WiMAX网络中移动发射功率的考虑因素

当设计人员把注意力转向移动WiMAX设备时，他们很快便了解到在功率放大器(power amplifier, PA) 的设计方面存在不少特殊挑战。对于Wave 2类移动WiMAX产品，功率放大器必需具有高线性度，能利用3.3 V 直流DC电源高效地提供 +23 dBm的输出功率。

随着制造商对第一代设计展开测试和部署，移动WiMAX中的功率管理迅速成为至关重要的问题。移动WiMAX 设计的挑战之一是其覆盖距离很长，WiMAX 网络的覆盖距离一般是每小区 (cell) 1公里左右。为此，WiMAX必须具有最佳的功率分布： 从基站 (base station) 以降到移动设备中的各个组件。在这种情况下，高发射功率就显得十分重要。但 WiMAX 的发射功率能达到多高，监管机构规定的限值、技术局限性及使用模型又是什么？功率放大器的设计人员和选用PA的工程人员必需在大功率和高效率之间找到最佳平衡，以确保其 WiMAX 设备的链接稳健、数据率高和覆盖距离足够。

WiMAX的本质

对设计人员而言，WiMAX 的挑战性在于它是一种带有一组独特约束条件的接入技术。因此，适用于蜂窝或 Wi-Fi 应用的功率放大器电路不能简单套用在WiMAX 设计上，也无法经过简单的修改就加以利用。

WiMAX 在许多方面都可被视为一种混合技术，因为它兼具了蜂窝和 Wi-Fi网络的不少特性。移动 WiMAX 与蜂窝非常类似，本意就是用于高移动设备，而且它使用获授权的频带 (故用户期望获得高可靠性)。另外，它也像 CMDA 蜂窝技术一样采用发射功率控制技术。然而，它又与蜂窝技术有所不同，因为其工作数据率要比后者高得多 (因此对线性度的要求更为严格)，并且必须同时处理互联网语音 (VoIP)、数据和视频的传输。带宽和各类服务传输优先级的管理需要一个服务质量 (QoS) 组件，而单独的移动语音是不需要 QoS 的。

另一方面，WiMAX 又与 Wi-Fi 很类似。例如，它的数据率很高，采用正交频分复用 (OFDM) 技术，调制方式从 BPSK 到64-QAM，并且同样是全 IP 网络。但与 Wi-Fi 的不同之处是，WiMAX 使用的是一种完全预定 (scheduled) 的服务，而 Wi-Fi 则采用基于冲突的载波侦听多址访问 (CSMA) 技术。这为 WiMAX 提供了一项大大超越Wi-Fi的优势。在 CSMA 网络中，随着用户数目的增加，总体数据率会显着下降，因为每一个冲突都需要后续重发。而利用事先预定的服务，由于基站能有效地管理每个用户对网络的访问，网络总吞吐量不会因用户数目的增加而受到影响。

WiMAX网络的覆盖距离

Wi-Fi网络每个接入点 (access point, AP) 的覆盖距离一般在数十或数百米之内； 而 WiMAX 网络的每个基站则可覆盖大约1公里的范围。要达到这个范围，移动 WiMAX 网络采用了包括大发射功率、子信道化和自适应调制等一大批技术，以实现更长的覆盖距离。

简言之，射频功率 (radio frequency, RF) 与覆盖距离成正比，故更大的功率就等于更长的覆盖距离。为了获得长覆盖距离，WiMAX 基站的发射功率级在+43dBm (20W) 左右；而 Wi-Fi AP 的典型发射功率是 +18 dBm (60 mW)。二者相差足足 330 多倍！WiMAX 移动台 (mobile station, MS) 的发射功率一般为 +23 dBm (200mW)，Wi-Fi仅 +18 dBm (60 mW)。蜂窝 (CDMA) 基站和移动台的发射功率都和 WiMAX 的差不多。不过，为了获得更高的吞吐量，WiMAX 采用的调制级要高得多，故 WiMAX 需要比蜂窝好得多的信噪比 (SNR)。对于移动发射器，高调制级要求大幅度提高 PA 的线性度，致使 PA 设计比 GSM 或 CDMA 的要复杂得多。

你可能注意到下行功率 (从基站到移动台) 与上行功率 (从移动台到基站) 之间的差距很大，所以移动 WiMAX 网络的上行链路被严格限制 (当然，蜂窝网络也存在这种情况)。这就是说，移动台很容易接收到基站的发射信号，但移动台自身的发射功率却较低，难以被基站侦听到。

