1导言
自2007年TD-SCDMA试验网扩大到8个城市以来，TD-SCDMA已在全国各地部署，由中国移动运营。一个移动通信网络的成功商用部署需要几个主要部分：产品支持、网络规划、工程建设、网络优化和营销策略。其中，产品规格和性能与网络规划密切相关。产品规格和性能包括尺寸、重量、功耗、功放容量、射频指数、接口类型、防护等级等。这些规格和指标是网络规划和成功商业部署的基础。在这些规格中，功放容量是一个关键指标，关系到网络覆盖和容量设计，关系到未来新业务能否顺利推出。
2功率放大器容量估算的基本原则
功放容量是基站的最大发射功率，决定了基站的覆盖距离和所能承载的用户容量。在基站的规格设计中，功放容量的规格是通过估算业务功率成本来确定的。在不考虑各种限制因素的情况下，不需要估计功率放大器的容量。根据技术实现能力，当然是越大越好，不会造成使用上的限制。但在实际使用中，由于流量负荷分布不均匀、基站安装条件的限制以及能耗的要求，功放容量过大会导致资源浪费和体积庞大，不利于网络部署和运营。因此，研究功放容量估算原理的目的是在网络覆盖和容量等组网条件下，获得最低的功耗需求。
不同标准的移动通信系统，由于无线接入技术和功率放大器技术的差异，在估计功率消耗时有不同的因素要考虑。其中，覆盖和容量是任何标准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，是估算功率支出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)的无线接入系统。在任何时候，只有一个用户占用一个载波。在不考虑多载波功放技术(MCPA)的情况下，GSM中的每个载波对应一个功放单元，载波上的功率资源在任何时候都是专用于某个用户的。所以GSM基站的功放容量与用户容量和载波数无关，只与覆盖范围有关。引入多载波功放技术后，GSM基站的功放容量与载波数有关。
CDMA系统是基于FDMA和码分多址(CDMA)的无线通信系统。其无线接入基于频分多址(FDMA)和CDMA。同一载波上的用户通过分配不同的码字来区分，所有用户共享该载波的下行功率资源和上行干扰。因为码字不能100%正交，所以CDMA系统是一个自干扰系统。基于上述特点，某一用户在任何时刻分配的功率不仅与该用户所处的位置有关，还与其他用户产生的干扰有关。同时，功放容量不是某个用户独有的，而是与其他用户共享的。因此，CDMA功放容量的确定不仅要考虑覆盖范围，还要考虑容量。
与上述2G系统相比，3G系统在规划和设计功放容量时，不仅需要考虑覆盖范围和容量，还需要考虑引入新的3G业务和技术的功率需求。
TD-scdma系统的技术特点
如图1所示，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)等多种寻址技术有机结合的无线接入系统。
图1 TD-scdma多址接入模式示意图
TD-SCDMA系统的载波频率带宽为1.6MHz
TD-SCDMA的帧长为10ms，分为两个5ms的无线子帧，每个子帧为6400码片。如图2所示，在每个子帧中有7个主时隙和3个特殊时隙。主时隙的TS0用作下行时隙，承载公共控制信道，如PCCPCH、SCCPCH和PICH。到目前为止，只有主载波的主时隙TS0被用于承载公共控制信道，其他辅助载波的主时隙TS0没有被使用。剩余的六个主时隙被用作业务承载时隙。如果上行链路和下行链路的时隙比为2:4，则TS1和TS2是上行链路时隙，而TS3、TS4、TS5和TS6是下行链路时隙。时隙TS3是上行链路和下行链路时隙的交换点。三个特殊时隙分别是DwPts、GP和UpPts。DwPts是下行同步时隙，GP是上下行保护时隙，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，不仅要考虑满足覆盖需求时业务的功率需求，还要考虑满足覆盖需求时控制信道所在主载波的TS0时隙的功率需求。这和其他系统不一样。
图2 TD-scdma无线帧结构示意图
