WiMAX網(wǎng)絡(luò)中移動發(fā)射功率的考慮因素

當(dāng)設(shè)計(jì)人員把注意力轉(zhuǎn)向移動WiMAX設(shè)備時(shí)，他們很快便了解到在功率放大器(power amplifier, PA) 的設(shè)計(jì)方面存在不少特殊挑戰(zhàn)。對于Wave 2類移動WiMAX產(chǎn)品，功率放大器必需具有高線性度，能利用3.3 V 直流DC電源高效地提供 +23 dBm的輸出功率。

隨著制造商對第一代設(shè)計(jì)展開測試和部署，移動WiMAX中的功率管理迅速成為至關(guān)重要的問題。移動WiMAX 設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)之一是其覆蓋距離很長，WiMAX 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋距離一般是每小區(qū) (cell) 1公里左右。為此，WiMAX必須具有最佳的功率分布： 從基站 (base station) 以降到移動設(shè)備中的各個(gè)組件。在這種情況下，高發(fā)射功率就顯得十分重要。但 WiMAX 的發(fā)射功率能達(dá)到多高，監(jiān)管機(jī)構(gòu)規(guī)定的限值、技術(shù)局限性及使用模型又是什么？功率放大器的設(shè)計(jì)人員和選用PA的工程人員必需在大功率和高效率之間找到最佳平衡，以確保其 WiMAX 設(shè)備的鏈接穩(wěn)健、數(shù)據(jù)率高和覆蓋距離足夠。

WiMAX的本質(zhì)

對設(shè)計(jì)人員而言，WiMAX 的挑戰(zhàn)性在于它是一種帶有一組獨(dú)特約束條件的接入技術(shù)。因此，適用于蜂窩或 Wi-Fi 應(yīng)用的功率放大器電路不能簡單套用在WiMAX 設(shè)計(jì)上，也無法經(jīng)過簡單的修改就加以利用。

WiMAX 在許多方面都可被視為一種混合技術(shù)，因?yàn)樗婢吡朔涓C和 Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的不少特性。移動 WiMAX 與蜂窩非常類似，本意就是用于高移動設(shè)備，而且它使用獲授權(quán)的頻帶 (故用戶期望獲得高可靠性)。另外，它也像 CMDA 蜂窩技術(shù)一樣采用發(fā)射功率控制技術(shù)。然而，它又與蜂窩技術(shù)有所不同，因?yàn)槠涔ぷ鲾?shù)據(jù)率要比后者高得多 (因此對線性度的要求更為嚴(yán)格)，并且必須同時(shí)處理互聯(lián)網(wǎng)語音 (VoIP)、數(shù)據(jù)和視頻的傳輸。帶寬和各類服務(wù)傳輸優(yōu)先級的管理需要一個(gè)服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 組件，而單獨(dú)的移動語音是不需要 QoS 的。

另一方面，WiMAX 又與 Wi-Fi 很類似。例如，它的數(shù)據(jù)率很高，采用正交頻分復(fù)用 (OFDM) 技術(shù)，調(diào)制方式從 BPSK 到64-QAM，并且同樣是全 IP 網(wǎng)絡(luò)。但與 Wi-Fi 的不同之處是，WiMAX 使用的是一種完全預(yù)定 (scheduled) 的服務(wù)，而 Wi-Fi 則采用基于沖突的載波偵聽多址訪問 (CSMA) 技術(shù)。這為 WiMAX 提供了一項(xiàng)大大超越Wi-Fi的優(yōu)勢。在 CSMA 網(wǎng)絡(luò)中，隨著用戶數(shù)目的增加，總體數(shù)據(jù)率會顯著下降，因?yàn)槊恳粋€(gè)沖突都需要后續(xù)重發(fā)。而利用事先預(yù)定的服務(wù)，由于基站能有效地管理每個(gè)用戶對網(wǎng)絡(luò)的訪問，網(wǎng)絡(luò)總吞吐量不會因用戶數(shù)目的增加而受到影響。

