TDD—LTE基站電磁輻射等效輻射功率解析

張平　范磊

摘 要：目前TDD-LTE基站的電磁輻射等效發(fā)射功率計算方式各式各樣，有些參數(shù)還相互矛盾。究其原因就是因為TDD-LTE特殊的信號發(fā)射模式所致。本文通過從底層分析TDD-LTE信號傳輸機制、發(fā)射機制，從根本上理清了TDD-LTE基站的輸出功率，并給出了全面的數(shù)據(jù)表格。不僅可以有效解決當(dāng)前各成一派的說法，還可以全面簡化和指導(dǎo)TDD-LTE基站電磁輻射發(fā)射功率的計算工作。

關(guān)鍵詞：基站；電磁；功率；解析

中圖分類號：TN929 文獻標(biāo)識碼：A

移動通信技術(shù)已經(jīng)從主要滿足語音通話的2G變化為同時滿足語音通話和大量數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)?G技術(shù)，隨著信息技術(shù)的不斷革新，數(shù)據(jù)信息無線傳輸量所占比重和時長越來越大，這導(dǎo)致了4G技術(shù)與2G/3G技術(shù)的差異性明顯。自4G基站投入運行以來，各地區(qū)、各家運營商上報的4G基站等效輻射發(fā)射功率數(shù)據(jù)是多種多樣，計算方式也是千差萬別，而等效輻射發(fā)射功率是基站電磁環(huán)境管理的重要技術(shù)指標(biāo)，因此急需從根本上解決這一問題。

一、問題現(xiàn)狀

同一運行商的同一批次建設(shè)的4G基站，功率各不相同，如某運營商建設(shè)的TDD-LTE基站，RRU機頂輸出功率分別為：2.5W、5W、10W、15W、20W，通道數(shù)2～8個，其饋線損耗分別為1dB和0.2dB，按照保守預(yù)測的原則，則等效輻射功率分別為P=機頂輸出功率/100.2/10和P=機頂輸出功率/101.0/10，則天線發(fā)射功率為：3.97W～38.20W。

而另外一個地區(qū)的某運營商建設(shè)TDD-LTE基站則全部按照基站業(yè)務(wù)子幀配置（上行∶下行子幀）1∶3、特殊子幀配置（下行∶空白∶上行）為10∶2∶2計算，其各下行時隙實際有能量發(fā)射的時間占比為（3+10/14）/5=74.3%，通道數(shù)3～8個，實際功率不超過標(biāo)稱功率的40%，

饋線損耗取1dB；根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃需要，TDD-LTE系統(tǒng)控制發(fā)射功率為5W/載波/通道。則天線發(fā)射功率為：5W/通道×8通道×40%×74.3%×10-0.1=9.443W。

二、物理層分析

LTE系統(tǒng)是一個多天線多載波系統(tǒng)，其功率不僅和帶寬有關(guān)，還與天線配置有關(guān)，甚至和信號發(fā)送方式有關(guān)。對于TDD-LTE系統(tǒng)，下行并不總是發(fā)射信號，會導(dǎo)致不同的平均發(fā)送功率。因此在測量TDD-LTE基站的發(fā)送功率時，會導(dǎo)致測量的發(fā)送功率波動較大。為此通過分析不同TDD-LTE時隙配比、功率分配下發(fā)送功率的大小，確定典型場景下的平均發(fā)射功率的變化范圍。下面我們將逐一進行分析。

1. TDD-LTE幀結(jié)構(gòu)

TDD-LTE幀結(jié)構(gòu)長度為10ms，有兩個長度為5ms的半幀構(gòu)成，在5ms切換點周期情況下，每一個半幀由4個1ms的常規(guī)子幀和一個1ms的特殊子幀構(gòu)成；在10ms切換點周期情況下，第一個半幀由4個1ms的常規(guī)子幀和一個1ms的特殊子幀構(gòu)成，第二個半幀有5個1ms的常規(guī)子幀構(gòu)成。一個常規(guī)子幀由2個長度為0.5ms的時隙構(gòu)成；一個特殊子幀由DwPTS、GP以及UpPTS構(gòu)成。上下行子幀配比一共有7種模式。

一個常規(guī)子幀包含兩種配置，常規(guī)CP和擴展CP，包含的OFDM符號個數(shù)以及CP長度不同。特殊子幀中DwPTS和UpPTS的符號數(shù)量取決于特殊子幀的配置，其符號配置與常規(guī)子幀對應(yīng)的符號相同。

2.物理信道功率分配

根據(jù)用戶的CQI反饋判斷當(dāng)前分配給該用戶的下行功率是偏高還是偏低，進而進行相應(yīng)的功率調(diào)整，以在滿足用戶接收質(zhì)量的前提下減輕對鄰小區(qū)的干擾。LTE系統(tǒng)中下行功率的調(diào)整是較為慢速的，而不是像上行那樣通過閉環(huán)的TPC命令進行快速調(diào)整。