就容量而言，TD-SCDMA由于采用了智能天线和联合检测算法，可以在一定程度上消除大部分小区内的自干扰，小区间干扰得到一定程度的控制，使得TD-SCDMA的容量限制表现为码道限制。当容量达到码道限制时，一对上行链路和下行链路时隙可以承载8个CS12.2、2个PS64、2个CS64或1个PS128业务。TD-SCDMA本身也具有CDMA系统的特点。此外，TD-SCDMA采用时分寻址和频分多址技术。功率放大器容量应支持多载波下占用相同下行时隙的所有用户的功率消耗需求。按照达到码道极限时每个时隙的容量，对于某些TD-SCDMA业务，如PS128或PS384，甚至PS64、CS64，满足其覆盖所需的功率支出基本上可以满足其容量所需的功率支出，使用这类业务时功放容量与其分布位置的相关性较差。然而，对于诸如CS12.2的服务，每个时隙承载8个用户。如果按照覆盖标准计算满容量时的功放容量需求，相当于在小区边缘放置8个用户，功放容量明显被高估了，因为在现实网络中，一个小区内某个载波上某个时隙的所有用户都在小区边缘的可能性非常小，也就是有些用户在小区边缘，但有些用户在小区内。对于这种业务，功耗与用户的位置分布有很大的相关性。
在功率放大器容量需求的估算中，功率控制的影响不可忽略。功率控制在CDMA系统中起着至关重要的作用。和其他CDMA系统一样，TD-SCDMA的功率控制分为内环、外环和开环功率控制。其中，开环功率控制决定了用户的期望发射功率外环功率控制调整目标SIR作为内环功率控制的参考。内环功率控制根据估计的SIR和目标SIR之间的关系确定基站或终端的发射功率的增加或减少。内环功率控制的速度为200次/秒，内环功率控制的步长为1dB、2dB和3dB。根据功率控制的特点，在最大估计功放容量的基础上考虑一定的功放余量，以降低高负载下由于功率调整导致总发射功率超过功放容量的概率。
TD-SCDMA作为第三代移动通信的3G标准之一，支持HSUPA、HSDPA、MBMS、HSPA等多种新技术。并且功放容量需要支持不同阶段各种新技术的引入，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，也会因为功率容量小而无法正常使用，影响网络的性能。
功放容量的估算除了覆盖、容量、功率控制余量等因素外，还需要考虑载波数的影响。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。在多载波的情况下，实际网络中每个载波消耗的功率可能相同，也可能不同，这与它所承载的用户数量和位置分布有关。功率放大器的容量应能支持每个载波的功耗之和。然而，就功放容量估计而言，根据不同用户的实际排列组合和每个载波的分布来估计功耗的需求过于复杂。如果按照单个载波可以承载的最大容量来估算功耗，那么对于多个载波，最大需要的功放容量就是每个载波承载最大容量条件下的功耗之和，最小需要的功放容量就是保证一个载波承载最大容量条件下的功耗。因此，功放容量的估算应以单载波为基础，在单载波功耗估算的基础上，根据功率资源管理的策略——功率共享或功率共享，进一步估算多载波下的功放容量需求。
TD-SCDMA功放容量需求的估算原理和方法
TD-SCDMA功放容量的估算首先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计应考虑以下两个方面：
(1)满足业务信道上下行平衡条件下的业务功率需求。
(2)在满足各控制信道覆盖要求的情况下，TS0时隙的总功率需求。
上下行的最大覆盖距离，或者说上下行的最大覆盖容量(路径损耗)相等，就是业务的上下行平衡。上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。通过观察公式(1)，我们知道等号周围的一些参数是完全相同的，所以公式(1)可以进一步简化为公式(2):
(2)
从公式(2)可以推导出链路平衡的应用范围，即上下行平衡不仅表示一个双向信道中存在上下行平衡，还表示不同信道间的上下行平衡。Service _ cov _ BTS和PMS表示基站和移动站的最大发射功率值。如果公式(2)成立，则意味着上下行覆盖能力的平衡，即链路平衡。理论上，信号在上行链路和下行链路中经历的损耗是相同的。然而，由于基站和移动站的发射功率不同，它们各自的接收机的接收灵敏度也不同，并且上行链路和下行链路能够提供以允许信号克服链路传播中经历的损耗的开销能力也不同。换句话说，信号在上行链路和下行链路中的传播距离或覆盖范围是不同的，因为上行链路和下行链路发射机和接收机的指标不同。通常，由于终端的发射功率有限，为了最大程度地实现系统的最大覆盖，降低网络建设的投资成本，CDMA系统的覆盖范围必须满足上行限制，即满足公式(3):