WiMAX網(wǎng)絡(luò)的覆蓋距離

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)每個(gè)接入點(diǎn) (access point, AP) 的覆蓋距離一般在數(shù)十或數(shù)百米之內(nèi)； 而 WiMAX 網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)基站則可覆蓋大約1公里的范圍。要達(dá)到這個(gè)范圍，移動 WiMAX 網(wǎng)絡(luò)采用了包括大發(fā)射功率、子信道化和自適應(yīng)調(diào)制等一大批技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更長的覆蓋距離。

簡言之，射頻功率 (radio frequency, RF) 與覆蓋距離成正比，故更大的功率就等于更長的覆蓋距離。為了獲得長覆蓋距離，WiMAX 基站的發(fā)射功率級在+43dBm (20W) 左右；而 Wi-Fi AP 的典型發(fā)射功率是 +18 dBm (60 mW)。二者相差足足 330 多倍！WiMAX 移動臺 (mobile station, MS) 的發(fā)射功率一般為 +23 dBm (200mW)，Wi-Fi僅 +18 dBm (60 mW)。蜂窩 (CDMA) 基站和移動臺的發(fā)射功率都和 WiMAX 的差不多。不過，為了獲得更高的吞吐量，WiMAX 采用的調(diào)制級要高得多，故 WiMAX 需要比蜂窩好得多的信噪比 (SNR)。對于移動發(fā)射器，高調(diào)制級要求大幅度提高 PA 的線性度，致使 PA 設(shè)計(jì)比 GSM 或 CDMA 的要復(fù)雜得多。

你可能注意到下行功率 (從基站到移動臺) 與上行功率 (從移動臺到基站) 之間的差距很大，所以移動 WiMAX 網(wǎng)絡(luò)的上行鏈路被嚴(yán)格限制 (當(dāng)然，蜂窩網(wǎng)絡(luò)也存在這種情況)。這就是說，移動臺很容易接收到基站的發(fā)射信號，但移動臺自身的發(fā)射功率卻較低，難以被基站偵聽到。

解決這種失配問題的方法之一是利用一種被稱為子信道化 (subchannelization)的技術(shù)，亦即把所有可用的子信道分為若干子集，分別分配給各個(gè)特定用戶。實(shí)際上，每一個(gè)移動臺的能量都集中在一個(gè)較小的頻率范圍內(nèi)，凈信號增益變?yōu)?0*log (Ntotal/Nused)，這里Nused代表分配給用戶的子載波數(shù)目；而Ntotal 則代表可用的子載波總數(shù)。例如，如果一個(gè)用戶獲分配的子信道包含 24 個(gè)子載波，則與基站 (在所有841個(gè)分配的子載波上發(fā)射) 相關(guān)的凈增益為 10*log(841/24)=15.4 dB。其余的子載波可用于其它用戶，而且他們可同時(shí)使用這些子載波。

解決鏈路失衡的另一種技術(shù)是自適應(yīng)調(diào)制。這種情況下，移動臺利用比基站更低的調(diào)制級發(fā)射。比如，移動臺可能發(fā)射 QPSK 或 16QAM 信號；而基站則采用64QAM 技術(shù)發(fā)射。由于接收 QPSK 或 16QAM 所需的 SNR 比 64QAM 的為低，采用較低的調(diào)制級，以較低的發(fā)射功率就可以讓移動臺與基站進(jìn)行通信 (此時(shí)，由于較低的調(diào)制級使得每子載波發(fā)射的比特位較少，故上行鏈路的吞吐量便會下降)。例如，QPSK-1/2 所需的SNR為5 dB，16QAM-1/2 為 10.5 dB，64QAM-3/4 為 20 dB (注1)。如果移動臺采用 QPSK 調(diào)制進(jìn)行發(fā)射，基站能夠容許的鏈路損耗要比采用16QAM 時(shí)多 5.5 dB。

如果子信道化和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商就能夠有效地平衡上行鏈路和下行鏈路的預(yù)算，而且網(wǎng)絡(luò)將可雙向工作。但這種綜合方案的缺點(diǎn)包括：上行鏈路的吞吐量將低于下行鏈路；子信道化限制了移動發(fā)射可用的子載波數(shù)目；以及較低的調(diào)制級使每個(gè)可用子載波上發(fā)射的比特位較少。

