手機(jī)發(fā)射功率淺析

一、手機(jī)發(fā)射功率的兩個(gè)方面

　　手機(jī)發(fā)射功率在PHS、GSM、 cdma2000 1x、wcdma等協(xié)議中，被設(shè)計(jì)得越來越復(fù)雜，它的重要性已不言而喻，哪手機(jī)發(fā)射功率是大些好哪，還是小些好哪?事實(shí)上單純的說大些好或者小些好，都實(shí)在不是一個(gè)明智的回答，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)手機(jī)功率時(shí)，要考慮以下兩個(gè)方面：

　　1、在能保證正常通信情況下，手機(jī)發(fā)射功率越小越好

　　*、手機(jī)發(fā)射功率越小,手機(jī)的耗電量就越小,待機(jī)時(shí)間、通話時(shí)間越長;

　　*、手機(jī)發(fā)射功率越小，對同系統(tǒng)別的手機(jī)的干擾越小，這不僅給同系統(tǒng)別的手機(jī)創(chuàng)造了好的無線環(huán)境，同時(shí)對于cdma2000 1x、wcdma來說，這就意味著小區(qū)容量越大;

　　*、手機(jī)發(fā)射功率越小，對別的無線設(shè)備干擾越小,這就給別的無線設(shè)備創(chuàng)造了好的無線環(huán)境;

　　2、在有些情況下，為了能保證通信質(zhì)量，手機(jī)發(fā)射功率希望能被調(diào)整的大些，再大些,再大些......

　　*、手機(jī)在小區(qū)的遠(yuǎn)端時(shí),為了保證手機(jī)信號經(jīng)過長距離傳輸?shù)竭_(dá)基站后,手機(jī)信號仍能被正確解調(diào),也就是手機(jī)發(fā)射功率要足夠大，以克服信號經(jīng)過長距離傳輸?shù)乃p;

　　*、手機(jī)被建筑物或其它遮擋，在無線陰影區(qū)內(nèi)，手機(jī)發(fā)射功率也要足夠大，以克服手機(jī)信號必須經(jīng)過多次的反射、折射及長距離傳輸?shù)乃p;

　　*、手機(jī)在干擾比較大的情況下，如鄰信道、同信道干擾，阻塞等等，手機(jī)發(fā)射功率也要足夠大，以克服噪聲的干擾。

　　綜上所述，手機(jī)發(fā)射功率存在著兩面性，一方面在能保證正常通信情況下，手機(jī)發(fā)射功率越小越好;另一方面，在有些情況下，為了能保證通信質(zhì)量，手機(jī)發(fā)射功率必須要大一些，甚至要再大一些。這兩方面看似矛盾，實(shí)為統(tǒng)一，準(zhǔn)確表述為：手機(jī)必須發(fā)出足夠大的功率，以保證通信質(zhì)量，在保證通信質(zhì)量的前提下，手機(jī)發(fā)射功率越小越好。換言之，手機(jī)發(fā)射功率最好根據(jù)實(shí)際情況能夠被控制，該大則大，該小則小。

　　二、PHS手機(jī)發(fā)射功率

　　PHS(Personal Handyphone system的縮寫)為日本獨(dú)立開發(fā)出的第三代數(shù)字無繩電話系統(tǒng)——個(gè)人攜帶電話系統(tǒng),它具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)：建設(shè)費(fèi)用低、系統(tǒng)擴(kuò)充方便,超低的資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),因協(xié)議簡單，而使手機(jī)制造成本降低，最終導(dǎo)致手機(jī)擁有價(jià)格上的優(yōu)勢等等。PHS在中國被稱為小靈通，在有些地方也稱為“個(gè)人通信接入系統(tǒng)PAS(Personal Access System)”

　　PHS采用日本RCR-STD28協(xié)議作為空中無線接口標(biāo)準(zhǔn)，采用微蜂窩技術(shù)，因此它必須建置較密集的基站。由于基站覆蓋范圍較小，其鋪設(shè)就必須比高功率的移動電話基站密，適于低速狀態(tài)下的移動。不過，新一代的PHS基站范圍已擴(kuò)大至500米。

　　基于以上的情況，特別是采用微蜂窩技術(shù)，RCR-STD28規(guī)定手機(jī)的發(fā)射平均功率≤10mW，峰值功率≤80mW，發(fā)射功率不可控。除此之外，有關(guān)PHS手機(jī)發(fā)射功率的測量還有

