TD-SCDMA基站功放容量估算的探討

1 引言

自2007年TD-SCDMA試驗網(wǎng)擴大至8城市至今，TD-SCDMA已經(jīng)在全國展開部署，并由中國移動正式商運營。一個移動通信網(wǎng)絡(luò)的成功商用部署需要產(chǎn)品支持、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、工程建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和市場策略幾個主要部分，其中產(chǎn)品規(guī)格性能與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃密切相關(guān)，產(chǎn)品規(guī)格性能包括尺寸、重量、功耗、功放容量、射頻指標、接口類型、防護等級等，這些規(guī)格指標是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的基礎(chǔ)，也是網(wǎng)絡(luò)成功商用部署基礎(chǔ)。在這些規(guī)格指標中，功放容量是個關(guān)鍵指標，關(guān)系著網(wǎng)絡(luò)的覆蓋與容量設(shè)計，以及未來是否能夠平滑地引入新的業(yè)務(wù)。

2 功放容量估算的基本原則

功放容量即基站的最大發(fā)射功率，決定著基站的覆蓋距離和能夠承載的用戶容量?；疽?guī)格設(shè)計中，功放容量的規(guī)格以估算業(yè)務(wù)功率開銷作為參考確定。如不考慮各種限制因素，功放容量無須估算，按照技術(shù)實現(xiàn)能力，當(dāng)然越大越好，不會造成使用上的限制。但在實際使用中，因為話務(wù)負荷的高低和分布的不均勻性，基站安裝條件的限制和對能耗的要求等因素，過大的功放容量將導(dǎo)致資源的浪費和龐大的體積等，不利于網(wǎng)絡(luò)的部署和運營。因此，研究功放容量估算原則的目的是為了得到滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋與容量等組網(wǎng)條件下最低的功率開銷需求。

不同制式的移動通信系統(tǒng)，因無線接入技術(shù)和功放技術(shù)的不同，估算功率開銷時考慮的因素也不同。其中，覆蓋和容量是任何制式的移動通信基站在制定其發(fā)射功率容量時必須考慮的因素，是功率開銷估算時必須考慮的基本原則。

GSM系統(tǒng)是基于頻分多址（FDMA）和時分多址（TDMA）方式的無線接入系統(tǒng)，任一時刻，一個載波上僅有一個用戶占用。在不考慮多載波功放技術(shù)（MCPA）的前提下，GSM每個載波對應(yīng)一個功放單元，任一時刻載波上的功率資源始終是某個用戶專用的。因此，GSM基站的功放容量的大小與用戶容量和載波數(shù)量無關(guān)，而僅與覆蓋相關(guān)。在多載波功放技術(shù)引入后，GSM基站的功放容量的需求與載波數(shù)量相關(guān)。

CDMA系統(tǒng)是基于FDMA和碼分多址(CDMA)的無線通信系統(tǒng)，其無線接入是在頻分多址的基礎(chǔ)上再碼分多址，同一載波上的用戶通過分配不同的碼字區(qū)別，所有用戶共享該載波的下行功率資源以及上行的干擾，由于碼字之間不可能100%正交，因此CDMA系統(tǒng)是個自干擾系統(tǒng)。基于上述特點，任一時刻某個用戶所分配的功率不僅與該用戶所處位置相關(guān)，也與其他用戶產(chǎn)生的干擾相關(guān)，同時功放容量并不是某個用戶獨有，而是與其他用戶共同享有，所以CDMA功放容量的確定不僅要考慮覆蓋，還要考慮容量。

3G系統(tǒng)相比上述2G系統(tǒng)，在功放容量的規(guī)劃設(shè)計中除了需要考慮覆蓋和容量之外，還需要考慮3G新業(yè)務(wù)和新技術(shù)的引入對功率的需求。

3 TD-SCDMA系統(tǒng)的技術(shù)特點

如圖1所示，TD-SCDMA 系統(tǒng)是基于頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)和空分多址(SDMA)的多種尋址技術(shù)有機結(jié)合的無線接入系統(tǒng)。