移動WiMAX小區(qū)的功率分布

明白了上述的解釋后，讓我們看看 WiMAX 小區(qū)上的發(fā)射功率分布如何。一個(gè)普遍的誤解是移動臺只在小區(qū)邊緣才以最大的功率發(fā)射，而接近基站時(shí)的功率便較低。其實(shí)不然，移動臺在整個(gè)覆蓋范圍內(nèi)的發(fā)射功率都很高。

要了解原因何在，讓我們設(shè)想一個(gè)移動設(shè)備從小區(qū)邊緣直接向基站移動。在小區(qū)盡頭時(shí)，它的路徑損耗非常大，這時(shí)移動設(shè)備將采用最穩(wěn)健的調(diào)制方式、以最大的功率進(jìn)行發(fā)射，故上行數(shù)據(jù)率相當(dāng)?shù)汀５捎谝苿优_發(fā)射功率很高，且調(diào)制穩(wěn)健，基站能夠接收到移動臺的發(fā)射信號，而鏈路工作良好。

隨著移動設(shè)備越來越接近基站，路徑損耗減少。由于接收到的信號現(xiàn)在遠(yuǎn)大于噪聲基底，基站的信號級別增高，SNR變大。相應(yīng)地，基站可能會指示移動設(shè)備開始降低功率 (以盡可能減小不同移動臺之間的干擾)。不過，一旦信號級支持更高的調(diào)制級，基站就會指示移動設(shè)備切換調(diào)制方式，以提高網(wǎng)絡(luò)總體容量。

再回到我們比較 QPSK / 16QAM 的例子，假設(shè)一個(gè)發(fā)射器在 +23 dBm下工作，并剛達(dá)到了位于小區(qū)邊緣范圍時(shí) QPSK 所需的5 dB 的SNR，當(dāng)它向基站靠近時(shí)，路徑損耗下降，基站可能通知移動臺減小發(fā)射功率。然而，一旦路徑損耗減小5.5 dB，由于這時(shí)移動臺能夠獲得 10.5 dB 的SNR，故基站會指示移動臺切換到16QAM-1/2 調(diào)制方式，發(fā)射功率重新回復(fù)到 +23 dBm。所以，移動設(shè)備一般都以較高的功率進(jìn)行發(fā)射，除非它靠向基站，近得可以轉(zhuǎn)為采用 16QAM 方式工作 (許多情況下甚至可以采用64QAM)，這時(shí)功率便會下降。如圖1所示。

圖1是根據(jù)一份 WiMAX 論壇白皮書 (注2) 上的參數(shù)所繪制的。圖中顯示的可達(dá)到調(diào)制是到基站距離的函數(shù)。我們采用白皮書上的參數(shù)，假設(shè)工作頻率為2.5 GHz，信道帶寬10 MHz，3個(gè)子信道，穿透損耗10 dB，以此計(jì)算最大可能路徑損耗。在路徑損耗的計(jì)算當(dāng)中，我們采用2.5 GHz的 COST231郊外模型，基站高度32 m， 移動臺高度1.2m。這種分析假設(shè)有緩慢的 (對數(shù)常態(tài)) 衰減存在，但做了一些簡化，設(shè)定5.5 dB的固定衰減余裕。當(dāng)然，在現(xiàn)實(shí)中衰減是一個(gè)隨即過程，而且可利用閉環(huán)功率控制來減低其影響。不過，為了分析，這些結(jié)論是有意義的，因?yàn)樗p將完全模糊掉不同調(diào)制之間的界線。

