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）