解决这种失配问题的方法之一是利用一种被称为子信道化 (subchannelization)的技术，亦即把所有可用的子信道分为若干子集，分别分配给各个特定用户。实际上，每一个移动台的能量都集中在一个较小的频率范围内，净信号增益变为10*log (Ntotal/Nused)，这里Nused代表分配给用户的子载波数目；而Ntotal 则代表可用的子载波总数。例如，如果一个用户获分配的子信道包含 24 个子载波，则与基站 (在所有841个分配的子载波上发射) 相关的净增益为 10*log(841/24)=15.4 dB。其余的子载波可用于其它用户，而且他们可同时使用这些子载波。

解决链路失衡的另一种技术是自适应调制。这种情况下，移动台利用比基站更低的调制级发射。比如，移动台可能发射 QPSK 或 16QAM 信号；而基站则采用64QAM 技术发射。由于接收 QPSK 或 16QAM 所需的 SNR 比 64QAM 的为低，采用较低的调制级，以较低的发射功率就可以让移动台与基站进行通信 (此时，由于较低的调制级使得每子载波发射的比特位较少，故上行链路的吞吐量便会下降)。例如，QPSK-1/2 所需的SNR为5 dB，16QAM-1/2 为 10.5 dB，64QAM-3/4 为 20 dB (注1)。如果移动台采用 QPSK 调制进行发射，基站能够容许的链路损耗要比采用16QAM 时多 5.5 dB。

如果子信道化和自适应调制技术相结合，网络运营商就能够有效地平衡上行链路和下行链路的预算，而且网络将可双向工作。但这种综合方案的缺点包括：上行链路的吞吐量将低于下行链路；子信道化限制了移动发射可用的子载波数目；以及较低的调制级使每个可用子载波上发射的比特位较少。

移动WiMAX小区的功率分布

明白了上述的解释后，让我们看看 WiMAX 小区上的发射功率分布如何。一个普遍的误解是移动台只在小区边缘才以最大的功率发射，而接近基站时的功率便较低。其实不然，移动台在整个覆盖范围内的发射功率都很高。

要了解原因何在，让我们设想一个移动设备从小区边缘直接向基站移动。在小区尽头时，它的路径损耗非常大，这时移动设备将采用最稳健的调制方式、以最大的功率进行发射，故上行数据率相当低。但由于移动台发射功率很高，且调制稳健，基站能够接收到移动台的发射信号，而链路工作良好。

随着移动设备越来越接近基站，路径损耗减少。由于接收到的信号现在远大于噪声基底，基站的信号级别增高，SNR变大。相应地，基站可能会指示移动设备开始降低功率 (以尽可能减小不同移动台之间的干扰)。不过，一旦信号级支持更高的调制级，基站就会指示移动设备切换调制方式，以提高网络总体容量。

再回到我们比较 QPSK / 16QAM 的例子，假设一个发射器在 +23 dBm下工作，并刚达到了位于小区边缘范围时 QPSK 所需的5 dB 的SNR，当它向基站靠近时，路径损耗下降，基站可能通知移动台减小发射功率。然而，一旦路径损耗减小5.5 dB，由于这时移动台能够获得 10.5 dB 的SNR，故基站会指示移动台切换到16QAM-1/2 调制方式，发射功率重新回复到 +23 dBm。所以，移动设备一般都以较高的功率进行发射，除非它靠向基站，近得可以转为采用 16QAM 方式工作 (许多情况下甚至可以采用64QAM)，这时功率便会下降。如图1所示。

图1是根据一份 WiMAX 论坛白皮书 (注2) 上的参数所绘制的。图中显示的可达到调制是到基站距离的函数。我们采用白皮书上的参数，假设工作频率为2.5 GHz，信道带宽10 MHz，3个子信道，穿透损耗10 dB，以此计算最大可能路径损耗。在路径损耗的计算当中，我们采用2.5 GHz的 COST231郊外模型，基站高度32 m， 移动台高度1.2m。这种分析假设有缓慢的 (对数常态) 衰减存在，但做了一些简化，设定5.5 dB的固定衰减余裕。当然，在现实中衰减是一个随即过程，而且可利用闭环功率控制来减低其影响。不过，为了分析，这些结论是有意义的，因为衰减将完全模糊掉不同调制之间的界线。