我們需注意，紅環(huán)標(biāo)注的 QPSK-1/8 表示迭代 4 次的 QPSK-1/2 調(diào)制。這是最穩(wěn)健的調(diào)制方案，而且在最大距離處的確是必要的。在我們的分析中，我們根據(jù)計(jì)算得出，在發(fā)射功率為 +23 dBm時(shí)，對于距離基站 0.9 km 到 1.35km 的移動設(shè)備，移動臺必須采用QPSK-1/8 調(diào)制。在較近的距離處，移動臺可采用較高的調(diào)制級，網(wǎng)絡(luò)容量因此增大。例如，在距離基站 0.45 km 到0.6 km的地方，移動臺可采用16QAM-1/2調(diào)制。由于16QAM-1/2調(diào)制會每一符號發(fā)射2個(gè)比特位，而QPSK-1/8 每一符號只發(fā)射0.5個(gè)比特位，故綠環(huán)中的吞吐量比紅環(huán)中的多4倍。

圖1：+23 dBm發(fā)射功率下，可達(dá)到的調(diào)制與距離的關(guān)系


我們還估算了所需的發(fā)射功率，作為距離的函數(shù)。在圖1每個(gè)區(qū)域的邊緣處，移動臺以最大功率發(fā)射。但隨著移動臺向基站移動，其發(fā)射功率不斷下降至能夠?qū)崿F(xiàn)下一個(gè)調(diào)制級的足夠功率。這時(shí)，基站的發(fā)射功率又開始重新增加，以盡可能提高容量。圖2表明發(fā)射功率是距離的函數(shù)，顯示出自適應(yīng)調(diào)制的影響。可以看出，只有實(shí)現(xiàn)了最高調(diào)制級 (這里是64QAM-3/4)，發(fā)射功率才會大幅度下降。如果最大調(diào)制級改為16QAM-3/4，當(dāng)實(shí)現(xiàn)了這個(gè)調(diào)制級時(shí)，發(fā)射功率就會單調(diào)性下降。

我們要注意的是，衰減的存在將導(dǎo)致這一曲線顯著變化。在真實(shí)的衰減環(huán)境中，需要更多的余裕來抵銷衰減效應(yīng)，而且出現(xiàn)最大功率發(fā)射的情況要少得多。不過，圖2所示的總體趨勢是正確的，從中可以看出，僅在小區(qū)邊緣，即使在距離基站較近的地方，移動臺都被要求大功率發(fā)射，以實(shí)現(xiàn)較高的調(diào)制級。

圖2：發(fā)射功率與到基站距離的關(guān)系


大功率的優(yōu)勢

移動 WiMAX 終端的發(fā)射功率較大的好處非常顯著。試想將發(fā)射功率從 +23 dBm (200mW) 提高 40%，達(dá)到 +24.5 dBm (281 mW) 所產(chǎn)生的影響，首先，它需要更大的PA。假設(shè)PA后的損耗為1 dB，PA的輸出功率就必須從250 mW (+24 dBm) 增加到 355mW (+25.5 dBm)。

更大的發(fā)射功率有兩大優(yōu)勢。其一，以更大的輸出功率發(fā)射可以提高最大覆蓋距離。根據(jù)WiMAX 論壇《移動WiMAX白皮書》提供的參數(shù) (注3)，當(dāng)輸出功率從 23dBm 提高到24.5 dBm 時(shí)，移動設(shè)備與基站的最大距離從1.35公里增加到1.5公里，這樣，總體覆蓋面積將擴(kuò)大23.5%。原則上，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以因此而減少23% 的基站部署，從而節(jié)省成本。然而，這一優(yōu)勢的作用很有限，因?yàn)樵S多網(wǎng)絡(luò)都是根據(jù) +23 dBm的上行發(fā)射功率來設(shè)計(jì)小區(qū)大小的，故小區(qū)大小可能已經(jīng)被固定了。

第二個(gè)優(yōu)勢更重要。如果移動臺能夠以更高的功率發(fā)射，當(dāng)它遠(yuǎn)離基站時(shí)，就可以獲得更高調(diào)制級所需的SNR。這將增加網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘?，從而提高整體頻譜效率。

