提高網路傳輸量/覆蓋率　行動WiMAX發射功率扮要角

WiMAX是一種帶有一組獨特約束條件的存取技術。對設計人員而言，適用於蜂巢或無線區域網路(WiFi)應用的功率放大器電路不能直接套用在WiMAX設計上，也不是經過簡單的修改就可以利用的。  

雖然WiMAX具備了蜂巢式和WiFi網路的不少特性，例如使用獲許可的頻帶，也像分碼多重存取(CDMA)蜂巢技術一樣採用發射功率控制技術，但它與蜂巢技術的不同之處是其工作資料率高得多，並且必須同時處理網際網路語音通訊協定(VoIP)、資料和視訊的傳輸。頻寬和各類服務傳輸優先處理的管理工作需要一個服務品質(QoS)元件，但單獨的行動語音是不需要QoS的。  

同時，WiMAX又與WiFi很類似。例如，它的資料傳輸率很高，採用正交分頻多工(OFDM)技術，調變方式從BPSK到64-QAM，並且是全IP網路。但另一方面，WiMAX使用的是一種預先安排的服務，而WiFi卻採用建立於衝突的載波檢測多路存取(CSMA)技術。在CSMA網路中，隨著使用者數目的增加，由於每一個衝突都需要後續重發，故整體資料率會顯著下降。但利用事先安排的服務，基地台可以有效地管理每個使用者對網路的存取，網路總輸送量不會因使用者數目的增加而受到影響。  

覆蓋範圍廣　功率分配至關重要  

每個WiMAX網路基地台可覆蓋的範圍大約為1公里。要達到這個範圍，行動WiMAX網路採用了包括大發射功率、子通道化和自我調整調變等多項技術，以實現更長的覆蓋距離。  

簡單來說，射頻(RF)功率就是覆蓋範圍，較大的功率就等於較大的覆蓋範圍。為了獲得較長的覆蓋距離，WiMAX基地台的發射功率級大約在+43dBm(20W)左右，與WiFi無線基地台的典型發射功率相差達三百三十多倍。另外，WiMAX行動台(MS)的發射功率一般為+23dBm(200mW)，而WiFi僅+18dBm(60mW)。雖然CDMA與WiMAX之基地台和行動台的發射功率接近，但為了獲得更高的輸送量，WiMAX採用的調變要高得多，故需要比蜂巢網路較佳的訊噪比(SNR)。

對於行動發射器，高調變要求大幅度提高功率放大器(PA)的線性度，使PA設計比全球行動通訊系統(GSM)或CDMA要複雜得多。  

由於下行功率(從基地台到行動台)與上行功率(從行動台到基地台)之間的差距很大，所以行動WiMAX網路的上行鏈路被嚴格限制(蜂巢網路也存在這種情況)。也就是說，行動台很容易接收到基地台的發射訊號，但行動台自身的發射功率卻因為較低而難以被基地台偵測到。  

要解決這種失真情況，可以利用子通道化(Sub Channelization)技術，即把所有可用的子通道分為若干子集，分別分配給各個特定使用者。實際上，每一個行動台的能量都集中在一個較小的頻率範圍內，淨訊號增益變為10×log(N_total/N_used)，N_used代表分配給使用者的子載波數目；而Ntotal則代表可用的子載波總數。舉例來說，一個使用者獲分配的子通道包含二十四個子載波，它與基地台(在所有八百四十一個分配的子載波上發射)相關的淨增益就是10×log(841/24)=15.4dB。其餘的子載波可由其它使用者同時分享。  

另外，也可以採用自我調整調變技術，使得行動台以較基地台更低的調變發射。例如，行動台可能發射QPSK或16QAM訊號；而基地台則採用64QAM技術發射。由於接收QPSK或16QAM所需的SNR比64QAM的為低，所以採用較低的調變，以較低的發射功率就可以讓行動台與基地台進行通訊。此時，由於較低的調變級使得每子載波發射的位元率(Bit Rate)較低，故上行鏈路的輸送量便會下降。例如，QPSK-1/2所需的SNR為5dB，16QAM-1/2為10.5dB，64QAM-3/4為20dB。如果行動台採用QPSK調變進行發射，基地台能夠容許的鏈路損耗要比採用16QAM時多5.5dB。  

