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WiMAX網(wǎng)絡(luò)中移動發(fā)射功率的考慮因素

作者: 時間:2008-06-10 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

當(dāng)設(shè)計人員把注意力轉(zhuǎn)向移動設(shè)備時,他們很快便了解到在功率放大器(power amplifier, PA) 的設(shè)計方面存在不少特殊挑戰(zhàn)。對于Wave 2類移動產(chǎn)品,功率放大器必需具有高線性度,能利用3.3 V 直流DC電源高效地提供 +23 dBm的輸出功率。

隨著制造商對第一代設(shè)計展開測試和部署,移動中的功率管理迅速成為至關(guān)重要的問題。移動WiMAX 設(shè)計的挑戰(zhàn)之一是其覆蓋距離很長,WiMAX 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋距離一般是每小區(qū) (cell) 1公里左右。為此,WiMAX必須具有最佳的功率分布: 從基站 (base station) 以降到移動設(shè)備中的各個組件。在這種情況下,高發(fā)射功率就顯得十分重要。但 WiMAX 的發(fā)射功率能達到多高,監(jiān)管機構(gòu)規(guī)定的限值、技術(shù)局限性及使用模型又是什么?功率放大器的設(shè)計人員和選用PA的工程人員必需在大功率和高效率之間找到最佳平衡,以確保其 WiMAX 設(shè)備的鏈接穩(wěn)健、數(shù)據(jù)率高和覆蓋距離足夠。

WiMAX的本質(zhì)

對設(shè)計人員而言,WiMAX 的挑戰(zhàn)性在于它是一種帶有一組獨特約束條件的接入技術(shù)。因此,適用于蜂窩或 應(yīng)用的功率放大器電路不能簡單套用在WiMAX 設(shè)計上,也無法經(jīng)過簡單的修改就加以利用。

WiMAX 在許多方面都可被視為一種混合技術(shù),因為它兼具了蜂窩和 網(wǎng)絡(luò)的不少特性。移動 WiMAX 與蜂窩非常類似,本意就是用于高移動設(shè)備,而且它使用獲授權(quán)的頻帶 (故用戶期望獲得高可靠性)。另外,它也像 CMDA 蜂窩技術(shù)一樣采用發(fā)射功率控制技術(shù)。然而,它又與蜂窩技術(shù)有所不同,因為其工作數(shù)據(jù)率要比后者高得多 (因此對線性度的要求更為嚴(yán)格),并且必須同時處理互聯(lián)網(wǎng)語音 (VoIP)、數(shù)據(jù)和視頻的傳輸。帶寬和各類服務(wù)傳輸優(yōu)先級的管理需要一個服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 組件,而單獨的移動語音是不需要 QoS 的。

另一方面,WiMAX 又與 很類似。例如,它的數(shù)據(jù)率很高,采用正交頻分復(fù)用 (OFDM) 技術(shù),調(diào)制方式從 BPSK 到64-QAM,并且同樣是全 IP 網(wǎng)絡(luò)。但與 Wi-Fi 的不同之處是,WiMAX 使用的是一種完全預(yù)定 (scheduled) 的服務(wù),而 Wi-Fi 則采用基于沖突的載波偵聽多址訪問 (CSMA) 技術(shù)。這為 WiMAX 提供了一項大大超越Wi-Fi的優(yōu)勢。在 CSMA 網(wǎng)絡(luò)中,隨著用戶數(shù)目的增加,總體數(shù)據(jù)率會顯著下降,因為每一個沖突都需要后續(xù)重發(fā)。而利用事先預(yù)定的服務(wù),由于基站能有效地管理每個用戶對網(wǎng)絡(luò)的訪問,網(wǎng)絡(luò)總吞吐量不會因用戶數(shù)目的增加而受到影響。