　　1、載波關(guān)斷泄漏功率≤80nW

　　2、發(fā)射瞬態(tài)響應(yīng)特性：脈沖上升、下降時(shí)間≤13μS

　　3、雜散發(fā)射功率相對載波電平(衰減量)≥50dB，或絕對電平≤2.5μW。

　　從以上的情況不難看出，PHS手機(jī)在小區(qū)遠(yuǎn)端，或陰影區(qū)，或受到干擾，是不能以再提高發(fā)射功率，以抵消無線信號的長距離傳輸?shù)膿p耗，或建筑物等的遮擋損耗，或抵御干擾。這實(shí)際上導(dǎo)致的結(jié)果就是手機(jī)與基站之間的無線鏈路很脆弱，這是PHS手機(jī)協(xié)議上的根本弱點(diǎn)之一。

　　反過來從協(xié)議對手機(jī)發(fā)射功率的規(guī)定中我們也不難看出，PHS只能采用微蜂窩技術(shù)，通過建置較密集的基站抵消遠(yuǎn)近效應(yīng)和陰影效應(yīng)，否則就會出現(xiàn)大量的無信號區(qū)域和通信質(zhì)量差等問題。在受到干擾，通信質(zhì)量降低的情況下，手機(jī)也無法通過提高發(fā)射功率的辦法，來保證通信質(zhì)量。

　　由于PHS手機(jī)發(fā)射功率比較小,對別的手機(jī)或無線設(shè)備干擾也小，它的待機(jī)時(shí)間、通話時(shí)間都比較長，由于PHS手機(jī)發(fā)射功率不受控制，協(xié)議簡單，手機(jī)制造成本也相對較低。

　　三、GSM手機(jī)發(fā)射功率

　　GSM協(xié)議規(guī)定，手機(jī)發(fā)射功率是可以被基站控制的?；就ㄟ^下行SACCH信道，發(fā)出命令控制手機(jī)的發(fā)射功率級別，每個(gè)功率級別差 2dB，GSM900 手機(jī)最大發(fā)射功率級別是5(33dBm)，最小發(fā)射功率級別是19(5dBm)，DCS1800手機(jī)最大發(fā)射功率級別是 0(30dBm)，最小發(fā)射功率級別是15(0dBm)。

　　從以上不難看出當(dāng)手機(jī)遠(yuǎn)離基站，或者處于無線陰影區(qū)時(shí)，基站可以命令手機(jī)發(fā)出較大功率，直至33dBm(GSM900)，以克服遠(yuǎn)距離傳輸或建筑物遮擋所造成的信號損耗。如果手機(jī)離基站很近，且無任何遮擋物時(shí)，基站可以命令手機(jī)發(fā)出較小功率，直至5dBm(GSM900)，以減少手機(jī)對同信道、相鄰信道的其它GSM用戶的干擾和其它無線設(shè)備的干擾，而且這樣還可以有效延長手機(jī)待機(jī)時(shí)間、通話時(shí)間。

　　從以上不難看出GSM手機(jī)發(fā)出的最低功率僅為5dBm(GSM900)，約為3.2mW，這比PHS的平均功率 10mW要小，同時(shí)GSM手機(jī)發(fā)出的最大功率33dBm(GSM900)，約為2W，這個(gè)信號相對來說是巨大的，對這種大信號不加以嚴(yán)格規(guī)定，其干擾也是巨大的。因此GSM就手機(jī)發(fā)射信號除了發(fā)射功率的規(guī)定以外，在其它方面也作了適當(dāng)?shù)囊?guī)定。(注意：這里是適當(dāng)?shù)囊?guī)定，如果規(guī)定偏嚴(yán)無疑會加大手機(jī)制造成本，如果偏松，無疑會加大干擾。)具體有如下幾個(gè)方面：

　　1、Power versus Time

　　由于GSM是TDMA系統(tǒng)，因此GSM協(xié)議通過一個(gè)功率對時(shí)間的模板來嚴(yán)格限制發(fā)射功率在時(shí)間域的變化情況，以減少干擾，尤其是對同信道其他時(shí)隙的用戶的干擾。

　　2、Output RF Spectrum Due to Modulation

　　3、Output RF Spectrum Due to Ramping

　　GSM通過對手機(jī)發(fā)射信號的調(diào)制譜和切換譜的規(guī)定，來限制手機(jī)發(fā)射信號時(shí)的頻譜帶寬和形狀，以減少干擾，尤其是鄰信道用戶的干擾。

