【无线射频通信】-TD-SCDMA基站功放容量估算的探讨

----宋停云与您分享--------宋停云与您分享----TD-SCDMA基站功放容量估算的探讨1引言

自2023年TD-SCDMA试验网扩大至8城市至今，TD-SCDMA已经在全国绽开部署，并由中国移动正式商运营。一个移动通信网络的胜利商用部署需要产品支持、网络规划、工程建设、网络优化和市场策略几个主要部分，其中产品规格性能与网络规划亲密相关，产品规格性能包括尺寸、重量、功耗、功放容量、射频指标、接口类型、防护等级等，这些规格指标是网络规划的基础，也是网络胜利商用部署基础。在这些规格指标中，功放容量是个关键指标，关系着网络的掩盖与容量设计，以及将来是否能够平滑地引入新的业务。

2功放容量估算的基本原则

功放容量即基站的最大放射功率，打算着基站的掩盖距离和能够承载的用户容量。基站规格设计中，功放容量的规格以估算业务功率开销作为参考确定。如不考虑各种限制因素，功放容量无须估算，根据技术实现力量，当然越大越好，不会造成使用上的限制。但在实际使用中，由于话务负荷的凹凸和分布的不匀称性，基站安装条件的限制和对能耗的要求等因素，过大的功放容量将导致资源的铺张和浩大的体积等，不利于网络的部署和运营。因此，讨论功放容量估算原则的目的是为了得到满意网络掩盖与容量等组网条件下最低的功率开销需求。

不同制式的移动通信系统，因无线接入技术和功放技术的不同，估算功率开销时考虑的因素也不同。其中，掩盖和容量是任何制式的移动通信基站在制定其放射功率容量时必需考虑的因素，是功率开销估算时必需考虑的基本原则。

GSM系统是基于频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）方式的无线接入系统，任一时刻，一个载波上仅有一个用户占用。在不考虑多载波功放技术（MCPA）的前提下，GSM每个载波对应一个功放单元，任一时刻载波上的功率资源始终是某个用户专用的。因此，GSM基站的功放容量的大小与用户容量和载波数量无关，而仅与掩盖相关。在多载波功放技术引入后，GSM基站的功放容量的需求与载波数量相关。

CDMA系统是基于FDMA和码分多址(CDMA)的无线通信系统，其无线接入是在频分多址的基础上再码分多址，同一载波上的用户通过安排不同的码字区分，全部用户共享该载波的下行功率资源以及上行的干扰，由于码字之间不行能100%正交，因此CDMA系统是个自干扰系统。基于上述特点，任一时刻某个用户所安排的功率不仅与该用户所处位置相关，也与其他用户产生的干扰相关，同时功放容量并不是某个用户独有，而是与其他用户共同享有，所以CDMA功放容量的确定不仅要考虑掩盖，还要考虑容量。

3G系统相比上述2G系统，在功放容量的规划设计中除了需要考虑掩盖和容量之外，还需要考虑3G新业务和新技术的引入对功率的需求。

3TD-SCDMA系统的技术特点

TD-SCDMA系统是基于频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)和空分多址(SDMA)的多种寻址技术有机结合的无线接入系统。

TD-SCDMA系统的载频带宽是1.6MHz，码片速率是1.28Mcps，规划的频段为A频段（1880~1920MHz），B频段（2023~2025MHz）和C频段（2300~2400MHz）。目前，安排可用的频段为20MHzA频段（1880~1900MHz），整个B频段和50MHz的C频段（2320~2370MHz）。由安排的频段和TD-SCDMA载频带宽可知，TD-SCDMA是个多载波的系统，系统通过载波的增加来扩展带宽和容量，这是系统的FDMA特点。

TD-SCDMA的帧长是10ms，分为2个5ms的无线子帧，每个子帧6400chip。如图2所示，每个子帧中有7个主时隙和3个特别时隙。主时隙的TS0作为下行时隙，承载PCCPCH，SCCPCH，PICH等公共掌握信道。迄今，仅主载波的主时隙TS0被用来承载公共掌握信道，其他辅载波的主时隙TS0并未使用。剩余的6个主时隙作为业务承载时隙，假如上行和下行根据2:4时隙配比，则TS1，TS2为上行时隙，TS3，TS4，TS5和TS6为下行时隙。时隙TS3为上下行时隙的转换点。3个特别时隙分别为DwPts，GP和UpPts。DwPts是下行同步时隙，GP是上行和下行的爱护时隙，UpPts是上行同步时隙。基于上述，对于功放容量需求的估算，就掩盖而言，不仅需要考虑满意掩盖要求时的业务的功率需求，也要考虑满意掩盖要求时