圖3顯示，在 +24.5 dBm 的發(fā)射功率下，調(diào)制可作為到基站距離的函數(shù)。在該圖中，我們再一次把可達(dá)到的調(diào)制作為到基站距離的函數(shù)來繪制 (虛線表示圖1的 +23 dBm 發(fā)射功率下的距離，以作參考)。這里需注意的是，最大距離從 1.35公里 提高到了1.5公里，如上討論。不過，更應(yīng)注意的是，用戶可以在更長的距離上(此時(shí)最大距離為0.7公里，而+23 dBm時(shí)為0.6 公里) 采用16QAM-1/2調(diào)制。由于發(fā)射功率更高，用戶能夠更早地實(shí)現(xiàn)更高的調(diào)制級，因此每一個(gè)用戶都可以在更長的距離上獲得更高的吞吐量，而網(wǎng)絡(luò)的總?cè)萘恳蚕鄳?yīng)增加。每多添一個(gè)用戶以更高的功率級發(fā)射，網(wǎng)絡(luò)的總體容量便會有所增加。我們要明白，必須是所有用戶都能以較高的功率進(jìn)行發(fā)射才可擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋面積。網(wǎng)絡(luò)中每增加一個(gè)發(fā)射功率較高的用戶，網(wǎng)絡(luò)總體容量就會變大一些。

圖3：+24.5dBm發(fā)射功率下，可達(dá)到的調(diào)制與距離的關(guān)系


最后，計(jì)算因發(fā)射功率從+23 dBm 提高到 +24.5 dBm所增加的容量就相對地簡單了。我們知道每一種調(diào)制方案的每個(gè)符號有多少比特位可被發(fā)射；也知道在兩個(gè)功率級下，每一種調(diào)制方案覆蓋的相對面積是多少。在采用這些信息計(jì)算相對容量時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)射功率從 +23 dBm 提高到 +24.5 dBm時(shí)，容量增加了24%。即使最大小區(qū)范圍仍為固定的1.35公里，當(dāng)發(fā)射功率提高到 +24.5 dBm時(shí)(假設(shè)網(wǎng)絡(luò)最初針對 +23 dBm的設(shè)備)，若設(shè)備能夠以較高的功率發(fā)射，容量仍可增加18%。

功率的限制

現(xiàn)在，我們已經(jīng)了解為什么在 WiMAX 網(wǎng)絡(luò)中較高的發(fā)射功率很重要，因?yàn)樗梢蕴岣哒麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，而且在“新建”的部署中可以獲得更大的小區(qū)覆蓋面積，從而降低部署成本。那么，為什么不以更高功率發(fā)射呢？這是因?yàn)橛腥齻€(gè)因素限制了我們在更高功率下的發(fā)射能力：PA效率、可用供電電壓，以及法規(guī)要求。

PA效率

在PA中，效率定義為 RF 功率輸出與直流功率輸入之比。例如，如果一個(gè)PA 的效率為 10%，它在 +25.5dBm (355 mW) 時(shí)的發(fā)射功率為3.55 W。若PA效率能夠翻一番達(dá)到20%，則峰值功耗降至1.7W。目前最先進(jìn)的WiMAX PA，比如SiGe 半導(dǎo)體的SE7262，其工作效率超過20% [參見補(bǔ)充]。

PA 效率對移動設(shè)備的電池壽命有直接的影響。當(dāng)然，PA 并非一直處于工作狀態(tài)，因此平均功耗比上面提到的峰值功耗要低得多。例如，當(dāng)移動臺發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，WiMAX 設(shè)備的發(fā)射占空比一般在 40% 左右。故而對于效率為20% 的PA，若以最大功率發(fā)射，平均峰值功耗在 680mW 左右。此外，由于常常無數(shù)據(jù)待發(fā)，這時(shí)，設(shè)備將基本處于閑置狀態(tài) (基本上，它只發(fā)射測距消息，以讓基站知道它仍在小區(qū)范圍內(nèi)) 。

