TD-SCDMA基站功放容量估算的探讨

1  引言

自2007年TD-SCDMA试验网扩大至8城市至今，TD-SCDMA已经在全国展开部署，并由中国移动正式商运营。一个移动通信网络的成功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密切相关，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，也是网络成功商用部署基础。在这些规格指标中，功放容量是个关键指标，关系着网络的覆盖与容量设计，以及未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发射功率，决定着基站的覆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，按照技术实现能力，当然越大越好，不会造成使用上的限制。但在实际使用中，因为话务负荷的高低和分布的不均匀性，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浪费和庞大的体积等，不利于网络的部署和运营。因此，研究功放容量估算原则的目的是为了得到满足网络覆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，覆盖和容量是任何制式的移动通信基站在制定其发射功率容量时必须考虑的因素，是功率开销估算时必须考虑的基本原则。

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，而仅与覆盖相关。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分配不同的码字区别，所有用户共享该载波的下行功率资源以及上行的干扰，由于码字之间不可能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分配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覆盖，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覆盖和容量之外，还需要考虑3G新业务和新技术的引入对功率的需求。

3  TD-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（2010~2025MHz）和C频段（2300~2400MHz）。目前，分配可用的频段为20MHz A频段（1880~1900MHz），整个B频段和50MHz的C频段（2320~2370MHz）。由分配的频段和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个特殊时隙。主时隙的TS0作为下行时隙，承载PCCPCH，SCCPCH，PICH等公共控制信道。迄今，仅主载波的主时隙TS0被用来承载公共控制信道，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，如果上行和下行按照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个特殊时隙分别为DwPts，GP和UpPts。DwPts是下行同步时隙，GP是上行和下行的保护时隙，UpPts是上行同步时隙。基于上述，对于功放容量需求的估算，就覆盖而言，不仅需要考虑满足覆盖要求时的业务的功率需求，也要考虑满足覆盖要求时

就容量而言，TD-SCDMA因采用智能天线和联合检测算法，可以在某种程度上消除大部分小区内的自干扰，小区间干扰控制在一定程度之下，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采用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所有用户的功率开销要求。从达到码道限制情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，满足其覆盖所需要的功率开销基本也能满足其容量所需要的功率开销，使用此类业务情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，如果按照覆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，功放容量显然被高估了，因为在真实网络中，一个小区某个载波上某时隙的所有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，不能忽视功率控制的影响。功率控制在CDMA系统中起着至关重要的作用，TD-SCDMA的功率控制与其他CDMA系统一样，也分为内环，外环和开环功控。其中开环功控决定用户初始接入的期望发射功率的大小，外环功控调整目标SIR，作为内环功控的参考。内环功率控制根据估计的SIR与目标SIR的关系，决定基站或者终端发射功率的升高或者降低。内环功率控制的速度200次/s，内环功控的步长为1dB，2dB和3dB。根据功控的特点，应在估算出的功放容量的最大基础上，考虑一定量的功放余量，以降低高负荷下因功率的调整导致总的发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+等各种新技术和未来技术演进，功放容量需支持各种新技术在不同阶段引入，以保证基站不会因为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。

除了覆盖、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。因为载波的增加意味着容量的扩大，对功放容量的需求必然增加。在多载波情况下，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，如果按照实际每个载波不同用户数和分布情况排列组合去估算功率消耗的需求，则过于复杂。按照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情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情况下的功率消耗。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，根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。

4  TD-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足业务和控制信道覆盖的要求。满足覆盖要求的功率估算须考虑以下两个方面：

（1）满足业务信道上下行链路平衡条件下的业务功率需求。

（2）满足各个控制信道覆盖要求条件下TS0时隙的总功率需求。

上下行链路的最大覆盖距离，或者说上下行链路的最大覆盖能力（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代表发射功率，G代表天线增益，Loss代表馈线损耗，S代表接收灵敏度。观察公式（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发射功率取值，公式（2）成立，则表示上行和下行链路覆盖能力的平衡，即链路平衡。理论上，信号在上行链路和下行链路经历的损耗是相同的，但由于基站与移动台的发射功率不同，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提供的允许信号克服在链路上传播经历的损耗的开销能力也不同，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覆盖范围因为上行和下行发射机和接收机指标的不同而不同。通常地，因为终端的发射功率是有限的，为了能够最大程度的达到系统的最大覆盖，减少网络建设的投资成本，CDMA系统的覆盖必须满足上行受限，即满足公式(3)：