就容量而言，TD-SCDMA因采纳智能天线和联合检测算法，可以在某种程度上消退大部分小区内的自干扰，小区间干扰掌握在肯定程度之下，使得TD-SCDMA的容量限制表现为码道受限。容量达到码道限制时，一对上下行时隙能够承载8个CS12.2，或者2个PS64，或者2个CS64，或者1个PS128业务。TD-SCDMA本身也具备CDMA系统的特点，加之TD-SCDMA采纳时分寻址和频分多址的技术，功放容量应支持多载波下占用同一下行时隙的全部用户的功率开销要求。从达到码道限制状况下的每时隙的容量看，对于某些TD-SCDMA业务，如PS128或者PS384，甚至是PS64和CS64，满意其掩盖所需要的功率开销基本也能满意其容量所需要的功率开销，使用此类业务状况下的功放容量与其分布位置的相关性较差。但对于CS12.2这样的业务，每个时隙承载8个用户，假如根据掩盖的标准推算其满容量下的功放容量需求，即相当于将8个用户置于小区边缘，功放容量明显被高估了，由于在真实网络中，一个小区某个载波上某时隙的全部用户都处于小区边缘的可能性很小，也就是说，有用户处于小区边缘，但也有部分用户处于小区内。对于此类业务，功率消耗与用户的位置分布的相关性很大。

在功放容量需求的估算中，不能忽视功率掌握的影响。功率掌握在CDMA系统中起着至关重要的作用，TD-SCDMA的功率掌握与其他CDMA系统一样，也分为内环，外环和开环功控。其中开环功控打算用户初始接入的期望放射功率的大小，外环功控调整目标SIR，作为内环功控的参考。内环功率掌握依据估量的SIR与目标SIR的关系，打算基站或者终端放射功率的上升或者降低。内环功率掌握的速度200次/s，内环功控的步长为1dB，2dB和3dB。依据功控的特点，应在估算出的功放容量的最大基础上，考虑肯定量的功放余量，以降低高负荷下因功率的调整导致总的放射功率超过功放容量的概率。

作为第三代移动通信3G标准之一的TD-SCDMA，支持HSUPA，HSDPA，MBMS，HSPA+等各种新技术和将来技术演进，功放容量需支持各种新技术在不同阶段引入，以保证基站不会由于功率容量的限制而无法演进或者即使演进，也因功率容量小的问题而无法正常使用，影响网络的性能。

除了掩盖、容量、功控余量等因素之外，功放容量的估算还需要考虑载波数量的影响。由于载波的增加意味着容量的扩大，对功放容量的需求必定增加。在多载波状况下，每个载波在实际网络中消耗的功率可能相同也可能互不相同，与其承载的用户数和位置分布相关。功放容量需能够支撑各个载波功率消耗的和。但就功放容量估算而言，假如根据实际每个载波不同用户数和分布状况排列组合去估算功率消耗的需求，则过于简单。根据单载波能承载的最大容量估算功率的消耗，那么对多个载波而言，其最大需求的功放容量就是每个载波都承载了最大容量状况下的功率消耗的总和，其最低需求的功放容量是保证一个载波在承载最大容量状况下的功率消耗。因此，功放容量的估算应以单载波为基准，基于单载波功率消耗估算的基础上，依据功率资源管理的策略—功率均分或者功率共享，进一步估算多载波下的功放容量需求。

4TD-SCDMA功放容量需求的估算原则和方法

TD-SCDMA功放容量的估算首先需要考虑满意业务和掌握信道掩盖的要求。满意掩盖要求的功率估算须考虑以下两个方面：

（1）满意业务信道上下行链路平衡条件下的业务功率需求。

（2）满意各个掌握信道掩盖要求条件下TS0时隙的总功率需求。

上下行链路的最大掩盖距离，或者说上下行链路的最大掩盖力量（路径损耗）相等就是业务的上下行链路平衡。上下行链路平衡可以用公式（1）表示：

（1）

其中，P代表放射功率，G代表天线增益，Loss代表馈线损耗，S代表接收灵敏度。观看公式（1）可知，等号左右的一些参量是完全一样的，因此公式（1）可以进一步简化为公式（2）：