圖1 TD-SCDMA多址方式示意圖

TD-SCDMA系統(tǒng)的載頻帶寬是1.6MHz，碼片速率是1.28Mcps，規(guī)劃的頻段為A頻段（1880~1920MHz），B頻段（2010~2025MHz）和C頻段（2300~2400MHz）。目前，分配可用的頻段為20MHz A頻段（1880~1900MHz），整個B頻段和50MHz的C頻段（2320~2370MHz）。由分配的頻段和TD-SCDMA載頻帶寬可知，TD-SCDMA是個多載波的系統(tǒng)，系統(tǒng)通過載波的增加來擴展帶寬和容量，這是系統(tǒng)的FDMA特點。

TD-SCDMA的幀長是10ms，分為2個5ms的無線子幀，每個子幀6400chip。如圖2所示，每個子幀中有7個主時隙和3個特殊時隙。主時隙的TS0作為下行時隙，承載PCCPCH，SCCPCH，PICH等公共控制信道。迄今，僅主載波的主時隙TS0被用來承載公共控制信道，其他輔載波的主時隙TS0并未使用。剩余的6個主時隙作為業(yè)務(wù)承載時隙，如果上行和下行按照2:4時隙配比，則TS1，TS2為上行時隙，TS3，TS4，TS5和TS6為下行時隙。時隙TS3為上下行時隙的轉(zhuǎn)換點。3個特殊時隙分別為DwPts，GP和UpPts。DwPts是下行同步時隙，GP是上行和下行的保護時隙，UpPts是上行同步時隙?；谏鲜?，對于功放容量需求的估算，就覆蓋而言，不僅需要考慮滿足覆蓋要求時的業(yè)務(wù)的功率需求，也要考慮滿足覆蓋要求時控制信道所在的主載波TS0時隙的功率需求。這點與其他系統(tǒng)不同。



圖2 TD-SCDMA無線幀結(jié)構(gòu)示意圖

就容量而言，TD-SCDMA因采用智能天線和聯(lián)合檢測算法，可以在某種程度上消除大部分小區(qū)內(nèi)的自干擾，小區(qū)間干擾控制在一定程度之下，使得TD-SCDMA的容量限制表現(xiàn)為碼道受限。容量達到碼道限制時，一對上下行時隙能夠承載8個CS12.2，或者2個PS64，或者2個CS64，或者1個PS128業(yè)務(wù)。TD-SCDMA本身也具備CDMA系統(tǒng)的特點，加之TD-SCDMA采用時分尋址和頻分多址的技術(shù)，功放容量應(yīng)支持多載波下占用同一下行時隙的所有用戶的功率開銷要求。從達到碼道限制情況下的每時隙的容量看，對于某些TD-SCDMA業(yè)務(wù)，如PS128或者PS384，甚至是PS64和CS64，滿足其覆蓋所需要的功率開銷基本也能滿足其容量所需要的功率開銷，使用此類業(yè)務(wù)情況下的功放容量與其分布位置的相關(guān)性較差。但對于CS12.2這樣的業(yè)務(wù)，每個時隙承載8個用戶，如果按照覆蓋的標準推算其滿容量下的功放容量需求，即相當(dāng)于將8個用戶置于小區(qū)邊緣，功放容量顯然被高估了，因為在真實網(wǎng)絡(luò)中，一個小區(qū)某個載波上某時隙的所有用戶都處于小區(qū)邊緣的可能性很小，也就是說，有用戶處于小區(qū)邊緣，但也有部分用戶處于小區(qū)內(nèi)。對于此類業(yè)務(wù)，功率消耗與用戶的位置分布的相關(guān)性很大。

在功放容量需求的估算中，不能忽視功率控制的影響。功率控制在CDMA系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，TD-SCDMA的功率控制與其他CDMA系統(tǒng)一樣，也分為內(nèi)環(huán)，外環(huán)和開環(huán)功控。其中開環(huán)功控決定用戶初始接入的期望發(fā)射功率的大小，外環(huán)功控調(diào)整目標SIR，作為內(nèi)環(huán)功控的參考。內(nèi)環(huán)功率控制根據(jù)估計的SIR與目標SIR的關(guān)系，決定基站或者終端發(fā)射功率的升高或者降低。內(nèi)環(huán)功率控制的速度200次/s，內(nèi)環(huán)功控的步長為1dB，2dB和3dB。根據(jù)功控的特點，應(yīng)在估算出的功放容量的最大基礎(chǔ)上，考慮一定量的功放余量，以降低高負荷下因功率的調(diào)整導(dǎo)致總的發(fā)射功率超過功放容量的概率。