LTE下行信道或符號的功率控制基于兩種方式：靜態(tài)方式和動態(tài)方式。所謂靜態(tài)方式即為信道配置一個固定值，而動態(tài)方式即所謂的功率分配，就是把基站總功率在某個時刻按照一定規(guī)則分配到各個信道上。

EPRE（即每RE上的能量，Energy Per Resource Element），TDD-LTE功率分配是基于EPRE的。假定每個天線端口上的公共導(dǎo)頻的EPRE為ECRS，EA表示下行每個天線端口上不包含CRS的OFDM符號上的數(shù)據(jù)EPRE，EB表示下行每個天線端口上包含CRS（或?qū)ьl空洞）的OFDM符號上的數(shù)據(jù)EPRE。定義數(shù)據(jù)EPRE和導(dǎo)頻EPRE的比值為

通常情況下，LTE不對下行做功控。下行公共參考信號的功率分配由基站決定，決定原則為根據(jù)小區(qū)大小，信道環(huán)境等因素，考慮小區(qū)邊緣用戶的下行測量性能和信道估計性能進行靜態(tài)或半靜態(tài)配置。下行公共參考信號EPRE通過系統(tǒng)信息（SIB）向小區(qū)廣播，用戶可依此計算路損等信息。

用戶數(shù)據(jù)信道功率分配。基于UE的下行功率分配，具體是設(shè)置分配給某一UE的物理資源上數(shù)據(jù)RE的能量，即EA和EB，具體的分配和調(diào)整原則是根據(jù)用戶的反饋（例如CQI），為接收質(zhì)量較差的用戶分配較大的功率。具體如何根據(jù)反饋信息決定功率的升降以及調(diào)整幅度，屬于算法實現(xiàn)問題，標(biāo)準(zhǔn)上不進行規(guī)定。

3. LTE導(dǎo)頻覆蓋功率

用于覆蓋的主要是導(dǎo)頻RS，RS功率越高，覆蓋越好，但用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓β试叫?，會造成系統(tǒng)容量的下降；RS功率設(shè)置需要綜合各方面因素，既要保證覆蓋與容量的平衡，又要保證信道估計的有效性，還要保證干擾的合理控制。RS導(dǎo)頻功率為

E_CRS=P_total-10lg（N_sc）+10lg（P_B+1）

其中Ptotal是每通道發(fā)送總功率，Nsc是子載波數(shù)量。

三、TDD-LTE基站平均輸出功率

TDD-LTE上下行在相同的頻段，下行占比對平均輸出功率的大小有很大影響。特別是特殊時隙，其DwPTS的占比隨著配置的不同，會導(dǎo)致不同的下行占比。常規(guī)CP下，下行占比最高為0.89，最低為0.22；擴展CP下，下行占比最高為0.88，最低為0.23。

從功率測量角度看，導(dǎo)頻功率可以測量，而業(yè)務(wù)信道功率難以測量，系統(tǒng)總功率也是可測量的。下行滿載時，不同OFDM符號的總功率是相同的，平均功率的差異主要取決于時間占比。每端口平均功率為

其中ε為下行傳輸時間占比。

四、實際使用說明

1.單通道輸出功率

4G基站的RRU設(shè)備其最大發(fā)射功率為20W/通道，但在實際輸出時可以通過軟件加以調(diào)整，因此，2.5W、5W、10W、15W和20W都可以作為輸出功率。

2.單扇區(qū)輸出功率

每個扇區(qū)有多少通道，其扇區(qū)輸出功率就是每個通道的功率之和。

3.業(yè)務(wù)負(fù)載

單個扇區(qū)的實際發(fā)射功率與標(biāo)稱功率的百分比。

4.上下行子幀配置

根據(jù)上下行信號切換點周期配置基站不同的信號發(fā)射時間。

五、TDD-LTE等效輻射功率

由于TDD-LTE業(yè)務(wù)信道平均功率和輸出總平均功率會根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載、時隙配比的不同而不同，在實際電磁環(huán)境管理中更加關(guān)注總平均功率。而且總平均功率與具體配置的帶寬大小關(guān)系不大（即與具體子載波數(shù)量無關(guān)），為簡單起見取平均業(yè)務(wù)負(fù)載計算負(fù)載功率，則平均發(fā)射功率=每通道功率×通道數(shù)量×業(yè)務(wù)負(fù)載×下行占比×饋損。

現(xiàn)列出通道數(shù)為1、單通道最大發(fā)射功率20W、業(yè)務(wù)負(fù)載為100%、饋損為0的情況下TDD-LTE平均發(fā)射功率一覽表（表1），其他功率和業(yè)務(wù)負(fù)載只需要乘以相應(yīng)的比例系數(shù)即可得到。

參考文獻

[1]王映民，孫韶輝.TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[2]田桂賓，姬剛，石朗昱.TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)廣覆蓋技術(shù)研究[J].郵電設(shè)計技術(shù)，2016（3）：46-49.