(2)

从公式（2）可以引申出链路平衡的应用范围，即上下行链路平衡不仅表示一个双向信道存在上下行链路平衡，也可表示不同信道间存在的上下行链路平衡。PService_Cov_BTS和PMS代表基站和移动台的最大放射功率取值，公式（2）成立，则表示上行和下行链路掩盖力量的平衡，即链路平衡。理论上，信号在上行链路和下行链路经受的损耗是相同的，但由于基站与移动台的放射功率不同，各自接收机的接收灵敏度也不同，上行链路和下行链路所能供应的允许信号克服在链路上传播经受的损耗的开销力量也不同，换句话说，就是上行链路和下行链路上信号传播的距离或者掩盖范围由于上行和下行放射机和接收机指标的不同而不同。通常地，由于终端的放射功率是有限的，为了能够最大程度的达到系统的最大掩盖，削减网络建设的成本，CDMA系统的掩盖必需满意上行受限，即满意公式(3)：

(3)

其中，PService_Cov_BTS即为满意掩盖要求时业务的功率开销需求。

在移动通信系统中，移动台通过掌握信道读取系统消息，获得所驻留小区的必要信息以用于漫游，侦听寻呼和建立呼叫。同时，移动台依据读取系统消息所获得的该小区的邻区信息，测量相邻小区的掌握信道的信号强度，作为小区重选和切换的判决依据。为了便于移动台获得系统信息，广播掌握信道是连续放射的，其他掌握信道与业务建立过程相关，是非连续放射的。掌握信道与业务信道之间的掩盖平衡以业务信道中掩盖力量最弱的上行或者下行链路为参考，掌握信道掩盖面应不大于此链路的掩盖力量，以保证业务掩盖的连续性。依据掩盖平衡原则，可推算出掌握信道的最大放射功率需求，参见公式（7）。

（4）

（5）

（6）

（7）

其中，MAPLService指的是可接受的业务的最大链路损耗，取该业务的上行和下行的最小链路损耗，以保证业务自身的掩盖平衡。MAPL是MaximumAllowedPathLoss，即最大允许链路损耗。MAPLPCCPCH指的是掌握信道的最大链路损耗，该损耗不大于业务的最大链路损耗，以保证掌握与业务的掩盖平衡。MAPLPCCPCH最大值等于MAPLservice。PCov_PCCPCH是满意掩盖平衡时主公共掌握信道需要的放射功率。

TD-SCDMA系统主载波TS0时隙上可配置的掌握信道除了PCCPCH，还可以配置SCCPCH，FPACH，PICH等。基于PCCPCH需求的功率，可以得到主载波TS0时隙需求的总功率，见公式（8）：

（8）

PTS0_Cov_BTS即为满意业务与掌握掩盖平衡时的TS0时隙需求的总放射功率。

从容量角度估算功率的开销，首先考虑单载波上业务容量对功放容量的需求，其次考虑多载波时载波数量对功放容量的需求。

业务容量对下行放射功率的开销需求通过如下基本公式（9）做理论推算：

（9）

其中，A表示智能天线的波束隔离因子，a表示小区内联合检测的效率，b表示小区外联合检测的效率，Lmean表示中值路损，Pur代表用户的功率开销需求，Ii表示小区内干扰，Ie表示小区外干扰。

公式（9）可进一步转换为公式（10）：

（10）

其中，f为干扰系数，是小区内外干扰比。PService_Cap_BTS即为满意系统容量条件下需求的基站总放射功率。

观看公式（10）可知，单用户的放射功率与基站的最大放射功率之间存在比例关系，其系数与解调门限、联合检测效率、路损和干扰系数相关，其中解调门限和联合检测效率可看做是常数，与设备实现相关。路损与干扰系数是个变量，路损与用户的位置相关，是个随机量，用户数越多，路损随机分布的影响越显著。干扰系数与用户位置、话务量和相邻小区的位置相关。路损与干扰系数取值不同，则得到的功率开销结果，即PService_Cap_BTS也在不同。