　　拿GSM協(xié)議和PHS協(xié)議對比來看，GSM為保證通信質(zhì)量，規(guī)定了手機(jī)的發(fā)射功率是受基站控制的，根據(jù)需要可大可小，但同時(shí)又嚴(yán)格規(guī)定手機(jī)發(fā)射信號在時(shí)間域和頻率域的“形狀”(PvT,ORFS)，這無疑又極大的限制了手機(jī)對外的干擾。而PHS手機(jī)的發(fā)射功率不可再增大，因此PHS手機(jī)與基站之間的無線鏈路很脆弱的弱點(diǎn)，只能通過建置較密集的基站來解決，這無疑又加大了系統(tǒng)的投資。當(dāng)然由于它的發(fā)射信號始終比較小，信號在時(shí)域和頻域上的要求也不用很嚴(yán)，生產(chǎn)制造成本、測試成本也都跟著降了下來。

　　從以上不難看出，同為時(shí)分多址系統(tǒng)，單從手機(jī)發(fā)射功率這點(diǎn)就能看出來，GSM系統(tǒng)優(yōu)于PHS系統(tǒng)。 四、cdma2000 1x手機(jī)發(fā)射功率

　　cdma顧名思義是碼分多址，因此在一個(gè)小區(qū)內(nèi)的所有用戶，都是同時(shí)在同一個(gè)頻率上通訊，因此每個(gè)用戶都回受到同小區(qū)的其它用戶的干擾，每個(gè)用戶都會干擾同小區(qū)的其它用戶，因此人們也把cdma稱之為自干擾系統(tǒng)。

　　CDMA的基本技術(shù)之一是功率控制。因?yàn)橄拗艭DMA系統(tǒng)容量的因素是總干擾功率，所以控制每個(gè)移動臺的功率是獲得最大容量的關(guān)鍵。在給定條件下，CDMA移動臺的功率被控制到能夠保證接收話音質(zhì)量的最小功率。結(jié)果是每個(gè)移動臺到達(dá)基站的信號電平幾乎相同。這樣，每臺移動臺對其他移動臺的干擾被控制到最小。因此CDMA系統(tǒng)容量也被稱為“軟容量”，也就是CDMA可以通過降低通信質(zhì)量來提高系統(tǒng)容量。

　　如果移動臺發(fā)射功率過大，會對其他用戶帶來干擾。它會作為其他接收者的背景噪聲存在。如果某用戶為了獲得完美的話音而沒有限制的升高發(fā)射信號功率，那么他將不僅影響到本網(wǎng)絡(luò)的其他用戶的通話，而且會影響到該頻段上其他通信系統(tǒng)用戶的使用。

　　下面以cdma2000 1x(cdma95類似)為例，詳細(xì)介紹有關(guān)功率控制與測試。cdma2000 1x反向鏈路采用兩種形式的功率控制：開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制。

　　先看開環(huán)功率控制：它是假定前向路徑損耗與反向路徑損耗是相似的鏈路為前提的。將發(fā)射功率與接收功率的總和設(shè)置為一個(gè)常數(shù)，通常為-73dB。[移動臺根據(jù)在整個(gè)1.2288MHz頻段接收到的總信號能量(就是在導(dǎo)頻、尋呼、同步和業(yè)務(wù)信道的功率，其中含有從服務(wù)基站來的信號與相同頻率相鄰基站的信號總和來)來調(diào)整它的發(fā)射功率]

　　例如：如果移動臺接收到的信號功率為-85dBm，這時(shí)它的發(fā)射功率應(yīng)當(dāng)為：-73-(-85)=12dBm

　　閉環(huán)功率控制：基站監(jiān)視從每個(gè)移動臺接收的功率并命令移動臺以固定的步長1dB(0.5 dB、0.25dB)增加或降低功率(不能保持不變)。這個(gè)過程每1.25ms一次(每秒鐘重復(fù)800次)

　　從以上資料不難看出，cdma2000 1x不斷精確控制手機(jī)的發(fā)射功率，以達(dá)到在能夠保證接收質(zhì)量的情況下的最小功率，下面詳細(xì)介紹 cdma2000 1x為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的所作的有關(guān)功率方面的測試規(guī)定。

　　1、Open Loop Output

　　這部分主要以基站發(fā)出大信號、中信號、小信號三種狀況下，來檢測手機(jī)是否能正確估算出開環(huán)輸出功率，以及開環(huán)輸出功率范圍。

　　2、Time Response of Open Loop

　　這部分主要保證，手機(jī)在不斷運(yùn)動，或者其他原因，導(dǎo)致接受到基站的信號持續(xù)變化時(shí)，手機(jī)是否能根據(jù)這種變化能快速、持續(xù)調(diào)整開環(huán)輸出功率。

