當設計人員把注意力轉(zhuǎn)向移動WiMAX設備時,，他們很快便了解到在功率放大器(power amplifier, PA) 的設計方面存在不少特殊挑戰(zhàn)。對于Wave 2類移動WiMAX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計展開測試和部署,，移動WiMAX中的功率管理迅速成為至關(guān)重要的問題,。移動WiMAX 設計的挑戰(zhàn)之一是其覆蓋距離很長，WiMAX 網(wǎng)絡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 Wi-Fi 應用的功率放大器電路不能簡單套用在WiMAX 設計上,，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 Wi-Fi網(wǎng)絡的不少特性,。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。帶寬和各類服務傳輸優(yōu)先級的管理需要一個服務質(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 Wi-Fi 很類似,。例如,，它的數(shù)據(jù)率很高，采用正交頻分復用 (OFDM) 技術(shù),，調(diào)制方式從 BPSK 到64-QAM,，并且同樣是全 IP 網(wǎng)絡。但與 Wi-Fi 的不同之處是,，WiMAX 使用的是一種完全預定 (scheduled) 的服務,，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),。而利用事先預定的服務，由于基站能有效地管理每個用戶對網(wǎng)絡的訪問,，網(wǎng)絡總吞吐量不會因用戶數(shù)目的增加而受到影響。

WiMAX網(wǎng)絡的覆蓋距離

Wi-Fi網(wǎng)絡每個接入點 (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)絡采用了包括大發(fā)射功率、子信道化和自適應調(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 設計比 GSM 或 CDMA 的要復雜得多,。

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)絡的上行鏈路被嚴格限制 (當然，蜂窩網(wǎng)絡也存在這種情況),。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調(diào)制技術(shù)相結(jié)合,，網(wǎng)絡運營商就能夠有效地平衡上行鏈路和下行鏈路的預算，而且網(wǎng)絡將可雙向工作,。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,，讓我們設想一個移動設備從小區(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?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,。相應地，基站可能會指示移動設備開始降低功率 (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備切換調(diào)制方式,，以提高網(wǎng)絡總體容量,。

再回到我們比較 QPSK / 16QAM 的例子，假設一個發(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)射功率重新回復到 +23 dBm,。所以,，移動設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。這種分析假設有緩慢的 (對數(shù)常態(tài)) 衰減存在,，但做了一些簡化,，設定5.5 dB的固定衰減余裕。當然,，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,。

                                      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),，顯示出自適應調(diào)制的影響?？梢钥闯?，只有實現(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，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),，當輸出功率從 23dBm 提高到24.5 dBm 時,，移動設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)絡都是根據(jù) +23 dBm的上行發(fā)射功率來設計小區(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)絡總?cè)萘?，從而提高整體頻譜效率,。

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)絡的總?cè)萘恳蚕鄳黾?。每多添一個用戶以更高的功率級發(fā)射,，網(wǎng)絡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)絡中每增加一個發(fā)射功率較高的用戶，網(wǎng)絡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,，當發(fā)射功率提高到 +24.5 dBm時(假設網(wǎng)絡最初針對 +23 dBm的設備),，若設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)絡中較高的發(fā)射功率很重要，因為它可以提高整個網(wǎng)絡的吞吐量,，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 半導體的SE7262，其工作效率超過20% [參見補充],。

PA 效率對移動設備的電池壽命有直接的影響,。當然，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，當移動臺發(fā)射數(shù)據(jù)時,，WiMAX 設備的發(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格的限制。一個理想的線性PA應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)射的功率制定有嚴格的規(guī)范,。例如，對于2.5GHz 頻帶的移動設備,，美國聯(lián)邦通信委員會 (FCC) 規(guī)定 (注4),，在設備指定頻帶之外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的提高而下降,。

權(quán)衡的重要性

毋庸置疑，對移動WiMAX網(wǎng)絡而言,，較高的發(fā)射功率十分重要,。目前部署中的網(wǎng)絡規(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)絡效率,。不過,，發(fā)射功率越高，功耗也相應增加,。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),。當然,，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用是非常重要的,。