结构图

从图5.35中可以看出，所谓软件无线电，其关键思想是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等，用软件来完成，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。可以说这种无线收发信机是可用软件控制和再定义的无线收发信机，选用不同软件模块就可以实现不同的功能，而且软件可以升级更新。其硬件也可以像计算机一样不断地更新模块和升级换代。由于软件无线电的各种功能是用软件实现的，如果要实现新的业务或调制方式只要增加一个新的软件模块即可。同时，由于它能形成各种调制波形和通信协议，故还可以使得无线收发信机可以升级到新的制式，从而大大延长了无线收发信机的使用周期，也节约了成本开支。

在当前运营商的网络里，已经有不少设备支持软件无线电了。比如说中国移动TD二期招标，就要求所有厂家的设备可以支持TD-SCDMA平滑向TDD-LTE升级。

至此，我们就介绍完了TD-SCDMA的主要内容。由于同源于3GPP组织，TD-SCDMA和WCDMA采取了基本相似的网络结构、设备与接口命名、协议栈结构、扩频码生成方式（上下行所采用的码字数量不同）。

作为一个时分系统，TD-SCDMA非常注重时间同步，因此采用了GPS及北斗系统作为时间源。作为通信标准界的后起之秀，TD-SCDMA凭借一系列创新的技术跻身于3大国际标准之列，比如上行同步、智能天线、接力切换、多用户检测、动态分配信道等。

然而，TD-SCDMA作为中国自主创新的一个标杆，虽然成了国际主流标准，但是其设备成熟度、运营经验、普及程度还需要进一步提高，需要中国的各位通信同仁一同为之努力奋斗！