網路營運商如果整合了子通道化和自我調整調變技術，就能夠有效地平衡上行鏈路和下行鏈路的預算，而且網路也可以雙向工作。但這種綜合方案也有缺點：如上行鏈路的輸送量將低於下行鏈路，子通道化限制了行動發射可用的子載波數目，以及較低的調變使每個可用子載波上發射的位元率較低。  

距離遠近大不同　彈性調整功率/調變  

多數人誤以為行動台只在社區邊緣才以最大的功率發射，而接近基地台時的功率便較低。但事實上，行動台在整個覆蓋範圍內的發射功率都很高。試想像這樣的一個情景：一具行動設備從蜂巢邊緣朝著基地台慢慢移動。在社區盡頭時，它的路徑損耗非常大，這時行動設備將採用最穩健的調變方式，以最大的功率進行發射，故上行資料率相當低。但由於行動台發射功率很高，而且調變穩健，所以基地台能夠接收到行動台的發射訊號，而鏈路工作良好。  

隨著行動設備越來越接近基地台，路徑損耗減少。由於接收到的訊號現在遠大於雜訊，基地台的訊號級別增高，SNR變大。相對地，基地台可能會指示行動設備開始降低功率，以盡量減小不同行動台之間的干擾。不過，一旦訊號級支援更高的調變，基地台就會指示行動設備切換調變方式，以提高網路的整體容量。  

以前文的QPSK/16QAM為例，假設一個發射器在+23dBm下工作，並剛到達了位於蜂巢邊緣範圍時，QPSK的SNR為5dB，當它向基地台靠近時，路徑損耗下降，基地台可能通知行動台減小發射功率。然而，當路徑損耗減小5.5dB，由於這時行動台能夠獲得10.5dB的SNR，故基地台會指示行動台切換到16QAM-1/2調變方式，發射功率重新回復到+23dBm。所以，行動設備一般都以較高的功率進行發射，除非它靠向基地台，近到可以轉用16QAM的方式工作--許多情況下甚至可以採用64QAM，這時功率便會下降(圖1)。  

圖1是根據WiMAX論壇白皮書上的參數所繪製。圖中顯示之可到達調變是到基地台距離的函數。若採用白皮書上的參數，假設工作頻率為2.5GHz、通道頻寬10MHz、三個子通道、穿透損耗10dB，再以此計算最大的可能路徑損耗。在這個計算中，尚採用2.5GHz的COST231郊區模型，基地台高度32公尺，行動台高度1.2公尺。這個分析假設了存在有緩慢的(對數常態)衰減，但作出一些簡化，設定5.5dB固定衰減餘裕。當然，在現實中衰減是一個即時過程，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變之間的界線。

圖1　+23dBm發射功率下，可達到的調變與距離的關係。

須要注意的是，從核心往外的第二環QPSK-1/8，表示反覆運算四次的QPSK-1/2調變。這是最穩健的調變方案之一，而且在最大距離處的確是必要的。根據計算可得出，在發射功率為+23dBm時，對於距離基地台0.9～1.35公里的行動設備，行動台必須採用QPSK-1/8調變。在較近的距離處，行動台可採用較高的調變，網路容量也因此增大。舉例來說，在距離基地台0.45～0.6公里的地方，行動台可採用16QAM-1/2調變。而由於16QAM-1/2調變是每一符號發射二個位元率，而QPSK-1/8每一符號只發射0.5個位元率，故第三環中的輸送量比第二環多四倍。  

此外，若估算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，行動台均以最大的功率發射。但隨著行動台向基地台行動，其發射功率不斷下降至能夠實現下一個調變的足夠功率。這時，基地台的發射功率又開始重新增加，從而盡量提高容量。圖2為發射功率是距離的函數，顯示出自我調整調變的影響。可以看出，只有實現最高調變如64QAM-3/4，發射功率才會大幅度下降。如果最大調變改為16QAM-3/4，當實現了這個調變級時，發射功率就會單調性下降。  