作為第三代移動通信3G標準之一的TD-SCDMA，支持HSUPA，HSDPA，MBMS，HSPA+等各種新技術(shù)和未來技術(shù)演進，功放容量需支持各種新技術(shù)在不同階段引入，以保證基站不會因為功率容量的限制而無法演進或者即使演進，也因功率容量小的問題而無法正常使用，影響網(wǎng)絡(luò)的性能。

除了覆蓋、容量、功控余量等因素之外，功放容量的估算還需要考慮載波數(shù)量的影響。因為載波的增加意味著容量的擴大，對功放容量的需求必然增加。在多載波情況下，每個載波在實際網(wǎng)絡(luò)中消耗的功率可能相同也可能互不相同，與其承載的用戶數(shù)和位置分布相關(guān)。功放容量需能夠支撐各個載波功率消耗的和。但就功放容量估算而言，如果按照實際每個載波不同用戶數(shù)和分布情況排列組合去估算功率消耗的需求，則過于復(fù)雜。按照單載波能承載的最大容量估算功率的消耗，那么對多個載波而言，其最大需求的功放容量就是每個載波都承載了最大容量情況下的功率消耗的總和，其最低需求的功放容量是保證一個載波在承載最大容量情況下的功率消耗。因此，功放容量的估算應(yīng)以單載波為基準，基于單載波功率消耗估算的基礎(chǔ)上，根據(jù)功率資源管理的策略—功率均分或者功率共享，進一步估算多載波下的功放容量需求。

4 TD-SCDMA功放容量需求的估算原則和方法

TD-SCDMA功放容量的估算首先需要考慮滿足業(yè)務(wù)和控制信道覆蓋的要求。滿足覆蓋要求的功率估算須考慮以下兩個方面：

（1）滿足業(yè)務(wù)信道上下行鏈路平衡條件下的業(yè)務(wù)功率需求。

（2）滿足各個控制信道覆蓋要求條件下TS0時隙的總功率需求。

上下行鏈路的最大覆蓋距離，或者說上下行鏈路的最大覆蓋能力（路徑損耗）相等就是業(yè)務(wù)的上下行鏈路平衡。上下行鏈路平衡可以用公式（1）表示：

（1）

其中，P代表發(fā)射功率，G代表天線增益，Loss代表饋線損耗，S代表接收靈敏度。觀察公式（1）可知，等號左右的一些參量是完全一樣的，因此公式（1）可以進一步簡化為公式（2）：

(2)

從公式（2）可以引申出鏈路平衡的應(yīng)用范圍，即上下行鏈路平衡不僅表示一個雙向信道存在上下行鏈路平衡，也可表示不同信道間存在的上下行鏈路平衡。PService_Cov_BTS和PMS代表基站和移動臺的最大發(fā)射功率取值，公式（2）成立，則表示上行和下行鏈路覆蓋能力的平衡，即鏈路平衡。理論上，信號在上行鏈路和下行鏈路經(jīng)歷的損耗是相同的，但由于基站與移動臺的發(fā)射功率不同，各自接收機的接收靈敏度也不同，上行鏈路和下行鏈路所能提供的允許信號克服在鏈路上傳播經(jīng)歷的損耗的開銷能力也不同，換句話說，就是上行鏈路和下行鏈路上信號傳播的距離或者覆蓋范圍因為上行和下行發(fā)射機和接收機指標的不同而不同。通常地，因為終端的發(fā)射功率是有限的，為了能夠最大程度的達到系統(tǒng)的最大覆蓋，減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資成本，CDMA系統(tǒng)的覆蓋必須滿足上行受限，即滿足公式(3)：

(3)

