移动通信：影响WiMAX网络中移动发射功率的因素

作者：SiGe Semiconductor

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必须具有较佳的功率分布：从基站以至移动设备中的各个组件。在这种情况下，高发射功率是非常重要的。

WiMAX网络的特性

WiMAX是一种带有一组独特约束条件的接入技术。对设计人员而言，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，也不是经过简单的修改就可以利用的。

虽然WiMAX具备了蜂窝和WiMAX网络的不少特性，例如使用获许可的频带，也像CMDA蜂窝技术一样采用发射功率控制技术，但它与蜂窝技术的不同之处是其工作数据率高得多，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处理的管理工作需要一个服务质量（QoS）组件，但单独的移动语音是不需要QoS的。

同时，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64QAM，并且是全IP网络。但另一方面，WiMAX使用的是一种完全预定（scheduled）的服务，而Wi-Fi却采用基于冲突的载波侦听多址访问（CSMA）技术。在CSMA网络中，随着用户数目的增加，由于每一个冲突都需要后续重发，故总体数据率会显著下降。但利用事先预定的服务，基站可以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网络的覆盖范围

WiMAX网络的每个基站可覆盖的范围大约为1公里。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。

简单来说，射频功率就是覆盖范围，较大的功率就等于较大的覆盖范围。为了获得长覆盖距离，WiMAX基站的发射功率级在+43dBm（20W）左右，与Wi-FiAP的典型发射功率相差达330多倍！另外，WiMAX移动台（MS）的发射功率一般为+23dBm（200mW），而Wi-Fi仅+18dBm（60mW）。虽然蜂窝（CDMA）基站和移动台的发射功率和WiMAX的差不多，但为了获得更高的吞吐量，WiMAX采用的调制级要高得多，故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功率放大器（PA）的线性度，致使PA设计比GSM或CDMA的要复杂得多。

由于下行功率（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（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因为较低而难以被基站侦听到。

要解决这种失配情况，可以利用子信道化（subchannelization）技术，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（N_total/N_used）－ N_used代表分配给用户的子载波数目；而N_total 则代表可用的子载波总数。举例来说，一个用户获分配的子信道包含24个子载波，其与基站（在所有841个分配的子载波上发射）相关的净增益就是10*log（841/24）=15.4dB。其余的子载波可由其它用户同时分享。

另外，也可以采用自适应调制技术，使得移动台以较基站更低的调制级发射。例如，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，所以采用较低的调制级，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5dB，16QAM-1/2为10.5dB，64QAM-3/4为20dB。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5.5dB。

如果集成了子信道化和自适应调制技术，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，而且网络也可双向工作。但这种综合方案也有缺点：如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小区的功率分布情况

现在，让我们看看WiMAX小区上发射功率的分布情况。很多人以为移动台只在小区边缘才以较大的功率发射，而接近基站时的功率便较低。其实，移动台在整个覆盖范围内的发射功率都很高。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较稳健的调制方式、以较大的功率进行发射，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。

就以上一段的QPSK/16QAM例子来说明，假设一个发射器在+23dBm下工作，并刚达到了位于小区边缘范围时QPSK所需的5dB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5.5dB，由于这时移动台能够获得10.5dB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+23dBm。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2.5GHz，信道带宽10MHz，3个子信道，穿透损耗10dB，以此计算较大可能路径损耗。在这个计算中，我们采用2.5GHz的COST231郊外模型，基站高度32m，移动台高度1.2m。这种分析假设存在有缓慢的（对数常态）衰减，但做了一些简化，设定5.5dB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，紫色环标注的QPSK-1/8表示迭代4次的QPSK-1/2调制。这是较稳健的调制方案，而且在较大距离处的确是必要的。根据我们的计算得出，在发射功率为+23dBm时，对于距离基站0.9km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0.45km到0.6km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，故靛蓝色环中的吞吐量比紫环中的多4倍。

图1. +23dBm发射功率下，可达到的调制与距离的关系。

此外，我们也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，移动台以较大的功率发射。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，只有实现了较高调制级（这里是64QAM-3/4），发射功率才会大幅度下降。如果较大调制级改为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著变化。在真实的衰减环境中，需要更多的余裕来抵消衰减效应，而且出现较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终端具有较大的发射功率有两大优势。首先，以较大的输出功率发射可以提高较大覆盖距离。根据WiMAX论坛一份白皮书提供的参数显示，当输出功率从23dBm提高到24.5dBm时，移动设备与基站的较大距离从1.35公里增加到1.5公里，这样，总体覆盖面积将扩大23.5%。这样，网络运营商原则上可以减少23%的基站部署，达到节省成本的目标。不过，由于许多网络都是根据+23dBm的上行发射功率来设计小区大小的，故小区的大小可能已经被固定了，这一优势的作用不大。

至于第二个优势，如果移动台能够以较高的功率来发射，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，较终提高整体频谱效率，所以这个优势较为重要。

图3显示，在+24.5dBm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+23dBm发射功率下的距离，以作参考）。这里需注意的是，较大距离从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（此时较大距离为0.7公里，而+23dBm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。我们要明白的是，只有在全部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

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