　　3、Closed Loop Power Range

　　對于閉環(huán)功率控制，基站命令手機(jī)進(jìn)行輸出功率調(diào)整以優(yōu)化功率輸出?；谑盏降碾娖?，基站命令手機(jī)增加和降低輸出功率，每1.25 ms變化 1 dB(800次/秒)。測試閉環(huán)功率性能的標(biāo)準(zhǔn)方法包括驗(yàn)證整個(gè)功率范圍及手機(jī)閉環(huán)功率控制范圍的線性。CDMA手機(jī)必須演示±24dB的閉環(huán)功率控制范圍以及定義的改變功率的速度，以確定手機(jī)是否能跟上基站的命令。

　　4、Maximum Output Power和Minimum Output Power

　　根據(jù)以上的介紹，其實(shí)基站對手機(jī)發(fā)射的絕對功率并不是很重視，它僅僅是要求手機(jī)能根據(jù)自己發(fā)出的功率上升指令或功率下降指令自動調(diào)整輸出功率即可，且最好手機(jī)能發(fā)出無限大或無限小的功率來，但這個(gè)要求對手機(jī)制造商來說，實(shí)在是苛刻，且會無限制的提高手機(jī)制造成本，因此折中的方案是將手機(jī)按發(fā)射功率分類，不同類的手機(jī)最大功率必須達(dá)到各自要求，也就是至少要大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大功率的下限，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大功率的上限，使其在小區(qū)遠(yuǎn)端或無線陰影中也能較好通訊。同時(shí)要求手機(jī)必須能夠輸出小于最小功率的功率值來，也就是在無線環(huán)境比較好，且手機(jī)與基站很近時(shí)，手機(jī)能把自己的輸出功率降得很低，以確保對其它手機(jī)的最小干擾和對電池的最小消耗。

　　5、Standby Power

　　cdma2000 1x規(guī)定手機(jī)待機(jī)功率要小于-61 dBm，這既保證了對外干擾很小，又保證了在待機(jī)時(shí)間對電池的小消耗，延長了手機(jī)的待機(jī)時(shí)間。

　　五、wcdma手機(jī)發(fā)射功率

　　GSM和wcdma雖然同為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，但wcdma畢竟是碼分多址的，它采納，也必須采納cdma中很多穩(wěn)定成熟的技術(shù)和方案，至少在對手記發(fā)射功率控制這塊，wcdma和cdma2000 1x就非常類似，只是wcdma對手機(jī)功率控制要求更精準(zhǔn)、更嚴(yán)格。

　　筆者認(rèn)為這里的原因是wcdma畢竟是碼分多址的技術(shù)，它需要采用功率控制技術(shù)，來平衡用戶功率，以保證系統(tǒng)每個(gè)用戶的通信質(zhì)量和系統(tǒng)的最大容量。雖然 GSM和wcdma同為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，而且GSM是第二代標(biāo)準(zhǔn)，wcdma是第三代標(biāo)準(zhǔn)，GSM盡管也采用了功率控制技術(shù)，但區(qū)別還是巨大的：

　　(1) GSM功率控制速率要慢得多，對功率控制升多少、降多少要求并不是很精準(zhǔn),也不是很嚴(yán)格;

　　(2) GSM對功率控制依賴程度要低，而CDMA沒有了功率控制將幾乎無法工作。

　　事實(shí)上在W—CDMA中，上行鏈路采用開環(huán)功控和閉環(huán)功控兩種方式。當(dāng)上行鏈路沒有建立時(shí)，開環(huán)功控用來調(diào)節(jié)物理隨機(jī)接入信道的發(fā)射功率。鏈路建立之后，使用閉環(huán)功控。閉環(huán)功控包括內(nèi)環(huán)功控和外環(huán)功控。外環(huán)功控以誤碼率或者誤幀率作為控制目標(biāo)，內(nèi)環(huán)功控以信干比作為控制目標(biāo)。下行鏈路只有閉環(huán)功控。

　　1、Open Loop Power

　　這部分主要以基站發(fā)出大信號、中信號、小信號三種狀況下，來檢測手機(jī)是否能正確估算出開環(huán)輸出功率，以及開環(huán)輸出功率范圍。具體計(jì)算公式為：PRACH Preamble Initial Power = (P- CPICH DL TX Power) - (CPICH_RSCP)+ (UL Interference) + (Constant Value)