      (3)

其中，PService_Cov_BTS即为满足覆盖要求时业务的功率开销需求。

在移动通信系统中，移动台通过控制信道读取系统消息，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，测量相邻小区的控制信道的信号强度，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，广播控制信道是连续发射的，其他控制信道与业务建立过程相关，是非连续发射的。控制信道与业务信道之间的覆盖平衡以业务信道中覆盖能力最弱的上行或者下行链路为参考，控制信道覆盖面应不大于此链路的覆盖能力，以保证业务覆盖的连续性。根据覆盖平衡原则，可推算出控制信道的最大发射功率需求，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，以保证业务自身的覆盖平衡。MAPL是Maximum Allowed Path Loss，即最大允许链路损耗。MAPLPCCPCH指的是控制信道的最大链路损耗，该损耗不大于业务的最大链路损耗，以保证控制与业务的覆盖平衡。MAPLPCCPCH最大值等于MAPLservice。PCov_PCCPCH是满足覆盖平衡时主公共控制信道需要的发射功率。

TD-SCDMA系统主载波TS0时隙上可配置的控制信道除了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即为满足业务与控制覆盖平衡时的TS0时隙需求的总发射功率。

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。

业务容量对下行发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即为满足系统容量条件下需求的基站总发射功率。

观察公式（10）可知，单用户的发射功率与基站的最大发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能力不同，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，因为公式（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，因为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非常有限，基于覆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，因为语音用户数量较多，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根据公式（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，取得所有小区的功率消耗，作为RRU功放容量的范围。研究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。通过赋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同情况下的功率开销。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，也可以按照公式做理论推算。

基于覆盖和容量分别估算出单载波下在满足覆盖或容量情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，满足最大覆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发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，按照200次/s调整上下行的发射功率，每次调整步长是1dB，2dB和3dB。通常在城区内环境，系统以1dB的步长进行功率的调整。在此类环境中，如果系统容量或覆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能力，造成阻塞。因此，在根据功率开销确定功放容量时，需要考虑一定的功控余量，通常考虑1~2dB的功控余量，以降低阻塞的几率（见图3）。



图3  功控余量

移动通信系统技术发展迅速，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，还需要考虑未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覆盖、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。功放容量最终根据基于上述6个因素估算出的功率开销决定。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，在给定参数取值的情况下，可以得到TD-SCDMA单载波下满足业务覆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），单载波语音满容量时的功率开销平均为25dBm，最大约为30dBm。由此可得到在单载波配置下的基站的功放容量应不小于33dBm。对于多载波基站，如9载波，此时载波数量（容量）增加导致功率开销增加，功率开销的范围为25~40dBm，综合覆盖与功控余量，功率消耗的范围为33~42dBm。功放容量既可以是33dBm，也可以是42dBm或者是两者之间的任何一个值。假设功放容量定位33dBm，那么当9个载波中的任意2个载波的容量接近满容量或者消耗的功率接近最大时，其他7个载波将因功率资源耗尽而无法接纳新业务的建立，已连接业务也会因功率消耗达到功放最大容量而增加掉话或者质量恶化的风险。如果功放容量定在42dBm，系统的业务保障性和可靠性最高。但这样会带来资源的浪费，因为所有载波同时达到满容量或者业务消耗功率达到最大的可能性在现实网络中比较小。从上面的例子也可以知道，随着载波数量的增加，决定功放容量大小的是系统容量而不是覆盖。

5  结束语

随着TD-SCDMA商用部署的逐渐扩大，对频段和新技术的需求越来越急迫，TD-SCDMA网络正向着多频段和多载波的方向发展，新技术如HSPA和HSPA+的引入都对TD-SCDMA基站的设计提出了挑战。在TD-SCDMA基站的规格设计中，载波数量与功放容量一直是最关键的技术指标。TD-SCDMA与WCDMA同属以CDMA为基础的第三代移动通信系统，两者虽存在技术上的差异，但WCDMA的功放容量的估算与设计的流程和方式仍可以为TD-SCDMA所参考和借鉴。诺基亚西门子公司在WCDMA的基站设计方面积累了大量的经验，并将之运用到TD-SCDMA中，开发并提供符合运营商需求和适应未来网络发展需求的新一代的TD-SCDMA基站，助力TD-SCDMA网络的大规模商业部署与运营。