WiMAX網(wǎng)絡(luò)的覆蓋距離

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)每個接入點 (access point, AP) 的覆蓋距離一般在數(shù)十或數(shù)百米之內(nèi); 而 WiMAX 網(wǎng)絡(luò)的每個基站則可覆蓋大約1公里的范圍。要達到這個范圍,移動 WiMAX 網(wǎng)絡(luò)采用了包括大發(fā)射功率、子信道化和自適應(yīng)調(diào)制等一大批技術(shù),以實現(xiàn)更長的覆蓋距離。

簡言之,射頻功率 (radio frequency, RF) 與覆蓋距離成正比,故更大的功率就等于更長的覆蓋距離。為了獲得長覆蓋距離,WiMAX 基站的發(fā)射功率級在+43dBm (20W) 左右;而 Wi-Fi AP 的典型發(fā)射功率是 +18 dBm (60 mW)。二者相差足足 330 多倍!WiMAX 移動臺 (mobile station, MS) 的發(fā)射功率一般為 +23 dBm (200mW),Wi-Fi僅 +18 dBm (60 mW)。蜂窩 (CDMA) 基站和移動臺的發(fā)射功率都和 WiMAX 的差不多。不過,為了獲得更高的吞吐量,WiMAX 采用的調(diào)制級要高得多,故 WiMAX 需要比蜂窩好得多的信噪比 (SNR)。對于移動發(fā)射器,高調(diào)制級要求大幅度提高 PA 的線性度,致使 PA 設(shè)計比 GSM 或 CDMA 的要復(fù)雜得多。

你可能注意到下行功率 (從基站到移動臺) 與上行功率 (從移動臺到基站) 之間的差距很大,所以移動 WiMAX 網(wǎng)絡(luò)的上行鏈路被嚴(yán)格限制 (當(dāng)然,蜂窩網(wǎng)絡(luò)也存在這種情況)。這就是說,移動臺很容易接收到基站的發(fā)射信號,但移動臺自身的發(fā)射功率卻較低,難以被基站偵聽到。

解決這種失配問題的方法之一是利用一種被稱為子信道化 (subchannelization)的技術(shù),亦即把所有可用的子信道分為若干子集,分別分配給各個特定用戶。實際上,每一個移動臺的能量都集中在一個較小的頻率范圍內(nèi),凈信號增益變?yōu)?0*log (Ntotal/Nused),這里Nused代表分配給用戶的子載波數(shù)目;而Ntotal 則代表可用的子載波總數(shù)。例如,如果一個用戶獲分配的子信道包含 24 個子載波,則與基站 (在所有841個分配的子載波上發(fā)射) 相關(guān)的凈增益為 10*log(841/24)=15.4 dB。其余的子載波可用于其它用戶,而且他們可同時使用這些子載波。

解決鏈路失衡的另一種技術(shù)是自適應(yīng)調(diào)制。這種情況下,移動臺利用比基站更低的調(diào)制級發(fā)射。比如,移動臺可能發(fā)射 QPSK 或 16QAM 信號;而基站則采用64QAM 技術(shù)發(fā)射。由于接收 QPSK 或 16QAM 所需的 SNR 比 64QAM 的為低,采用較低的調(diào)制級,以較低的發(fā)射功率就可以讓移動臺與基站進行通信 (此時,由于較低的調(diào)制級使得每子載波發(fā)射的比特位較少,故上行鏈路的吞吐量便會下降)。例如,QPSK-1/2 所需的SNR為5 dB,16QAM-1/2 為 10.5 dB,64QAM-3/4 為 20 dB (注1)。如果移動臺采用 QPSK 調(diào)制進行發(fā)射,基站能夠容許的鏈路損耗要比采用16QAM 時多 5.5 dB。

如果子信道化和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)相結(jié)合,網(wǎng)絡(luò)運營商就能夠有效地平衡上行鏈路和下行鏈路的預(yù)算,而且網(wǎng)絡(luò)將可雙向工作。但這種綜合方案的缺點包括:上行鏈路的吞吐量將低于下行鏈路;子信道化限制了移動發(fā)射可用的子載波數(shù)目;以及較低的調(diào)制級使每個可用子載波上發(fā)射的比特位較少。

