3G移动台能耗理论分析

【摘要】近年来，在新技术革命的推动下，信息通信技术得到飞速发展。但是紧跟着而来的能耗问题也越来越严重。从移动台本身到移动数据传输，它们所消耗的能量都在加重全球能源危机和全球气候变暖问题。中国是一个能源消耗大国，但是在多年的粗放式经济发展坏境下，缺失对能源的高效应用问题的关注。本文就3G移动台能耗理论进行了分析。

【关键词】能耗理论;3G移动台能耗;分析

自从2009年3G的分发开始，中国用户将逐渐向WIMAX网络和4G网络转移。据中国人民共和国工业和信息化部的权威统计截至2013年2月底，我国3G用户总数为2.6亿户，3G用户渗透率达到23.0%，中国移动、中国电信和中国联通的3G用户数分别达到10418.4万户、7224.9万户和8348.4万户，我国已经拥有全世界最大的通信网。国内外的3G手机用户越来越多，手机的功能也越来越多，这也意味着移动台对手机电源的要求也越来越高针对这个问题，采用进行数据模拟仿真建立数学模型的方法，来找出信息传递能量消耗模型。通过改变模型中数据来找出电源电池电路的功耗与发射台距移动台距离的关系。通过这些来让用户知道如何更好的节省手机电源。

一、构建3G能耗消耗模型

通过分析研究可以知道，移动台到基站的数学模型简化如图2.1所示：

图2.1 移动台到基站距离简化模型

在图2.1中基站的收发信号范围为一个半径为 的圆，即假设小区为一个半径是 的圆，而移动台在这个范围内随机走动，且移动台的移动假设符合均匀分布（在小区内任意地方出现机率相同），假设移动台本身高度（包括发射天线）为h，基站的高度（包括接收天线）为H，移动台到基站的距离为 。移动台顶端到基站天线顶端的距离为 .则d= .假设移动台的移动符合均匀分布，则满足概率密度函数 。由此可知在该移动台小区范围内的能耗 即 bit/J，式中 为基站覆盖区域的半径。

假设移动台与基站之间的信号传递为直线传播，即电磁波在自由空间（理想的、均匀的、各向同性的介质）中传播，它将不会发生发射、折射散射和吸收现象，即只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗。假设发射点的发射功率为 ，以球面波辐射;设接收的功率为 ;则有 ，式中 ， 为工作波长， 、 分别为发射天线和接收天线增益，d为发射天线与接收天线的距离。根据传播损耗定义可知： ，即可简化为传播损耗L： （2.1）

考虑移动台传递信号进行直线传播，认为移动台与基站距离为d，总的功率消耗为 ，其中 为传输功率， 为功率放大器之外其他电路消耗功率， ; 是漏极效率， 是峰均比（Peak to average ratio，PAR）。对于MQAM调制， ，每符号的比特数定义为 。信道为k阶路径损耗，且为加性高斯白噪声（Additive white Gaussian noise AWGN），根据Cui等使用的传输率 ，不考虑信道估计的影响，可以将传输功率 写成：

（2.1）

这里比特电路与移动台内部能耗之和为 ， 是传输比特率， 是载波波长， 是用于补偿硬件电路处理和加性背景噪声或干扰链路裕量. 是接收噪声系数，定义为： = ，这里 为接收器输入端总的有效噪声功率谱密度（Power spectral density，PSD）， 为室温下单边带热噪声 PSD.。因此可以得出每比特能耗为：

（2.2）

其中， 为移动台进行通信时的电源电路所消耗的功率，且 ≈ + + + + + + ，令 为平均误码率，采用 BPSK 传输时，则传送每比特平均能耗[2] ，其中功率无线收发信机、基带信号处理电路、基带控制电路、存储电路、盘、显示器、外部接口分别用 、 、 、 、 、 、 。

2移动台发射和接收功率分析

通信的时候在逻辑上需要两条链路：一条是出去的，一条是进来的（上行和下行）;上行是指信号从移动台（一般指手机）到基站（2G叫BTS，3G叫NODEB）到BSC 下行是指信号从BSC到基站（2G叫BTS，3G叫NODEB）到移动台（一般指手机）这两条链路必须要分开，否则通信无法正常进行，由此产生双工模式。

在码分多址系统中，有两方面的干扰，一方面是使用同一CDMA无线频带的移动台和基站造成的干扰，称为自干扰;另一方面是CDMA相邻频带或者模拟系统单元所造成的干扰。CDMA系统通信质量和容量主要取决于受到干扰的大小。由屈志英等使用的功率与CDMA系统容量关系式[16]可知：功率和负载之间的关系可以表示为总功率P（接收信号加基站噪声）与基站噪声之比为：

（2.3）

其中总的接收干扰 ，N表示小区内移动台数目，W表示系统带宽， 别是热噪声密度，S表示接收信号强度， 表示话音激活因子，F表示基站噪声指数，小区负载 。

我国经济社会各个行业的节能减排工作，已成为经济结构的调整、经济增长模式的转变的突破口和重要推力，而发挥信息技术优势的通信行业的节能降耗更将成为其他行业高效节能减排的有力推手。通信行业节能减排具有全局战略的重要性与自身可持续发展的紧迫性，通信行业的能耗高速增长态势不容忽视。