(3)
其中，PService_Cov_BTS是满足覆盖要求时业务的功率开销要求。
在移动通信系统中，移动台通过控制信道读取系统消息，并获得用于漫游、监听寻呼和建立呼叫的驻留小区的必要信息。同时，移动台根据读取系统消息得到的邻区信息测量邻区控制信道的信号强度，作为小区重选和切换的决策依据。为了便于移动站获得系统信息，广播控制信道被连续发送，而其他控制信道与服务建立过程相关，并且不被连续发送。保险余额
MAPLService是指一个可接受的业务的最大链路损耗，取业务上下行链路的最小链路损耗，保证业务本身的覆盖均衡。MAPL是最大允许路径损耗，即最大允许链路损耗。MAPLPCCPCH是指控制信道的最大链路损耗不大于业务的最大链路损耗，以保证控制和业务的覆盖平衡。MAPLPCCPCH的最大值等于MAPLservice。PCov_PCCPCH是主公共控制信道满足覆盖平衡所需的发射功率。
除了PCCPCH，SCCPCH，FPACH，PICH等。可以配置在TD-SCDMA系统主载波TS0时隙的可配置控制信道上。根据PCCPCH所需的功率，可以得到主载波的TS0时隙所需的总功率，如公式(8)所示：
(8)
PTS0_Cov_BTS是当服务和控制覆盖平衡时满足TS0时隙要求的总发射功率。
从容量的角度估算功率的成本，首先考虑单载波上业务容量对功放容量的需求，然后考虑多载波上载波数对功放容量的需求。
服务对下行链路传输功率的开销需求理论上通过以下基本公式(9)来计算：
(9)
其中，A代表智能天线的波束隔离因子，A代表小区内联合检测的效率，B代表小区外联合检测的效率，Lmean代表中值路径损耗，Pur代表用户的功率开销需求，Ii代表小区内干扰，Ie代表小区外干扰。
公式(9)可以进一步转换成公式(10):
(10)
其中f是小区内外的干扰系数和干扰比。Service _ cap _ BTS是满足系统容量要求的基站总发射功率。
从公式(10)可以看出，单个用户的发射功率与基站的最大发射功率之间存在正比关系，其系数与解调门限、联合检测效率、路径损耗和干扰系数有关，其中解调门限和联合检测效率可视为常数，与设备实现有关。路损和干扰系数是变量，路损和用户的位置有关，是一个随机量。用户越多，路损随机分布的影响越显著。干扰系数与用户有关的位置、业务量和相邻小区的位置。如果路径损耗和干扰系数的取值不同，功率开销的结果，即PService_Cap_BTS，也会不同。
TD-SCDMA是第三代移动通信的标准之一，因此系统支持各种3G特色业务，如文章业务、交互数据业务和后台数据业务。系统承载不同业务的能力是不同的。比如每个时隙只能承载一对文章业务，或者一对PS64业务，或者一个PS128业务，或者八个语音业务。要根据系统容量估算功率成本，首先需要确定业务类型，因为公式(10)中的路径损耗和干扰都与用户数量有关，而用户数量与他们使用的业务类型有关。根据业务容量特性分析，对于PS128单业务、PS64单业务和CS64单业务，由于时隙承载的用户数量有限，用户分布对用电支出的影响远小于语音业务，对用电支出的需求也小于语音业务。因此，对于语音以外的其他业务，由于时隙承载的用户数量非常有限，基于覆盖计算的功率开销可以近似视为基于容量的功率开销需求。相比较而言，由于存在大量随机分布的语音用户，随着用户增加其语音业务消耗的总功率，语音业务在全容量下的功率支出可以视为对功放容量的需求。
基于系统容量的电力成本估算可以根据公式(10)进行理论推导，也可以利用系统仿真平台进行估算。本质上，两者的区别对实际产品规格的设定影响不大。通常，仿真系统设置若干小区，在由若干小区组成的区域中建立服务，并随机分配它们。经过多次仿真，得出所有小区的功耗为RRU功放容量的范围。从系统仿真的过程可以看出，与理论计算相比，虽然系统仿真是通过用户的分布来获得各小区的用电支出需求，但就各小区而言，用户的用电支出实际上是基于小区内外的路损和干扰变化理论来计算的，RRU的总用电支出需求是承载用户的用电支出之和。通过给小区内外的路径损耗和干扰系数取不同的值，也可以看作不同小区或同一小区在不同条件下的功率消耗。从这个角度来看，基于容量的电力需求估计在建立小区干扰系数模型后，理论上也可以根据公式进行计算。
