WiMAX网络中移动发射功率的考虑因素

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WiMAX网络中移动发射功率的考虑因素

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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。