其中，PService_Cov_BTS即為滿足覆蓋要求時業(yè)務(wù)的功率開銷需求。

在移動通信系統(tǒng)中，移動臺通過控制信道讀取系統(tǒng)消息，獲得所駐留小區(qū)的必要信息以用于漫游，偵聽尋呼和建立呼叫。同時，移動臺依據(jù)讀取系統(tǒng)消息所獲得的該小區(qū)的鄰區(qū)信息，測量相鄰小區(qū)的控制信道的信號強度，作為小區(qū)重選和切換的判決依據(jù)。為了便于移動臺獲得系統(tǒng)信息，廣播控制信道是連續(xù)發(fā)射的，其他控制信道與業(yè)務(wù)建立過程相關(guān)，是非連續(xù)發(fā)射的。控制信道與業(yè)務(wù)信道之間的覆蓋平衡以業(yè)務(wù)信道中覆蓋能力最弱的上行或者下行鏈路為參考，控制信道覆蓋面應(yīng)不大于此鏈路的覆蓋能力，以保證業(yè)務(wù)覆蓋的連續(xù)性。根據(jù)覆蓋平衡原則，可推算出控制信道的最大發(fā)射功率需求，參見公式（7）。

（4）

（5）

（6）

（7）

其中，MAPLService指的是可接受的業(yè)務(wù)的最大鏈路損耗，取該業(yè)務(wù)的上行和下行的最小鏈路損耗，以保證業(yè)務(wù)自身的覆蓋平衡。MAPL是Maximum Allowed Path Loss，即最大允許鏈路損耗。MAPLPCCPCH指的是控制信道的最大鏈路損耗，該損耗不大于業(yè)務(wù)的最大鏈路損耗，以保證控制與業(yè)務(wù)的覆蓋平衡。MAPLPCCPCH最大值等于MAPLservice。PCov_PCCPCH是滿足覆蓋平衡時主公共控制信道需要的發(fā)射功率。

TD-SCDMA系統(tǒng)主載波TS0時隙上可配置的控制信道除了PCCPCH，還可以配置SCCPCH，F(xiàn)PACH，PICH等。基于PCCPCH需求的功率，可以得到主載波TS0時隙需求的總功率，見公式（8）：

（8）

PTS0_Cov_BTS即為滿足業(yè)務(wù)與控制覆蓋平衡時的TS0時隙需求的總發(fā)射功率。

從容量角度估算功率的開銷，首先考慮單載波上業(yè)務(wù)容量對功放容量的需求，其次考慮多載波時載波數(shù)量對功放容量的需求。

業(yè)務(wù)容量對下行發(fā)射功率的開銷需求通過如下基本公式（9）做理論推算：

（9）

其中，A表示智能天線的波束隔離因子，a表示小區(qū)內(nèi)聯(lián)合檢測的效率，b表示小區(qū)外聯(lián)合檢測的效率，Lmean表示中值路損，Pur代表用戶的功率開銷需求，Ii表示小區(qū)內(nèi)干擾，Ie表示小區(qū)外干擾。

公式（9）可進一步轉(zhuǎn)換為公式（10）：

（10）

其中，f為干擾系數(shù)，是小區(qū)內(nèi)外干擾比。PService_Cap_BTS即為滿足系統(tǒng)容量條件下需求的基站總發(fā)射功率。

觀察公式（10）可知，單用戶的發(fā)射功率與基站的最大發(fā)射功率之間存在比例關(guān)系，其系數(shù)與解調(diào)門限、聯(lián)合檢測效率、路損和干擾系數(shù)相關(guān)，其中解調(diào)門限和聯(lián)合檢測效率可看做是常數(shù)，與設(shè)備實現(xiàn)相關(guān)。路損與干擾系數(shù)是個變量，路損與用戶的位置相關(guān)，是個隨機量，用戶數(shù)越多，路損隨機分布的影響越顯著。干擾系數(shù)與用戶位置、話務(wù)量和相鄰小區(qū)的位置相關(guān)。路損與干擾系數(shù)取值不同，則得到的功率開銷結(jié)果，即PService_Cap_BTS也在不同。