移動WiMAX小區(qū)的功率分布

明白了上述的解釋后,讓我們看看 WiMAX 小區(qū)上的發(fā)射功率分布如何。一個普遍的誤解是移動臺只在小區(qū)邊緣才以最大的功率發(fā)射,而接近基站時的功率便較低。其實不然,移動臺在整個覆蓋范圍內(nèi)的發(fā)射功率都很高。

要了解原因何在,讓我們設(shè)想一個移動設(shè)備從小區(qū)邊緣直接向基站移動。在小區(qū)盡頭時,它的路徑損耗非常大,這時移動設(shè)備將采用最穩(wěn)健的調(diào)制方式、以最大的功率進行發(fā)射,故上行數(shù)據(jù)率相當(dāng)?shù)?。但由于移動臺發(fā)射功率很高,且調(diào)制穩(wěn)健,基站能夠接收到移動臺的發(fā)射信號,而鏈路工作良好。

隨著移動設(shè)備越來越接近基站,路徑損耗減少。由于接收到的信號現(xiàn)在遠大于噪聲基底,基站的信號級別增高,SNR變大。相應(yīng)地,基站可能會指示移動設(shè)備開始降低功率 (以盡可能減小不同移動臺之間的干擾)。不過,一旦信號級支持更高的調(diào)制級,基站就會指示移動設(shè)備切換調(diào)制方式,以提高網(wǎng)絡(luò)總體容量。

再回到我們比較 QPSK / 16QAM 的例子,假設(shè)一個發(fā)射器在 +23 dBm下工作,并剛達到了位于小區(qū)邊緣范圍時 QPSK 所需的5 dB 的SNR,當(dāng)它向基站靠近時,路徑損耗下降,基站可能通知移動臺減小發(fā)射功率。然而,一旦路徑損耗減小5.5 dB,由于這時移動臺能夠獲得 10.5 dB 的SNR,故基站會指示移動臺切換到16QAM-1/2 調(diào)制方式,發(fā)射功率重新回復(fù)到 +23 dBm。所以,移動設(shè)備一般都以較高的功率進行發(fā)射,除非它靠向基站,近得可以轉(zhuǎn)為采用 16QAM 方式工作 (許多情況下甚至可以采用64QAM),這時功率便會下降。如圖1所示。

圖1是根據(jù)一份 WiMAX 論壇白皮書 (注2) 上的參數(shù)所繪制的。圖中顯示的可達到調(diào)制是到基站距離的函數(shù)。我們采用白皮書上的參數(shù),假設(shè)工作頻率為2.5 GHz,信道帶寬10 MHz,3個子信道,穿透損耗10 dB,以此計算最大可能路徑損耗。在路徑損耗的計算當(dāng)中,我們采用2.5 GHz的 COST231郊外模型,基站高度32 m, 移動臺高度1.2m。這種分析假設(shè)有緩慢的 (對數(shù)常態(tài)) 衰減存在,但做了一些簡化,設(shè)定5.5 dB的固定衰減余裕。當(dāng)然,在現(xiàn)實中衰減是一個隨即過程,而且可利用閉環(huán)功率控制來減低其影響。不過,為了分析,這些結(jié)論是有意義的,因為衰減將完全模糊掉不同調(diào)制之間的界線。

