WiMAX网络中移动发射功率的考虑因素

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。