论山寨手机与 Android【11】移动网络规范的合纵连横

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2010-03-11 15:02

上一章我们讨论了 SmartPhone BP 部分的硬件系统,接下去我们将讨论 SmartPhone BP 部分的软件系统。所谓 BP,指的是基带处理器(Baseband Processor),又称为通讯处理器(Communication Processor,CP),顾名思义,BP 部分负责 SmartPhone 的通信机制。

作为手机的通信机制,BP 部分尤其是软件系统,与移动网络的进化密不可分。2G 时代的移动网络,主要分为两个家族,GSM 和 CDMAOne[1]。从 1985 年,ITU 启动了制订 3G 移动通信系统规范的工作,到 1999 年,历时 14 年,国际电讯联盟(International Telecommunication Union)ITU 终于批准了四个 3G 移动网络规范,GSM/EDGE,UMTS,CDMA2000 和 DECT,总称 IMT-2000,开启了 3G 时代,3G 成为 IMT-2000 的代名词。2007 年,ITU 又批准了 WiMAX,至此 IMT-2000 共有五个 3G 规范 [2]。

之所以出现多个规范并存的局面,根本原因在于采用什么样的无线射频技术来传递信息,多种技术可以完成同一个任务,而每种技术都各有长短,没有哪一个技术能够以压倒性的优势胜出,所以出现群雄争霸的局面。

移动网络要解决的核心问题,是同时支持多个手机用户双向通信,这里的关键词有两个,1. 多个手机同时通信,即 Multiple Access(MA),中文译作 “多址”。2. 通信双方是双向通信,而不是广播那样我说你听,即 Double Duplex,中文译作 “双向双工”。

移动通信典型的多址接入方式有三种,频分多址(FDMA),时分多址(TDMA),和码分多址(CDMA)。FDMA 的基本思路,是把可用频谱分割成若干频 段,每个说话的人独占一个频段。当然这是个粗略的形象的说法,通信的内容不完全是语音,而且也包括数据包,例如短信彩信和互联网的接入。另外,通信的主体不是人,而是手机或者基站。

TDMA 的基本思路,是把同一个频段,分成若干时段,大家轮流发言,但每个时段只允许一个人发言。FDMA 和 TDMA 可以混合使用,例如先把整个可用频谱分成若干频段,这是 FD 的做法,而每个频段实行分时制,这是 TD 的做法。

CDMA 与 TDMA 相似,大家共用一个频段,但是不同于 TDMA 的分时制,CDMA 以编码(Code)来区别不同人的发言,相当于每个人在发言前,先出示自己的名牌,但是发言时间的长短不一。CDMA 技术要比前两者复杂,原因有二,1. 需要把同一个频段的七嘴八舌的发言记录,按不同的发言人切割,然后把同一个人的发言碎片拼接到一起,2. 挤在同一个频段说话的人太多了,会相互干扰,所以需要扩频,也就是把说话人分散到不同的频段中去。与 FD 不同,每个频段不让一个人或者几个人独享,而是见 缝插针,动态地分配,以便均摊在各个频段说话的人数。这个技术叫扩频(Spread Spectrum,SS),而扩频又存在多种实现方式,例如直扩扩频(DSSS)和跳频扩频(FHSS)等等。

双向双工的实现方式,与多址接入相似,也是在频段和时段上想办法。通常把从手机到基站的通信通道称为上行(Uplink),基站到手机的通信通道叫下行(Downlink)。对于 语音通信来说,上行和下行的流量基本持平。但是对于数据通信来说,下行流量远远大于上行流量,这是因为看贴的人次远远超过发贴的人次。对于 3G 来说,数据通信的份量很重,所以要保证下行的带宽大于上行的带宽。

频分双工(FDD)把整个可用频谱分成若干频段。对于数据通信,FDD 把多数频段分配给下行,少数留给上行。对于语音通话业务,FDD 给每部手机都分配两个频段,一个给上行,另一个给下行。时分双工(TDD)实施分时制,根据上行和下行的流量,按需分配时段。在 3G 时代,不对称的数据通信业务造成不对称的时段分配,更多时段分配给了下行,而只有少数时段留给了上行。码分双工(CDD)理论上是可能的,但是或许是因为技术太复杂,所以至今没有成为现实。

FDD 擅长连续控制,适应于大区制的国家内部通信,和国际间漫游,适合于对称业务如话音通话等等,适应于手机快速移动的场景。根据 ITU 对 3G 的要求,使用 FDD 的手机的最高移动速度可达 500KM/h,而采用 TDD 的手机的最高移动速度只有 120KM/h。两者相比,TDD 系统明显稍逊一筹。 TDD 的优势在于,适应于在人口高密度地区支持更多人同时通信,适应于不对称的数据业务,例如互联网的接入 [3, ch 1]。

GSM 网络,多址接入方式是 TDMA,双向双工方式是 FDD。最初的 GSM 网络,基本上是一个电路交换网络(Circuit Switched),只能提供语音和短信(SMS)服务。GSM 的数据率只有 9.6kb/s。为了满足互联网接入和电子邮件之类的数据业务的需求,在 GSM 网络基础上增添了分组交换(Packet Switched)子网,这个子网被称为 GPRS 网络。GPRS 是 GSM Phase2.1 制订的规范,被称为 2.5G,数据率可以达到 171.2kb/s。以往短信是通过 GSM 核心网的 SS7 信令系统来传输,有了 GPRS 网络以后,短信(SMS)业务也可以经 GPRS 网络传输。2.5G 的 GSM/GPRS 网络,仍然采用 TDMA 多址接入和 FDD 双向双工,但是考虑到数据流可以方便地被切割成等长的包,所以对 TDMA 和 FDD 做了一些改进,提高数据包传输效率。后来对 GPRS 又做了进一步的改进,被称为 EDGE,称为 2.75G[4]。

