WiMAX网络中移动发射功率的考虑因素

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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。

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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。