论山寨手机与Android 【11】移动网络规范的合纵连横

　　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）