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TDD—LTE基站电磁辐射等效辐射功率解析

范文

张平　范磊

摘要：目前TDD-LTE基站的电磁辐射等效发射功率计算方式各式各样，有些参数还相互矛盾。究其原因就是因为TDD-LTE特殊的信号发射模式所致。本文通过从底层分析TDD-LTE信号传输机制、发射机制，从根本上理清了TDD-LTE基站的输出功率，并给出了全面的数据表格。不仅可以有效解决当前各成一派的说法，还可以全面简化和指导TDD-LTE基站电磁辐射发射功率的计算工作。

关键词：基站；电磁；功率；解析

中图分类号：TN929 文献标识码：A

移动通信技术已经从主要满足语音通话的2G变化为同时满足语音通话和大量数据信息传输的4G技术，随着信息技术的不断革新，数据信息无线传输量所占比重和时长越来越大，这导致了4G技术与2G/3G技术的差异性明显。自4G基站投入运行以来，各地区、各家运营商上报的4G基站等效辐射发射功率数据是多种多样，计算方式也是千差万别，而等效辐射发射功率是基站电磁环境管理的重要技术指标，因此急需从根本上解决这一问题。

一、问题现状

同一运行商的同一批次建设的4G基站，功率各不相同，如某运营商建设的TDD-LTE基站，RRU机顶输出功率分别为：2.5W、5W、10W、15W、20W，通道数2～8个，其馈线损耗分别为1dB和0.2dB，按照保守预测的原则，则等效辐射功率分别为P=机顶输出功率/100.2/10和P=机顶输出功率/101.0/10，则天线发射功率为：3.97W～38.20W。

而另外一个地区的某运营商建设TDD-LTE基站则全部按照基站业务子帧配置（上行∶下行子帧）1∶3、特殊子帧配置（下行∶空白∶上行）为10∶2∶2计算，其各下行时隙实际有能量发射的时间占比为（3+10/14）/5=74.3%，通道数3～8个，实际功率不超过标称功率的40%，

馈线损耗取1dB；根据无线网络规划需要，TDD-LTE系统控制发射功率为5W/载波/通道。则天线发射功率为：5W/通道×8通道×40%×74.3%×10-0.1=9.443W。

二、物理层分析

LTE系统是一个多天线多载波系统，其功率不仅和带宽有关，还与天线配置有关，甚至和信号发送方式有关。对于TDD-LTE系统，下行并不总是发射信号，会导致不同的平均发送功率。因此在测量TDD-LTE基站的发送功率时，会导致测量的发送功率波动较大。为此通过分析不同TDD-LTE时隙配比、功率分配下发送功率的大小，确定典型场景下的平均发射功率的变化范围。下面我们将逐一进行分析。

1. TDD-LTE帧结构

TDD-LTE帧结构长度为10ms，有两个长度为5ms的半帧构成，在5ms切换点周期情况下，每一个半帧由4个1ms的常规子帧和一个1ms的特殊子帧构成；在10ms切换点周期情况下，第一个半帧由4个1ms的常规子帧和一个1ms的特殊子帧构成，第二个半帧有5个1ms的常规子帧构成。一个常规子帧由2个长度为0.5ms的时隙构成；一个特殊子帧由DwPTS、GP以及UpPTS构成。上下行子帧配比一共有7种模式。

一个常规子帧包含两种配置，常规CP和扩展CP，包含的OFDM符号个数以及CP长度不同。特殊子帧中DwPTS和UpPTS的符号数量取决于特殊子帧的配置，其符号配置与常规子帧对应的符号相同。

2.物理信道功率分配

根据用户的CQI反馈判断当前分配给该用户的下行功率是偏高还是偏低，进而进行相应的功率调整，以在满足用户接收质量的前提下减轻对邻小区的干扰。LTE系统中下行功率的调整是较为慢速的，而不是像上行那样通过闭环的TPC命令进行快速调整。

LTE下行信道或符号的功率控制基于两种方式：静态方式和动态方式。所谓静态方式即为信道配置一个固定值，而动态方式即所谓的功率分配，就是把基站总功率在某个时刻按照一定规则分配到各个信道上。

EPRE（即每RE上的能量，Energy Per Resource Element），TDD-LTE功率分配是基于EPRE的。假定每个天线端口上的公共导频的EPRE为ECRS，EA表示下行每个天线端口上不包含CRS的OFDM符号上的数据EPRE，EB表示下行每个天线端口上包含CRS（或导频空洞）的OFDM符号上的数据EPRE。定义数据EPRE和导频EPRE的比值为

通常情况下，LTE不对下行做功控。下行公共参考信号的功率分配由基站决定，决定原则为根据小区大小，信道环境等因素，考虑小区边缘用户的下行测量性能和信道估计性能进行静态或半静态配置。下行公共参考信号EPRE通过系统信息（SIB）向小区广播，用户可依此计算路损等信息。

用户数据信道功率分配。基于UE的下行功率分配，具体是设置分配给某一UE的物理资源上数据RE的能量，即EA和EB，具体的分配和调整原则是根据用户的反馈（例如CQI），为接收质量较差的用户分配较大的功率。具体如何根据反馈信息决定功率的升降以及调整幅度，属于算法实现问题，标准上不进行规定。

3. LTE导频覆盖功率

用于覆盖的主要是导频RS，RS功率越高，覆盖越好，但用于数据传输的功率越小，会造成系统容量的下降；RS功率设置需要综合各方面因素，既要保证覆盖与容量的平衡，又要保证信道估计的有效性，还要保证干扰的合理控制。RS导频功率为

E_CRS=P_total-10lg（N_sc）+10lg（P_B+1）

其中Ptotal是每通道发送总功率，Nsc是子载波数量。

三、TDD-LTE基站平均输出功率

TDD-LTE上下行在相同的频段，下行占比对平均输出功率的大小有很大影响。特别是特殊时隙，其DwPTS的占比随着配置的不同，会导致不同的下行占比。常规CP下，下行占比最高为0.89，最低为0.22；扩展CP下，下行占比最高为0.88，最低为0.23。

从功率测量角度看，导频功率可以测量，而业务信道功率难以测量，系统总功率也是可测量的。下行满载时，不同OFDM符号的总功率是相同的，平均功率的差异主要取决于时间占比。每端口平均功率为

其中ε为下行传输时间占比。

四、实际使用说明

1.单通道输出功率

4G基站的RRU设备其最大发射功率为20W/通道，但在实际输出时可以通过软件加以调整，因此，2.5W、5W、10W、15W和20W都可以作为输出功率。

2.单扇区输出功率

每个扇区有多少通道，其扇区输出功率就是每个通道的功率之和。

3.业务负载

单个扇区的实际发射功率与标称功率的百分比。

4.上下行子帧配置

根据上下行信号切换点周期配置基站不同的信号发射时间。

五、TDD-LTE等效辐射功率

由于TDD-LTE业务信道平均功率和输出总平均功率会根据业务负载、时隙配比的不同而不同，在实际电磁环境管理中更加关注总平均功率。而且总平均功率与具体配置的带宽大小关系不大（即与具体子载波数量无关），为简单起见取平均业务负载计算负载功率，则平均发射功率=每通道功率×通道数量×业务负载×下行占比×馈损。

现列出通道数为1、单通道最大发射功率20W、业务负载为100%、馈损为0的情况下TDD-LTE平均发射功率一览表（表1），其他功率和业务负载只需要乘以相应的比例系数即可得到。

参考文献

[1]王映民，孙韶辉.TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[2]田桂宾，姬刚，石朗昱.TD-LTE无线网络广覆盖技术研究[J].邮电设计技术，2016（3）：46-49.

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