WiMAX网络中移动发射功率的考虑因素

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。