當設計人員把注意力轉向移動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。對于Wave 2類移動WiMAX產品，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重要的問題。移動WiMAX 設計的挑戰之一是其覆蓋距離很長，WiMAX 網絡的覆蓋距離一般是每小區 (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，高發射功率就顯得十分重要。但 WiMAX 的發射功率能達到多高，監管機構規定的限值、技術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 設備的鏈接穩健、數據率高和覆蓋距離足夠。

WiMAX的本質

對設計人員而言，WiMAX 的挑戰性在于它是一種帶有一組獨特約束條件的接入技術。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，因為它兼具了蜂窩和 Wi-Fi網絡的不少特性。移動 WiMAX 與蜂窩非常類似，本意就是用于高移動設備，而且它使用獲授權的頻帶 (故用戶期望獲得高可靠性)。另外，它也像 CMDA 蜂窩技術一樣采用發射功率控制技術。然而，它又與蜂窩技術有所不同，因為其工作數據率要比后者高得多 (因此對線性度的要求更為嚴格)，并且必須同時處理互聯網語音 (VoIP)、數據和視頻的傳輸。帶寬和各類服務傳輸優先級的管理需要一個服務質量 (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，它的數據率很高，采用正交頻分復用 (OFDM) 技術，調制方式從 BPSK 到64-QAM，并且同樣是全 IP 網絡。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。這為 WiMAX 提供了一項大大超越Wi-Fi的優勢。在 CSMA 網絡中，隨著用戶數目的增加，總體數據率會顯著下降，因為每一個沖突都需要后續重發。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絡的訪問，網絡總吞吐量不會因用戶數目的增加而受到影響。

WiMAX網絡的覆蓋距離

Wi-Fi網絡每個接入點 (access point, AP) 的覆蓋距離一般在數十或數百米之內； 而 WiMAX 網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 網絡采用了包括大發射功率、子信道化和自適應調制等一大批技術，以實現更長的覆蓋距離。

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 基站的發射功率級在+43dBm (20W) 左右；而 Wi-Fi AP 的典型發射功率是 +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)。對于移動發射器，高調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 網絡的上行鏈路被嚴格限制 (當然，蜂窩網絡也存在這種情況)。這就是說，移動臺很容易接收到基站的發射信號，但移動臺自身的發射功率卻較低，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，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，凈信號增益變為10*log (Ntotal/Nused)，這里Nused代表分配給用戶的子載波數目；而Ntotal 則代表可用的子載波總數。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射) 相關的凈增益為 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是自適應調制。這種情況下，移動臺利用比基站更低的調制級發射。比如，移動臺可能發射 QPSK 或 16QAM 信號；而基站則采用64QAM 技術發射。由于接收 QPSK 或 16QAM 所需的 SNR 比 64QAM 的為低，采用較低的調制級，以較低的發射功率就可以讓移動臺與基站進行通信 (此時，由于較低的調制級使得每子載波發射的比特位較少，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 調制進行發射，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制技術相結合，網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射可用的子載波數目；以及較低的調制級使每個可用子載波上發射的比特位較少。

移動WiMAX小區的功率分布

明白了上述的解釋后，讓我們看看 WiMAX 小區上的發射功率分布如何。一個普遍的誤解是移動臺只在小區邊緣才以最大的功率發射，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的發射功率都很高。

要了解原因何在，讓我們設想一個移動設備從小區邊緣直接向基站移動。在小區盡頭時，它的路徑損耗非常大，這時移動設備將采用最穩健的調制方式、以最大的功率進行發射，故上行數據率相當低。但由于移動臺發射功率很高，且調制穩健，基站能夠接收到移動臺的發射信號，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制級，基站就會指示移動設備切換調制方式，以提高網絡總體容量。

再回到我們比較 QPSK / 16QAM 的例子，假設一個發射器在 +23 dBm下工作，并剛達到了位于小區邊緣范圍時 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 調制方式，發射功率重新回復到 +23 dBm。所以，移動設備一般都以較高的功率進行發射，除非它靠向基站，近得可以轉為采用 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是根據一份 WiMAX 論壇白皮書 (注2) 上的參數所繪制的。圖中顯示的可達到調制是到基站距離的函數。我們采用白皮書上的參數，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 (對數常態) 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，在現實中衰減是一個隨即過程，而且可利用閉環功率控制來減低其影響。不過，為了分析，這些結論是有意義的，因為衰減將完全模糊掉不同調制之間的界線。