我们需注意，红环标注的 QPSK-1/8 表示迭代 4 次的 QPSK-1/2 调制。这是最稳健的调制方案，而且在最大距离处的确是必要的。在我们的分析中，我们根据计算得出，在发射功率为 +23 dBm时，对于距离基站 0.9 km 到 1.35km 的移动设备，移动台必须采用QPSK-1/8 调制。在较近的距离处，移动台可采用较高的调制级，网络容量因此增大。例如，在距离基站 0.45 km 到0.6 km的地方，移动台可采用16QAM-1/2调制。由于16QAM-1/2调制会每一符号发射2个比特位，而QPSK-1/8 每一符号只发射0.5个比特位，故绿环中的吞吐量比红环中的多4倍。

图1：+23 dBm发射功率下，可达到的调制与距离的关系


我们还估算了所需的发射功率，作为距离的函数。在图1每个区域的边缘处，移动台以最大功率发射。但随着移动台向基站移动，其发射功率不断下降至能够实现下一个调制级的足够功率。这时，基站的发射功率又开始重新增加，以尽可能提高容量。图2表明发射功率是距离的函数，显示出自适应调制的影响。可以看出，只有实现了最高调制级 (这里是64QAM-3/4)，发射功率才会大幅度下降。如果最大调制级改为16QAM-3/4，当实现了这个调制级时，发射功率就会单调性下降。

我们要注意的是，衰减的存在将导致这一曲线显着变化。在真实的衰减环境中，需要更多的余裕来抵销衰减效应，而且出现最大功率发射的情况要少得多。不过，图2所示的总体趋势是正确的，从中可以看出，仅在小区边缘，即使在距离基站较近的地方，移动台都被要求大功率发射，以实现较高的调制级。

图2：发射功率与到基站距离的关系


大功率的优势

移动 WiMAX 终端的发射功率较大的好处非常显着。试想将发射功率从 +23 dBm (200mW) 提高 40%，达到 +24.5 dBm (281 mW) 所产生的影响，首先，它需要更大的PA。假设PA后的损耗为1 dB，PA的输出功率就必须从250 mW (+24 dBm) 增加到 355mW (+25.5 dBm)。

更大的发射功率有两大优势。其一，以更大的输出功率发射可以提高最大覆盖距离。根据WiMAX 论坛《移动WiMAX白皮书》提供的参数 (注3)，当输出功率从 23dBm 提高到24.5 dBm 时，移动设备与基站的最大距离从1.35公里增加到1.5公里，这样，总体覆盖面积将扩大23.5%。原则上，网络运营商可以因此而减少23% 的基站部署，从而节省成本。然而，这一优势的作用很有限，因为许多网络都是根据 +23 dBm的上行发射功率来设计小区大小的，故小区大小可能已经被固定了。

第二个优势更重要。如果移动台能够以更高的功率发射，当它远离基站时，就可以获得更高调制级所需的SNR。这将增加网络总容量，从而提高整体频谱效率。

图3显示，在 +24.5 dBm 的发射功率下，调制可作为到基站距离的函数。在该图中，我们再一次把可达到的调制作为到基站距离的函数来绘制 (虚线表示图1的 +23 dBm 发射功率下的距离，以作参考)。这里需注意的是，最大距离从 1.35公里 提高到了1.5公里，如上讨论。不过，更应注意的是，用户可以在更长的距离上(此时最大距离为0.7公里，而+23 dBm时为0.6 公里) 采用16QAM-1/2调制。由于发射功率更高，用户能够更早地实现更高的调制级，因此每一个用户都可以在更长的距离上获得更高的吞吐量，而网络的总容量也相应增加。每多添一个用户以更高的功率级发射，网络的总体容量便会有所增加。我们要明白，必须是所有用户都能以较高的功率进行发射才可扩大小区的覆盖面积。网络中每增加一个发射功率较高的用户，网络总体容量就会变大一些。

图3：+24.5dBm发射功率下，可达到的调制与距离的关系


最后，计算因发射功率从+23 dBm 提高到 +24.5 dBm所增加的容量就相对地简单了。我们知道每一种调制方案的每个符号有多少比特位可被发射；也知道在两个功率级下，每一种调制方案覆盖的相对面积是多少。在采用这些信息计算相对容量时，我们发现当发射功率从 +23 dBm 提高到 +24.5 dBm时，容量增加了24%。即使最大小区范围仍为固定的1.35公里，当发射功率提高到 +24.5 dBm时(假设网络最初针对 +23 dBm的设备)，若设备能够以较高的功率发射，容量仍可增加18%。