不過，說到底，PA 功耗對電池壽命的影響很大，盡可能提高 PA效率是很重要的。

可用供電電壓

移動 WiMAX 設(shè)備直接由移動臺的電池供電，而電池的供電電壓在使用期間變化很大。在剛充滿電時(shí)，電池的工作電壓在 4.8V 左右。隨著電池的放電，供電電壓逐漸下降，設(shè)備斷電之前的最小實(shí)際供電電壓一般為 2.7V。大多數(shù)制造商都希望這個(gè)使用范圍盡可能地大，故規(guī)定功率放大器必須在 3.3V 時(shí)真正地提供全額定功率 (有時(shí)為3.0V)。要在這些條件下提供大功率存在一些重大挑戰(zhàn)。正如大多數(shù)電路設(shè)計(jì)人員所知，低供電電壓需要大電流，這就意味著超低的輸出阻抗。因此，很難讓低阻抗PA輸出匹配50歐姆天線。如果需要更高的輸出功率，阻抗就變得更低，要在 PA 與天線間獲得良好的寬帶匹配就愈發(fā)困難。

監(jiān)管要求

法規(guī)監(jiān)管要求也對PA能夠提供的功率制定了嚴(yán)格的限制。一個(gè)理想的線性PA應(yīng)該只利用輸入信號產(chǎn)生原始頻率。但在現(xiàn)實(shí)中，PA 的非線性度會通過互調(diào)失真 (intermodulation distortion, IMD) 而引入新的頻率，這些帶外信號可能干擾相鄰信道的用戶 (被稱為頻譜增生或頻譜泄漏)。

監(jiān)管機(jī)構(gòu)對帶外發(fā)射的功率制定有嚴(yán)格的規(guī)范。例如，對于2.5GHz 頻帶的移動設(shè)備，美國聯(lián)邦通信委員會 (FCC) 規(guī)定 (注4)，在設(shè)備指定頻帶之外5.5MHz處測得的發(fā)射功率必須小于 -25 dBm/MHz。由于這一限值是絕對功率測量值，隨著輸出功率增加，需要越來越大的帶外發(fā)射抑制，功率放大器的線性度必須越來越高。比如，信道帶寬為10 MHz，發(fā)射功率 +23 dBm 時(shí)，要獲得 -25 dBm/MHz就需要23-10log(10)+25=38 dB 的凈抑制。24.5 dBm 的發(fā)射功率需要39.5 dB 的抑制。因此，隨著輸出功率的增加，滿足監(jiān)管要求也變得越來越困難。為了減小IMD失真，PA的線性度必須提高，結(jié)果是PA的效率隨輸出功率目標(biāo)的提高而下降。

權(quán)衡的重要性

毋庸置疑，對移動WiMAX網(wǎng)絡(luò)而言，較高的發(fā)射功率十分重要。目前部署中的網(wǎng)絡(luò)規(guī)定最小發(fā)射功率為 +23 dBm。每一個(gè)發(fā)射功率大于 +23 dBm的用戶入網(wǎng)都會提高總體網(wǎng)絡(luò)效率。不過，發(fā)射功率越高，功耗也相應(yīng)增加。因此，在采用更高的輸出功率時(shí)，功率放大器的效率變得更加重要。


注1：IEEE Std 802.16e-2005第 8.4.13 節(jié)

注2：Mobile WiMAX 第1章：Overview and Performance 表11

注3：Mobile WiMAX 第 1章：A Technical Overview and Performance Evaluation第5.2節(jié) (由 WiMAX 論壇出版)

注 4：FCC 47/CFR 27.53(I.)



補(bǔ)充：

為什么WiMAX 的PA效率這么低？

尖端 WiMAX PA 的效率為 20%。許多GSM 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也許對區(qū)區(qū) 20% 的效率不屑一顧，因?yàn)?GSM PA很容易就可以獲得超過50% 的效率。那為什么WiMAX PA的效率就這么低呢？原因在于與WiMAX 相比，GSM 的線性度要求寬松得多，所以推動 GSM PA效率的力度就可以大很多。再者，WiMAX中所采用的 OFDM 調(diào)制產(chǎn)生峰均功率比 (PAPR) 為6 到 7 dB的信號，而GSM 的 PAPR 為0 dB (恒包絡(luò))。當(dāng)然，OFDM 也有大量優(yōu)勢，包括高頻譜效率和出色的抗衰減性，這些特性對移動WiMAX這樣的大帶寬移動應(yīng)用是非常重要的。