TD-SCDMA是第三代移动通信的标准之一，因此系统支持多样的3G特色业务，如视频业务、交互类数据业务、背景类数据业务等。系统承载不同业务的力量不同，如每个时隙仅能承载一对视频业务，或者一对PS64业务，或者一个PS128业务，或者8个语音业务。基于系统容量估算功率开销，首先需要确定业务类型，由于公式（10）中的路损与干扰都与用户的数量相关，而用户的数量又与其使用的业务类型相关。分析业务的容量特点可知，对于PS128单业务，PS64单业务和CS64单业务，由于时隙承载用户数量有限，用户分布对功率开销的影响相比语音业务而言要小的多，对功率开销的需求也小于语音业务。因此，对除语音而外的其他业务而言，因时隙承载的用户数特别有限，基于掩盖计算的功率开销可以近似视作基于容量的功率开销需求。相比较而言，由于语音用户数量较多，分布随机，随着用户增加其语音业务消耗的总功率增加，可将语音业务在满容量条件下的功率开销作为功放容量的需求。

基于系统容量的功率开销估算可以依据公式（10）做理论推导，也可以利用系统仿真平台进行功率开销的估算，究其实质而言，两者的差异对于实际产品规格的设定影响不大。系统仿真一般设定若干个小区，在由若干个小区组成的区域中建立业务并做随机分布，多次仿真之后，取得全部小区的功率消耗，作为RRU功放容量的范围。讨论系统仿真的过程可知，与理论推算相比，系统仿真虽然通过用户分布得到每个小区的功率开销需求，但就每个小区而言，与理论推导的原理一样，实际都是基于路损与本小区内外干扰变化的理论推算用户的功率开销，RRU总功率的开销需求就是所以承载用户的功率开销之和。通过给予路损和小区内外干扰系数不同的值，也可以视作是不同小区或者同一小区不怜悯况下的功率开销。从这个角度讲，基于容量的功率需求估算，在建立小区干扰系数模型后，也可以根据公式做理论推算。

基于掩盖和容量分别估算出单载波下在满意掩盖或容量状况下业务对功放容量的需求，分别为PService_Cov_BTS，PTS0_Cov_BTS和PService_Cap_BTS，那么单载波下最大功率的开销可由公式（11）确定：

（11）

多载波配置下，达到满容量下的最大功率开销的可由公式（12）确定：

（12）

多载波配置下，满意最大掩盖和容量条件下的最小和最大的功率开销分别是PSC_Consumed_Power和PMC_Consumed_Power，系统功率开销的范围是（PSC_Consumed_Power，PMC_Consumed_Power）。

业务的功率开销范围确定后，还需要考虑内环功控对功率开销的影响。内环功控的目的是以最合适的放射功率保证业务的质量，功率的调整时依据测业务信道的测量的信噪比与目标信噪比之间的关系，根据200次/s调整上下行的放射功率，每次调整步长是1dB，2dB和3dB。通常在城区内环境，系统以1dB的步进步行功率的调整。在此类环境中，假如系统容量或掩盖导致的功率消耗瞬间达到或者接近功放的最大容量，那么内环功率的连续调整（+）将可能导致超过功放的最大输出力量，造成堵塞。因此，在依据功率开销确定功放容量时，需要考虑肯定的功控余量，通常考虑1~2dB的功控余量，以降低堵塞的几率（见图3）。

图3功控余量

移动通信系统技术进展快速，各种新的业务和技术不断应用于网络中，如双极化天线，HSDPA，MBMS，HSPA+等的引入。为了保证产品的生命周期和网络演进的平滑稳定，还需要考虑将来新技术的引入对功率开销的影响。

综上而言，TD-SCDMA系统功率开销的估算需要考虑的主要因素有掩盖、容量、载波数量、功率管理算法、功控余量、新技术引入这个6个方面。功放容量最终依据基于上述6个因素估算出的功率开销打算。从上述过程可以知道，因功率开销与环境业务，分布等多种因素相关，功率开销不是确定的数值，而是一个范围。比如，在给定参数取值的状况下，可以得到TD-SCDMA单载波下满意业务掩盖时的最大功率开销约为27dBm，TS0需要的功率开销大约为33dBm（假设配置码道为2个PCCPCH，4个SCCPCH，2个PICH，1个FPACH），单载波语音