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。TD-SCDMA是英文Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access（时分同步码分多址） 的简称，是一种第三代无线通信的技术标准，也是ITU批准的三个3G标准中的一个，相对于另两个主要3G标准（CDMA2000）或（WCDMA）它的起步较晚。TD-SCDMA[1]作为中国提出的第三代移动通信标准[2]（简称3G），自1998年正式向ITU（国际电联）提交以来，已经历十多年的时间，完成了标准的组评估、ITU认可并发布、与3GPP（第三代伙伴项目）体系的融合、新技术特性的引入等一系列的国际标准化工作，从而使TD－SCDMA[3]标准成为个由中国提出的，以我国知识产权为主的、被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准。这是我国电信史上重要的里程碑。

　　TD-SCDMA由于采用时分双工，上行和下行信道特性基本一致，因此，基站根据接收信号估计上行和下行信道特性比较容易。此外，TD-SCDMA使用智能天线技术有先天的优势，而智能天线技术的使用又引入了SDMA的优点，可以减少用户间干扰，从而提高频谱利用率。TD-SCDMA还具有TDMA的优点，可以灵活设置上行和下行时隙的比例而调整上行和下行的数据速率的比例，特别适合因特网业务中上行数据少而下行数据多的场合。但是这种上行下行转换点的可变性给同频组网增加了一定的复杂性。TD-SCDMA是时分双工，不需要成对的频带。因此，和另外两种频分双工的3G标准相比，在频率资源的划分上更加灵活。一般认为，TD-SCDMA由于智能天线和同步CDMA技术的采用，可以大大简化系统的复杂性，适合采用软件无线电技术，因此，设备造价可望更低。

　　2  功放容量估算的基本原则

　　功放容量即基站的发射功率，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。

　　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。

　　移动通讯系统Global System of Mobile communication就是众所周知的GSM，是当前应用为广泛的移动电话标准。超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。GSM标准的无处不在使得在移动电话运营商之间签署"漫游协定"后用户的国际漫游变得很平常。 GSM 较之它以前的标准的不同是他的信令和语音信道都是数字式的，因此GSM被看作是第二代 （2G）移动电话系统。 这说明数字通讯从很早就已经构建到系统中。GSM是一个当前由3GPP开发的开放标准。GSM 是Global System of Mobile communication（移动通讯系统）的英文缩写，是当前应用为广泛的移动电话标准。超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。所有用户可以在签署了"漫游协定"移动电话运营商之间自由漫游。 GSM 较之它以前的标准的不同是它的信令和语音信道都是数字式的，因此GSM被看作是 第二代 （2G）移动电话系统。 这说明数字通讯从很早就已经构建到系统中。GSM是一个当前由3GPP开发的开放标准。

　　CDMA （Code Division Multiple Access） 即：码分多址 移动通信，是一种先进的大容量无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。CDMA 技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发出CDMA技术，其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。1995年，个CDMA商用系统（被称为IS-95）运行之后，CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。许多国家和地区，包括中国大陆、中国香港、韩国、日本、美国都已建有CDMA商用网络。在美国和日本，CDMA成为国内的主要移动通信技术。在美国，10个移动通信运营公司中有7家选用CDMA。到2006年4月，韩国有60%的人口成为CDMA用户。在澳大利亚主办的第27届奥运会中，CDMA技术更是发挥了重要作用。

　　3  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）的多种寻址技术有机结合的无线接入系统。

　　图1  TD-SCDMA多址方式示意图

　　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。

　　图2  TD-SCDMA无线帧结构示意图

　　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。

　　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。

　　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容量估算功率的消耗，那么对多个载波而言，其需求的功放容量就是每个载波都承载了容量情况下的功率消耗的总和，其需求的功放容量是保证一个载波在承载容量情况下的功率消耗。

　　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。TD-SCDMA标准规范的实质性工作主要在3GPP体系下完成。在R4标准发布之后的两年多时间里，大唐与其他众多的业界运营商、设备制造商一起，又经过无数次会议讨论、邮件组讨论，通过提交的大量文稿，对TD-SCDMA标准规范的物理层处理、高层协议栈消息、网络和接口信令消息、射频指标和参数、一致性测试等部分的内容进行了次的修订和完善，使得到目前为止的TD-SCDMAR4规范达到了相当稳定和成熟的程度。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。

　　上下行链路的覆盖距离，或者说上下行链路的覆盖能力（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，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链路损耗，取该业务的上行和下行的链路损耗，以保证业务自身的覆盖平衡。MAPL是Maximum Allowed Path Loss，即允许链路损耗。MAPLPCCPCH指的是控制信道的链路损耗，该损耗不大于业务的链路损耗，以保证控制与业务的覆盖平衡。MAPLPCCPCH值等于MAPLservice。

　　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着。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。

　　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。

　　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。

　　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，达到满容量下的功率开销的可由公式（12）确定：

　　（12）

　　多载波配置下，满足覆盖和容量条件下的和的功率开销分别是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容量，那么内环功率的连续调整（+）将可能导致超过功放的输出能力，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，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容量而增加掉话或者质量恶化的风险。

　　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。