我們需注意,紅環(huán)標(biāo)注的 QPSK-1/8 表示迭代 4 次的 QPSK-1/2 調(diào)制。這是最穩(wěn)健的調(diào)制方案,而且在最大距離處的確是必要的。在我們的分析中,我們根據(jù)計算得出,在發(fā)射功率為 +23 dBm時,對于距離基站 0.9 km 到 1.35km 的移動設(shè)備,移動臺必須采用QPSK-1/8 調(diào)制。在較近的距離處,移動臺可采用較高的調(diào)制級,網(wǎng)絡(luò)容量因此增大。例如,在距離基站 0.45 km 到0.6 km的地方,移動臺可采用16QAM-1/2調(diào)制。由于16QAM-1/2調(diào)制會每一符號發(fā)射2個比特位,而QPSK-1/8 每一符號只發(fā)射0.5個比特位,故綠環(huán)中的吞吐量比紅環(huán)中的多4倍。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/258682.htm

圖1:+23 dBm發(fā)射功率下,可達到的調(diào)制與距離的關(guān)系


我們還估算了所需的發(fā)射功率,作為距離的函數(shù)。在圖1每個區(qū)域的邊緣處,移動臺以最大功率發(fā)射。但隨著移動臺向基站移動,其發(fā)射功率不斷下降至能夠?qū)崿F(xiàn)下一個調(diào)制級的足夠功率。這時,基站的發(fā)射功率又開始重新增加,以盡可能提高容量。圖2表明發(fā)射功率是距離的函數(shù),顯示出自適應(yīng)調(diào)制的影響??梢钥闯觯挥袑崿F(xiàn)了最高調(diào)制級 (這里是64QAM-3/4),發(fā)射功率才會大幅度下降。如果最大調(diào)制級改為16QAM-3/4,當(dāng)實現(xiàn)了這個調(diào)制級時,發(fā)射功率就會單調(diào)性下降。

我們要注意的是,衰減的存在將導(dǎo)致這一曲線顯著變化。在真實的衰減環(huán)境中,需要更多的余裕來抵銷衰減效應(yīng),而且出現(xiàn)最大功率發(fā)射的情況要少得多。不過,圖2所示的總體趨勢是正確的,從中可以看出,僅在小區(qū)邊緣,即使在距離基站較近的地方,移動臺都被要求大功率發(fā)射,以實現(xiàn)較高的調(diào)制級。

圖2:發(fā)射功率與到基站距離的關(guān)系


大功率的優(yōu)勢

移動 WiMAX 終端的發(fā)射功率較大的好處非常顯著。試想將發(fā)射功率從 +23 dBm (200mW) 提高 40%,達到 +24.5 dBm (281 mW) 所產(chǎn)生的影響,首先,它需要更大的PA。假設(shè)PA后的損耗為1 dB,PA的輸出功率就必須從250 mW (+24 dBm) 增加到 355mW (+25.5 dBm)。

更大的發(fā)射功率有兩大優(yōu)勢。其一,以更大的輸出功率發(fā)射可以提高最大覆蓋距離。根據(jù)WiMAX 論壇《移動WiMAX白皮書》提供的參數(shù) (注3),當(dāng)輸出功率從 23dBm 提高到24.5 dBm 時,移動設(shè)備與基站的最大距離從1.35公里增加到1.5公里,這樣,總體覆蓋面積將擴大23.5%。原則上,網(wǎng)絡(luò)運營商可以因此而減少23% 的基站部署,從而節(jié)省成本。然而,這一優(yōu)勢的作用很有限,因為許多網(wǎng)絡(luò)都是根據(jù) +23 dBm的上行發(fā)射功率來設(shè)計小區(qū)大小的,故小區(qū)大小可能已經(jīng)被固定了。

第二個優(yōu)勢更重要。如果移動臺能夠以更高的功率發(fā)射,當(dāng)它遠離基站時,就可以獲得更高調(diào)制級所需的SNR。這將增加網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘浚瑥亩岣哒w頻譜效率。