功率的限制

现在，我们已经了解为什么在 WiMAX 网络中较高的发射功率很重要，因为它可以提高整个网络的吞吐量，而且在“新建”的部署中可以获得更大的小区覆盖面积，从而降低部署成本。那么，为什么不以更高功率发射呢？这是因为有三个因素限制了我们在更高功率下的发射能力：PA效率、可用供电电压，以及法规要求。

PA效率

在PA中，效率定义为 RF 功率输出与直流功率输入之比。例如，如果一个PA 的效率为 10%，它在 +25.5dBm (355 mW) 时的发射功率为3.55 W。若PA效率能够翻一番达到20%，则峰值功耗降至1.7W。目前最先进的WiMAX PA，比如SiGe 半导体的SE7262，其工作效率超过20% [参见补充]。

PA 效率对移动设备的电池寿命有直接的影响。当然，PA 并非一直处于工作状态，因此平均功耗比上面提到的峰值功耗要低得多。例如，当移动台发射数据时，WiMAX 设备的发射占空比一般在 40% 左右。故而对于效率为20% 的PA，若以最大功率发射，平均峰值功耗在 680mW 左右。此外，由于常常无数据待发，这时，设备将基本处于闲置状态 (基本上，它只发射测距消息，以让基站知道它仍在小区范围内) 。

不过，说到底，PA 功耗对电池寿命的影响很大，尽可能提高 PA效率是很重要的。

可用供电电压

移动 WiMAX 设备直接由移动台的电池供电，而电池的供电电压在使用期间变化很大。在刚充满电时，电池的工作电压在 4.8V 左右。随着电池的放电，供电电压逐渐下降，设备断电之前的最小实际供电电压一般为 2.7V。大多数制造商都希望这个使用范围尽可能地大，故规定功率放大器必须在 3.3V 时真正地提供全额定功率 (有时为3.0V)。要在这些条件下提供大功率存在一些重大挑战。正如大多数电路设计人员所知，低供电电压需要大电流，这就意味着超低的输出阻抗。因此，很难让低阻抗PA输出匹配50欧姆天线。如果需要更高的输出功率，阻抗就变得更低，要在 PA 与天线间获得良好的宽带匹配就愈发困难。

监管要求

法规监管要求也对PA能够提供的功率制定了严格的限制。一个理想的线性PA应该只利用输入信号产生原始频率。但在现实中，PA 的非线性度会通过互调失真 (intermodulation distortion, IMD) 而引入新的频率，这些带外信号可能干扰相邻信道的用户 (被称为频谱增生或频谱泄漏)。

监管机构对带外发射的功率制定有严格的规范。例如，对于2.5GHz 频带的移动设备，美国联邦通信委员会 (FCC) 规定 (注4)，在设备指定频带之外5.5MHz处测得的发射功率必须小于 -25 dBm/MHz。由于这一限值是绝对功率测量值，随着输出功率增加，需要越来越大的带外发射抑制，功率放大器的线性度必须越来越高。比如，信道带宽为10 MHz，发射功率 +23 dBm 时，要获得 -25 dBm/MHz就需要23-10log(10)+25=38 dB 的净抑制。24.5 dBm 的发射功率需要39.5 dB 的抑制。因此，随着输出功率的增加，满足监管要求也变得越来越困难。为了减小IMD失真，PA的线性度必须提高，结果是PA的效率随输出功率目标的提高而下降。

权衡的重要性

毋庸置疑，对移动WiMAX网络而言，较高的发射功率十分重要。目前部署中的网络规定最小发射功率为 +23 dBm。每一个发射功率大于 +23 dBm的用户入网都会提高总体网络效率。不过，发射功率越高，功耗也相应增加。因此，在采用更高的输出功率时，功率放大器的效率变得更加重要。


注1：IEEE Std 802.16e-2005第 8.4.13 节

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节 (由 WiMAX 论坛出版)

注 4：FCC 47/CFR 27.53(I.)



补充：

为什么WiMAX 的PA效率这么低？

尖端 WiMAX PA 的效率为 20%。许多GSM 系统设计人员也许对区区 20% 的效率不屑一顾，因为 GSM PA很容易就可以获得超过50% 的效率。那为什么WiMAX PA的效率就这么低呢？原因在于与WiMAX 相比，GSM 的线性度要求宽松得多，所以推动 GSM PA效率的力度就可以大很多。再者，WiMAX中所采用的 OFDM 调制产生峰均功率比 (PAPR) 为6 到 7 dB的信号，而GSM 的 PAPR 为0 dB (恒包络)。当然，OFDM 也有大量优势，包括高频谱效率和出色的抗衰减性，这些特性对移动WiMAX这样的大带宽移动应用是非常重要的。