根据覆盖和容量，估算出在满足单载波覆盖或容量的情况下，业务对功放容量的需求，分别为PService_Cov_BTS、PTS0_Cov_BTS和PService_Cap_BTS。然后，单载波下的最大功率成本可以由公式(11)确定：
(12)
在多载波配置下，满足最大覆盖和容量条件的最小和最大功率消耗分别为PSC_Consumed_Power和PMC_Consumed_Power，系统功率消耗的范围为(PSC_Consumed_Power，PMC_Consumed_Power)。
在业务的功率成本范围确定后，还需要考虑内环功率控制对功率成本的影响。内环功率控制的目的是用最合适的传输功率来保证服务质量。调整功率时，根据被测业务信道的实测信噪比与目标信噪比的关系，上下行发射功率调整200次/s，每个调整步长为1dB、2dB、3dB。通常，在城市环境中，系统以1dB为步长调整功率。在这种环境下，如果系统容量或覆盖引起的功耗瞬间达到或接近功放的最大容量，内环功率的不断调整()可能导致超过功放的最大输出容量，造成拥塞。因此，在根据功率消耗确定功放容量时，需要考虑一定的功率控制余量，通常为1 2db的功率控制余量，以降低阻塞的概率(见图3)。
图3功率控制余量
随着移动通信系统技术的快速发展，各种新的业务和技术不断应用到网络中，如双极化天线、HSDPA、MBMS、HSPA等的推出。为了保证产品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耗的影响。
综上所述，TD-SCDMA系统功率支出估算需要考虑的主要因素有覆盖范围、容量、载波数、功率管理算法、功率控制裕度以及新技术的引入。功率放大器容量最终由基于上述六个因素的估计功率成本决定。从上面的过程可以知道，电力成本不是一个确定的数值，而是一个范围，因为它与环境服务、配电等各种因素有关。例如，给定参数值，可以得出TD-SCDMA单载波满足业务覆盖的最大功率开销约为27dBm，TS0的功率开销约为33dBm(假设配置的码道为2个PCCPCH、4个SCCPCH、2个PICH和1个FPACH)。单载波语音全容量平均功耗约为25dBm，最大功耗约为30dBm。可以得出结论，单载波配置下基站的功放容量应该不低于33dBm。对于一个多载波基站，比如9个载波，此时载波数量(容量)的增加导致功率支出增加，为25 40 DBM，功耗范围为33 当覆盖范围和功率控制容限被整合时为42 DBM。功率放大器容量可以是33dBm、42dBm或它们之间的任何值。假设功放容量设置为33dBm，当9个载波中任意两个载波的容量接近满容量或功耗接近最大值时，其他7个载波将因功率资源耗尽而无法接受新业务的建立，连接的业务也会因功耗达到功放最大容量而增加掉话或质量恶化的风险。如果功率放大器容量设置为42dBm，则系统具有最高的业务支持能力和可靠性。但这会导致资源的浪费，因为在真实网络中所有载波同时达到满负荷或者最大业务功耗的可能性比较小。从上面的例子也可以知道，随着载波数的增加，决定功放容量的是系统容量，而不是覆盖范围。
5结束语
随着TD-SCDMA商用部署的逐步扩大，对频段和新技术的需求越来越迫切，TD-SCDMA网络正在向多频段、多载波方向发展。HSPA和HSPA等新技术的引入对TD-SCDMA基站的设计提出了挑战。在TD-SCDMA基站的规格设计中，载波数和功放容量始终是最关键的技术指标。TD-SCDMA和WCDMA属于基于CDMA的第三代移动通信系统。虽然两者存在技术上的差异，但是WCDMA的功放容量估算和设计的流程和模式仍然可以被TD-SCDMA借鉴。诺基亚在WCDMA基站设计方面积累了大量经验，并将其应用于TD-SCDMA，开发并提供了符合运营商需求、满足未来网络发展需求的新一代TD-SCDMA基站，助力TD-SCDMA网络的大规模商用部署和运营。
标签：容量功率系统