　　2、Inner Loop Power wcdma

　　關(guān)于手機(jī)在內(nèi)環(huán)功控方面作了較好的功率控制位的形式和算法的規(guī)定，手機(jī)在內(nèi)環(huán)功控下，必須能發(fā)出–50dBm到+24 dBm范圍內(nèi)的信號，而且還要求手機(jī)能夠很好相應(yīng)基站所發(fā)出的功率控制位，當(dāng)基站發(fā)出升(或降)1dB命令時(shí)，手機(jī)必須升(或降)1dB+/-0.5dB，當(dāng)基站發(fā)出升(或降)10dB 命令時(shí)，手機(jī)必須升(或降)10dB+/-2dB。同時(shí)wcdma還規(guī)定了A,B,C,D,E,F,G,H 8段區(qū)域，來測試手機(jī)。將這部分與 cdma2000 1x 的閉環(huán)功率控制相比，可以看出雖然異曲同工，但wcdma的規(guī)定更嚴(yán)謹(jǐn)，更細(xì)致。

　　3、Maximum Output Power和Minimum Output Power

　　wcdma與cdma2000 1x在這方面非常類似，故不再贅述。

　　通過以上的介紹，不難看出WCDMA與IS-95、CDMA 2000 1x沒有本質(zhì)不同，撇開IPR問題，所有的不同點(diǎn)無非是怎樣才能更好發(fā)揮CDMA的優(yōu)勢、提高系統(tǒng)的性能如系統(tǒng)容量、通信質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋等。

　　六、結(jié)束語

　　前面所述僅是把各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)里對手機(jī)發(fā)射功率的有關(guān)規(guī)定拿出來羅列和對比，掛一漏萬。但管中窺豹，足見技術(shù)的發(fā)展和通信協(xié)議的進(jìn)步。

　　PHS和GSM同為時(shí)分多址系統(tǒng)，協(xié)議就手機(jī)輸出功率方面的規(guī)定具有可比性，它們與cdma2000 1x、wcdma這些碼分多址系統(tǒng)，在手機(jī)輸出功率方面不具有可比性。碼分多址近似的可以認(rèn)為是在實(shí)時(shí)的(1.25ms一次)，精確的(以0.25 dB)控制手機(jī)發(fā)射功率，而手機(jī)也要實(shí)時(shí)的、精確的相應(yīng)控制(具體測試方法見上文)，以保證系統(tǒng)的需要。由于多址方式的不同，這就決定了GSM沒有必要搞碼分多址哪種實(shí)時(shí)的、精確的、很復(fù)雜的功率控制(以節(jié)省制造、測試成本)，當(dāng)然也不能像PHS那樣，不控制手機(jī)輸出功率，即便是在微蜂窩內(nèi)。

　　在上文中，也是簡單介紹了碼分多址技術(shù)對手機(jī)發(fā)射功率的控制，事實(shí)上碼分多址技術(shù)對基站和手機(jī)的發(fā)射功率的規(guī)定遠(yuǎn)不止這些，如接入試探功率、發(fā)射開/關(guān)控制，呼吸技術(shù)等等?，F(xiàn)實(shí)的情況是，如果沒有功率控制等無線資源管理技術(shù)的支持，碼分多址的性能比時(shí)分多址更差。而這些筆者在本文都將其省略了，并不是說這些不重要，而是筆者認(rèn)為這些與本文著眼點(diǎn)不太一致。

　　總之，手機(jī)發(fā)射功率實(shí)在是個(gè)重要的指標(biāo)，也是一柄鋒利的雙刃劍，一方面人們希望它足夠大，以克服無線電波傳播路徑的損耗、發(fā)射、折射的損耗，克服其他無線電波的干擾，另一方面又希望它足夠小，盡可能小的干擾別人，這點(diǎn)在碼分多址系統(tǒng)中尤顯突出。解決的辦法就是要根據(jù)需要控制手機(jī)發(fā)射功率，在保證所有人的正常通信的情況下，盡可能的把所有手機(jī)的發(fā)射功率都降下來。當(dāng)然，這些無疑會加大協(xié)議的復(fù)雜性，提高手機(jī)的制造成本，但這可以保證更多的人同時(shí)擁有更多的帶寬，這是符合人們一直在追求的提高無線資源利用率這一目標(biāo)的，畢竟頻率資源是不可再生的資源，而手機(jī)的制造成本會通過手機(jī)的批量生產(chǎn)，最終會降下來。