TD-SCDMA是第三代移動通信的標準之一，因此系統(tǒng)支持多樣的3G特色業(yè)務(wù)，如視頻業(yè)務(wù)、交互類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、背景類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。系統(tǒng)承載不同業(yè)務(wù)的能力不同，如每個時隙僅能承載一對視頻業(yè)務(wù)，或者一對PS64業(yè)務(wù)，或者一個PS128業(yè)務(wù)，或者8個語音業(yè)務(wù)?；谙到y(tǒng)容量估算功率開銷，首先需要確定業(yè)務(wù)類型，因為公式（10）中的路損與干擾都與用戶的數(shù)量相關(guān)，而用戶的數(shù)量又與其使用的業(yè)務(wù)類型相關(guān)。分析業(yè)務(wù)的容量特點可知，對于PS128單業(yè)務(wù)，PS64單業(yè)務(wù)和CS64單業(yè)務(wù)，因為時隙承載用戶數(shù)量有限，用戶分布對功率開銷的影響相比語音業(yè)務(wù)而言要小的多，對功率開銷的需求也小于語音業(yè)務(wù)。因此，對除語音而外的其他業(yè)務(wù)而言，因時隙承載的用戶數(shù)非常有限，基于覆蓋計算的功率開銷可以近似視作基于容量的功率開銷需求。相比較而言，因為語音用戶數(shù)量較多，分布隨機，隨著用戶增加其語音業(yè)務(wù)消耗的總功率增加，可將語音業(yè)務(wù)在滿容量條件下的功率開銷作為功放容量的需求。

基于系統(tǒng)容量的功率開銷估算可以根據(jù)公式（10）做理論推導(dǎo)，也可以利用系統(tǒng)仿真平臺進行功率開銷的估算，究其實質(zhì)而言，兩者的差異對于實際產(chǎn)品規(guī)格的設(shè)定影響不大。系統(tǒng)仿真一般設(shè)定若干個小區(qū)，在由若干個小區(qū)組成的區(qū)域中建立業(yè)務(wù)并做隨機分布，多次仿真之后，取得所有小區(qū)的功率消耗，作為RRU功放容量的范圍。研究系統(tǒng)仿真的過程可知，與理論推算相比，系統(tǒng)仿真雖然通過用戶分布得到每個小區(qū)的功率開銷需求，但就每個小區(qū)而言，與理論推導(dǎo)的原理一樣，實際都是基于路損與本小區(qū)內(nèi)外干擾變化的理論推算用戶的功率開銷，RRU總功率的開銷需求就是所以承載用戶的功率開銷之和。通過賦予路損和小區(qū)內(nèi)外干擾系數(shù)不同的值，也可以視作是不同小區(qū)或者同一小區(qū)不同情況下的功率開銷。從這個角度講，基于容量的功率需求估算，在建立小區(qū)干擾系數(shù)模型后，也可以按照公式做理論推算。

基于覆蓋和容量分別估算出單載波下在滿足覆蓋或容量情況下業(yè)務(wù)對功放容量的需求，分別為PService_Cov_BTS，PTS0_Cov_BTS和PService_Cap_BTS，那么單載波下最大功率的開銷可由公式（11）確定：

（11）

多載波配置下，達到滿容量下的最大功率開銷的可由公式（12）確定：

（12）

多載波配置下，滿足最大覆蓋和容量條件下的最小和最大的功率開銷分別是PSC_Consumed_Power和PMC_Consumed_Power，系統(tǒng)功率開銷的范圍是（PSC_Consumed_Power， PMC_Consumed_Power）。