源于 GSM/GPRS 的 3G 网络规范,统称为 UMTS,意思是世界移动通信系统(Universal Mobile Telecommunications System)。UMTS 的概念早在 1987 年就正式提出了。实现 3G 的技术方案有很多,例如 W-CDMA 是日本从 1993 年开始研究的 3G 方案。到了 1997 年,意见渐渐趋同,对于多址接入方式,大家都认同 CDMA,分歧之处在于双向双工,FDD 与 TDD 两种方案难分仲伯。赞同 FDD 的有欧洲的 UTRA WCDMA 和日本的 W-CDMA。1998 年,它们融合为现在的 WCDMA 系统,成为强势候选方案。赞同 TDD 的有 TD-CDMA,沦为弱势 [5, pp46-47]。

1998 年,经 ITU 批准,成立了国际标准化组织 3GPP(3G Partnership Project),负责把源于 GSM 的 2G 网络逐步进化成 3G 网络,项目组的重点任务是设计与这个进化过程相关的各种 UMTS 系列网络规范。3GPP 项目组,由多个地区工作组组成,中国区工作组是中国通信标准化协会(CCSA)[6]。在成立 3GPP 项目组的同时,ITU 又批准成立了 3GPP2 项目组,负责把源于 CDMAOne 的 2G 网络逐步进化成 3G 网络。

3GPP 项目组制订的 UMTS 3G 网络规范,包括 WCDMA,以及 TD-CDMA 和 TD-SCDMA 三种。如果不特别注明,UMTS 规范通常指的是 WCDMA,它采用 FDD 方式的双向双工。而 TD-CDMA 采用 TDD 方式的双向双工,现在已经逐渐淡出。WCDMA 的知识产权,主要把持在美国 Qualcomm 公司手里。中国通过多年努力,在技术上积累了不少创新,同时也出于反垄断的需要,申报了 TD-SCDMA 规范,并于 2001 年获得 3GPP 以及 ITU 的认可,被接纳在 UMTS Release 4 规范中 [7]。TD-SCDMA 的双向双工,采用 TDD 方式。

后 3G 时代,3GPP 项目组不断更新 UMTS 规范,称为 Release 99,Release 4,5,6 等等,最新的版本是 2010 年 2 月份发布的 Release 10。每个版本除了改进旧版的技术以外,而且还增添了新的功能和技术,其中包括对于数据传输部分的改进,HSUPA/HSDPA,以及 HSPA+,它们被称为 3.5G 以及 3.75G。3G 时代结束后,将开始普及 LTE,WiMax 等等网络,也就是 4G 网络 [8]。

如前所述,2G 网络中与 GSM/GRPS 对应的,是 CDMAOne。3GPP2 项目组负责设计一系列网络规范,把 CDMAOne 逐步进化成 3G 网络。其进化历程是,CDMAOne(2G),CDMA2000 1xRTT(2.75G),和 CDMA2000 1xEVDO(3G)。EVDO 以后,大部分 CDMA 网络转向 WCDMA/HSPA[8]。

2000 年日本 NTT DoCoMo 公司率先实现了 3G 网络的商业化。2001 年,韩国 SK Telecom 和 KT 两家公司也先后完成 3G 网络的商业化。但是它们使用的是不同的 3G 规范。日本 NTT DoCoMo 使用的是 WCDMA,属于 UMTS 系列。而韩国 SK 和 KT 两家公司,使用的都是 1xEVDO,属于 CDMA2000 系列。

2009 年 1 月 7 日,中国工信部发放三张 3G 牌照,中国移动用 TD-SCDMA,中国电信用 CMDA2000,中国联通用 WCDMA,其中 TD- SCDMA 是中国 拥有自主产权的 3G 技术标准,见 Figure 11.1。从技术上讲,WCDMA 最稳健,TD-SCDMA 最爱国,而 CDMA2000 最没前途 [9]。

Figure 11.1 中国 3G 格局 [9]
Courtesy http://pic.enorth.com.cn/0/05/72/55/5725526_092238.jpg

Reference,

[1] Introduction to 2G Wireless Network. (http://en.wikipedia.org/wiki/2G)
[2] Introduction to 3G Wireless Network. (http://en.wikipedia.org/wiki/3G)
[3] 3G Wireless Network, 2′nd Edition. ISBN-13: 978-0-07-226344-2.
[4] Introduction to GSM/EDGE.
(http://en.wikipedia.org/wiki/Enhanced_Data_Rates_for_GSM_Evolution)
[5] UMTS 网络技术. ISBN: 7121012006.
[6] Introduction to 3GPP. (http://en.wikipedia.org/wiki/3GPP)
[7] Introduction to TD-SCDMA. (http://en.wikipedia.org/wiki/TD-SCDMA)
[8] Introduction to UMTS. (http://en.wikipedia.org/wiki/UMTS)
[9] 中国 3G 格局。(http://news.enorth.com.cn/system/2009/01/07/003854399.shtml)

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