我們需注意，紅環標注的 QPSK-1/8 表示迭代 4 次的 QPSK-1/2 調制。這是最穩健的調制方案，而且在最大距離處的確是必要的。在我們的分析中，我們根據計算得出，在發射功率為 +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 調制。在較近的距離處，移動臺可采用較高的調制級，網絡容量因此增大。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調制。由于16QAM-1/2調制會每一符號發射2個比特位，而QPSK-1/8 每一符號只發射0.5個比特位，故綠環中的吞吐量比紅環中的多4倍。

                                      圖1：+23 dBm發射功率下，可達到的調制與距離的關系


我們還估算了所需的發射功率，作為距離的函數。在圖1每個區域的邊緣處，移動臺以最大功率發射。但隨著移動臺向基站移動，其發射功率不斷下降至能夠實現下一個調制級的足夠功率。這時，基站的發射功率又開始重新增加，以盡可能提高容量。圖2表明發射功率是距離的函數，顯示出自適應調制的影響。可以看出，只有實現了最高調制級 (這里是64QAM-3/4)，發射功率才會大幅度下降。如果最大調制級改為16QAM-3/4，當實現了這個調制級時，發射功率就會單調性下降。

我們要注意的是，衰減的存在將導致這一曲線顯著變化。在真實的衰減環境中，需要更多的余裕來抵銷衰減效應，而且出現最大功率發射的情況要少得多。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射，以實現較高的調制級。

                                                            圖2：發射功率與到基站距離的關系


大功率的優勢

移動 WiMAX 終端的發射功率較大的好處非常顯著。試想將發射功率從 +23 dBm (200mW) 提高 40%，達到 +24.5 dBm (281 mW) 所產生的影響，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)。

更大的發射功率有兩大優勢。其一，以更大的輸出功率發射可以提高最大覆蓋距離。根據WiMAX 論壇《移動WiMAX白皮書》提供的參數 (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，網絡運營商可以因此而減少23% 的基站部署，從而節省成本。然而，這一優勢的作用很有限，因為許多網絡都是根據 +23 dBm的上行發射功率來設計小區大小的，故小區大小可能已經被固定了。

第二個優勢更重要。如果移動臺能夠以更高的功率發射，當它遠離基站時，就可以獲得更高調制級所需的SNR。這將增加網絡總容量，從而提高整體頻譜效率。

圖3顯示，在 +24.5 dBm 的發射功率下，調制可作為到基站距離的函數。在該圖中，我們再一次把可達到的調制作為到基站距離的函數來繪制 (虛線表示圖1的 +23 dBm 發射功率下的距離，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調制。由于發射功率更高，用戶能夠更早地實現更高的調制級，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，而網絡的總容量也相應增加。每多添一個用戶以更高的功率級發射，網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射才可擴大小區的覆蓋面積。網絡中每增加一個發射功率較高的用戶，網絡總體容量就會變大一些。
 

                                          圖3：+24.5dBm發射功率下，可達到的調制與距離的關系


最后，計算因發射功率從+23 dBm 提高到 +24.5 dBm所增加的容量就相對地簡單了。我們知道每一種調制方案的每個符號有多少比特位可被發射；也知道在兩個功率級下，每一種調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，我們發現當發射功率從 +23 dBm 提高到 +24.5 dBm時，容量增加了24%。即使最大小區范圍仍為固定的1.35公里，當發射功率提高到 +24.5 dBm時(假設網絡最初針對 +23 dBm的設備)，若設備能夠以較高的功率發射，容量仍可增加18%。

功率的限制

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

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，因此平均功耗比上面提到的峰值功耗要低得多。例如，當移動臺發射數據時，WiMAX 設備的發射占空比一般在 40% 左右。故而對于效率為20% 的PA，若以最大功率發射，平均峰值功耗在 680mW 左右。此外，由于常常無數據待發，這時，設備將基本處于閑置狀態 (基本上，它只發射測距消息，以讓基站知道它仍在小區范圍內) 。

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。大多數制造商都希望這個使用范圍盡可能地大，故規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。正如大多數電路設計人員所知，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困難。

監管要求

法規監管要求也對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生原始頻率。但在現實中，PA 的非線性度會通過互調失真 (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)。

監管機構對帶外發射的功率制定有嚴格的規范。例如，對于2.5GHz 頻帶的移動設備，美國聯邦通信委員會 (FCC) 規定 (注4)，在設備指定頻帶之外5.5MHz處測得的發射功率必須小于 -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，結果是PA的效率隨輸出功率目標的提高而下降。

權衡的重要性

毋庸置疑，對移動WiMAX網絡而言，較高的發射功率十分重要。目前部署中的網絡規定最小發射功率為 +23 dBm。每一個發射功率大于 +23 dBm的用戶入網都會提高總體網絡效率。不過，發射功率越高，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

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 (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 系統設計人員也許對區區 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 調制產生峰均功率比 (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。