圖3顯示,在 +24.5 dBm 的發(fā)射功率下,調(diào)制可作為到基站距離的函數(shù)。在該圖中,我們再一次把可達到的調(diào)制作為到基站距離的函數(shù)來繪制 (虛線表示圖1的 +23 dBm 發(fā)射功率下的距離,以作參考)。這里需注意的是,最大距離從 1.35公里 提高到了1.5公里,如上討論。不過,更應(yīng)注意的是,用戶可以在更長的距離上(此時最大距離為0.7公里,而+23 dBm時為0.6 公里) 采用16QAM-1/2調(diào)制。由于發(fā)射功率更高,用戶能夠更早地實現(xiàn)更高的調(diào)制級,因此每一個用戶都可以在更長的距離上獲得更高的吞吐量,而網(wǎng)絡(luò)的總?cè)萘恳蚕鄳?yīng)增加。每多添一個用戶以更高的功率級發(fā)射,網(wǎng)絡(luò)的總體容量便會有所增加。我們要明白,必須是所有用戶都能以較高的功率進行發(fā)射才可擴大小區(qū)的覆蓋面積。網(wǎng)絡(luò)中每增加一個發(fā)射功率較高的用戶,網(wǎng)絡(luò)總體容量就會變大一些。

圖3:+24.5dBm發(fā)射功率下,可達到的調(diào)制與距離的關(guān)系


最后,計算因發(fā)射功率從+23 dBm 提高到 +24.5 dBm所增加的容量就相對地簡單了。我們知道每一種調(diào)制方案的每個符號有多少比特位可被發(fā)射;也知道在兩個功率級下,每一種調(diào)制方案覆蓋的相對面積是多少。在采用這些信息計算相對容量時,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)射功率從 +23 dBm 提高到 +24.5 dBm時,容量增加了24%。即使最大小區(qū)范圍仍為固定的1.35公里,當(dāng)發(fā)射功率提高到 +24.5 dBm時(假設(shè)網(wǎng)絡(luò)最初針對 +23 dBm的設(shè)備),若設(shè)備能夠以較高的功率發(fā)射,容量仍可增加18%。

功率的限制

現(xiàn)在,我們已經(jīng)了解為什么在 WiMAX 網(wǎng)絡(luò)中較高的發(fā)射功率很重要,因為它可以提高整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,而且在“新建”的部署中可以獲得更大的小區(qū)覆蓋面積,從而降低部署成本。那么,為什么不以更高功率發(fā)射呢?這是因為有三個因素限制了我們在更高功率下的發(fā)射能力:PA效率、可用供電電壓,以及法規(guī)要求。

PA效率

在PA中,效率定義為 RF 功率輸出與直流功率輸入之比。例如,如果一個PA 的效率為 10%,它在 +25.5dBm (355 mW) 時的發(fā)射功率為3.55 W。若PA效率能夠翻一番達到20%,則峰值功耗降至1.7W。目前最先進的WiMAX PA,比如SiGe 半導(dǎo)體的SE7262,其工作效率超過20% [參見補充]。

PA 效率對移動設(shè)備的電池壽命有直接的影響。當(dāng)然,PA 并非一直處于工作狀態(tài),因此平均功耗比上面提到的峰值功耗要低得多。例如,當(dāng)移動臺發(fā)射數(shù)據(jù)時,WiMAX 設(shè)備的發(fā)射占空比一般在 40% 左右。故而對于效率為20% 的PA,若以最大功率發(fā)射,平均峰值功耗在 680mW 左右。此外,由于常常無數(shù)據(jù)待發(fā),這時,設(shè)備將基本處于閑置狀態(tài) (基本上,它只發(fā)射測距消息,以讓基站知道它仍在小區(qū)范圍內(nèi)) 。