業(yè)務(wù)的功率開銷范圍確定后，還需要考慮內(nèi)環(huán)功控對功率開銷的影響。內(nèi)環(huán)功控的目的是以最合適的發(fā)射功率保證業(yè)務(wù)的質(zhì)量，功率的調(diào)整時依據(jù)測業(yè)務(wù)信道的測量的信噪比與目標信噪比之間的關(guān)系，按照200次/s調(diào)整上下行的發(fā)射功率，每次調(diào)整步長是1dB，2dB和3dB。通常在城區(qū)內(nèi)環(huán)境，系統(tǒng)以1dB的步長進行功率的調(diào)整。在此類環(huán)境中，如果系統(tǒng)容量或覆蓋導(dǎo)致的功率消耗瞬間達到或者接近功放的最大容量，那么內(nèi)環(huán)功率的連續(xù)調(diào)整（+）將可能導(dǎo)致超過功放的最大輸出能力，造成阻塞。因此，在根據(jù)功率開銷確定功放容量時，需要考慮一定的功控余量，通?？紤]1~2dB的功控余量，以降低阻塞的幾率（見圖3）。



圖3 功控余量

移動通信系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展迅速，各種新的業(yè)務(wù)和技術(shù)不斷應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)中，如雙極化天線，HSDPA，MBMS，HSPA+等的引入。為了保證產(chǎn)品的生命周期和網(wǎng)絡(luò)演進的平滑穩(wěn)定，還需要考慮未來新技術(shù)的引入對功率開銷的影響。

綜上而言，TD-SCDMA系統(tǒng)功率開銷的估算需要考慮的主要因素有覆蓋、容量、載波數(shù)量、功率管理算法、功控余量、新技術(shù)引入這個6個方面。功放容量最終根據(jù)基于上述6個因素估算出的功率開銷決定。從上述過程可以知道，因功率開銷與環(huán)境業(yè)務(wù)，分布等多種因素相關(guān)，功率開銷不是確定的數(shù)值，而是一個范圍。比如，在給定參數(shù)取值的情況下，可以得到TD-SCDMA單載波下滿足業(yè)務(wù)覆蓋時的最大功率開銷約為27dBm，TS0需要的功率開銷大約為33dBm（假設(shè)配置碼道為2個PCCPCH，4個SCCPCH，2個PICH，1個FPACH），單載波語音滿容量時的功率開銷平均為25dBm，最大約為30dBm。由此可得到在單載波配置下的基站的功放容量應(yīng)不小于33dBm。對于多載波基站，如9載波，此時載波數(shù)量（容量）增加導(dǎo)致功率開銷增加，功率開銷的范圍為25~40dBm，綜合覆蓋與功控余量，功率消耗的范圍為33~42dBm。功放容量既可以是33dBm，也可以是42dBm或者是兩者之間的任何一個值。假設(shè)功放容量定位33dBm，那么當(dāng)9個載波中的任意2個載波的容量接近滿容量或者消耗的功率接近最大時，其他7個載波將因功率資源耗盡而無法接納新業(yè)務(wù)的建立，已連接業(yè)務(wù)也會因功率消耗達到功放最大容量而增加掉話或者質(zhì)量惡化的風(fēng)險。如果功放容量定在42dBm，系統(tǒng)的業(yè)務(wù)保障性和可靠性最高。但這樣會帶來資源的浪費，因為所有載波同時達到滿容量或者業(yè)務(wù)消耗功率達到最大的可能性在現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)中比較小。從上面的例子也可以知道，隨著載波數(shù)量的增加，決定功放容量大小的是系統(tǒng)容量而不是覆蓋。

5 結(jié)束語

隨著TD-SCDMA商用部署的逐漸擴大，對頻段和新技術(shù)的需求越來越急迫，TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)正向著多頻段和多載波的方向發(fā)展，新技術(shù)如HSPA和HSPA+的引入都對TD-SCDMA基站的設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。在TD-SCDMA基站的規(guī)格設(shè)計中，載波數(shù)量與功放容量一直是最關(guān)鍵的技術(shù)指標。TD-SCDMA與WCDMA同屬以CDMA為基礎(chǔ)的第三代移動通信系統(tǒng)，兩者雖存在技術(shù)上的差異，但WCDMA的功放容量的估算與設(shè)計的流程和方式仍可以為TD-SCDMA所參考和借鑒。諾基亞西門子公司在WCDMA的基站設(shè)計方面積累了大量的經(jīng)驗，并將之運用到TD-SCDMA中，開發(fā)并提供符合運營商需求和適應(yīng)未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求的新一代的TD-SCDMA基站，助力TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模商業(yè)部署與運營。