不過,說到底,PA 功耗對電池壽命的影響很大,盡可能提高 PA效率是很重要的。

可用供電電壓

移動 WiMAX 設(shè)備直接由移動臺的電池供電,而電池的供電電壓在使用期間變化很大。在剛充滿電時,電池的工作電壓在 4.8V 左右。隨著電池的放電,供電電壓逐漸下降,設(shè)備斷電之前的最小實際供電電壓一般為 2.7V。大多數(shù)制造商都希望這個使用范圍盡可能地大,故規(guī)定功率放大器必須在 3.3V 時真正地提供全額定功率 (有時為3.0V)。要在這些條件下提供大功率存在一些重大挑戰(zhàn)。正如大多數(shù)電路設(shè)計人員所知,低供電電壓需要大電流,這就意味著超低的輸出阻抗。因此,很難讓低阻抗PA輸出匹配50歐姆天線。如果需要更高的輸出功率,阻抗就變得更低,要在 PA 與天線間獲得良好的寬帶匹配就愈發(fā)困難。

監(jiān)管要求

法規(guī)監(jiān)管要求也對PA能夠提供的功率制定了嚴(yán)格的限制。一個理想的線性PA應(yīng)該只利用輸入信號產(chǎn)生原始頻率。但在現(xiàn)實中,PA 的非線性度會通過互調(diào)失真 (intermodulation distortion, IMD) 而引入新的頻率,這些帶外信號可能干擾相鄰信道的用戶 (被稱為頻譜增生或頻譜泄漏)。

監(jiān)管機構(gòu)對帶外發(fā)射的功率制定有嚴(yán)格的規(guī)范。例如,對于2.5GHz 頻帶的移動設(shè)備,美國聯(lián)邦通信委員會 (FCC) 規(guī)定 (注4),在設(shè)備指定頻帶之外5.5MHz處測得的發(fā)射功率必須小于 -25 dBm/MHz。由于這一限值是絕對功率測量值,隨著輸出功率增加,需要越來越大的帶外發(fā)射抑制,功率放大器的線性度必須越來越高。比如,信道帶寬為10 MHz,發(fā)射功率 +23 dBm 時,要獲得 -25 dBm/MHz就需要23-10log(10)+25=38 dB 的凈抑制。24.5 dBm 的發(fā)射功率需要39.5 dB 的抑制。因此,隨著輸出功率的增加,滿足監(jiān)管要求也變得越來越困難。為了減小IMD失真,PA的線性度必須提高,結(jié)果是PA的效率隨輸出功率目標(biāo)的提高而下降。

權(quán)衡的重要性

毋庸置疑,對移動WiMAX網(wǎng)絡(luò)而言,較高的發(fā)射功率十分重要。目前部署中的網(wǎng)絡(luò)規(guī)定最小發(fā)射功率為 +23 dBm。每一個發(fā)射功率大于 +23 dBm的用戶入網(wǎng)都會提高總體網(wǎng)絡(luò)效率。不過,發(fā)射功率越高,功耗也相應(yīng)增加。因此,在采用更高的輸出功率時,功率放大器的效率變得更加重要。


注1:IEEE Std 802.16e-2005第 8.4.13 節(jié)

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節(jié) (由 WiMAX 論壇出版)

注 4:FCC 47/CFR 27.53(I.)



補充:

為什么WiMAX 的PA效率這么低?

尖端 WiMAX PA 的效率為 20%。許多GSM 系統(tǒng)設(shè)計人員也許對區(qū)區(qū) 20% 的效率不屑一顧,因為 GSM PA很容易就可以獲得超過50% 的效率。那為什么WiMAX PA的效率就這么低呢?原因在于與WiMAX 相比,GSM 的線性度要求寬松得多,所以推動 GSM PA效率的力度就可以大很多。再者,WiMAX中所采用的 OFDM 調(diào)制產(chǎn)生峰均功率比 (PAPR) 為6 到 7 dB的信號,而GSM 的 PAPR 為0 dB (恒包絡(luò))。當(dāng)然,OFDM 也有大量優(yōu)勢,包括高頻譜效率和出色的抗衰減性,這些特性對移動WiMAX這樣的大帶寬移動應(yīng)用是非常重要的。



關(guān)鍵詞: Wi-Fi WiMAX

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