值得注意的是，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，需要更多的餘裕來抵銷衰減效應，而且出現最大功率發射的情況要少得多。不過，圖2所示的整體趨勢是正確的，從中可以看出，僅在蜂巢邊緣，即使在距離基地台較近的地方，行動台都被要求大功率發射，以實現較高的調變。

圖2　發射功率與到基地台距離的關係。

優勢顯而易見　WiMAX走向大功率  

行動WiMAX終端具有較大的發射功率有兩大優勢。首先，以較大的輸出功率發射可以提高最大覆蓋距離。根據WiMAX論壇一份白皮書提供的參數顯示，當輸出功率從23dBm提高到24.5dBm時，行動設備與基地台的最大距離從1.35公里增加到1.5公里。如此一來，整體覆蓋面積將擴大23.5%。而網路營運商也就得以減少23%的基地台部署，並達到節省成本的目標。  

至於第二個優勢，如果行動台能以較高的功率來發射，當它遠離基地台時，就可以獲得更高調變所需的SNR。這將增加網路總容量，最終提高整體頻譜效率。  

圖3顯示，在+24.5dBm的發射功率下，調變可作為到基地台距離的函數。此時再一次把可達到的調變作為到基地台距離的函數來繪製(虛線表示圖1+23dBm發射功率下的距離)，而最大距離也從1.35公里提高到1.5公里。但更須注意的是，用戶可以在更長的距離上採用16QAM-1/2調變，如此時最大距離為0.7公里，而+23dBm時為0.6公里。由於發射功率更高，用戶能夠更早地實現更高調變，因此每一個用戶都可以在更長的距離上獲得更高的輸送量，而網路的總容量也相應增加。每多添一個用戶以更高的功率發射，網路的總容量便會有所增加。須關注的重點是，只有在全部使用者都能以較高的功率進行發射，才可擴大社區的覆蓋面積。網路中每增加一個發射功率較高的使用者，網路總容量就會變大一些。

圖3　+24.5dBm發射功率下，可達到的調變與距離的關係。

最後，因為既然已知每一種調變方案的發射位元率；也知道在兩個功率等級下，每一種調變方案覆蓋的相對面積是多少，因此計算發射功率從+23dBm提高到+24.5dBm所增加的容量就相對簡單。在採用這些資訊計算相對容量時，可以發現，當發射功率從+23dBm提高到+24.5dBm時，容量增加了24%。即使最大社區範圍仍為固定的1.35公里，但當發射功率提高到+24.5dBm時(假設網路最初針對+23dBm的設備)，若設備能夠以較高的功率發射，容量仍可增加18%。  

提升功率有極限　效率/電壓/法規限制仍存  

從前文的分析與計算中，已經可以了解為何在WiMAX網路中，較高的發射功率極為重要--因為它可以提高整個網路的輸送量，而且在「新建」的部署中可以獲得更大的社區覆蓋面積，從而降低部署成本。但為何不以更高功率發射呢？這是因為有三個因素限制了更高功率下的發射能力：功率放大器效率、可用供電電壓及法規要求。  

功率放大器效率決勝負  

在功率放大器中，效率定義為射頻功率輸出與直流功率輸入之比。如果一個功率放大器的效率為10%，它在+25.5dBm(355mW)時的發射功率為3.55W。若PA效率能夠增加達到20%，則峰值功耗降至1.7W。目前最先進的WiMAX功率放大器，其工作效率超過20%。  

功率放大器效率對行動裝置的電池壽命有直接的影響。當然，功率放大器並非一直處於工作狀態，因此平均功耗比上述的峰值功耗要低得多。例如，當行動台發射資料時，WiMAX設備的發射工作週期(Duty Cycle)一般在40%左右。故對於效率為20%的功率放大器，若以最大功率發射，平均峰值功耗在680mW左右。此外，由於常常無資料待發，這時，設備將基本處於閒置狀態，基本上，它只發射測距消息，以讓基地台知道它仍在社區範圍內。不過，由於功率放大器功耗對電池壽命的影響很大，盡量提高其效率極為重要。  

可用供電電壓難實現  

行動WiMAX設備直接由行動台的電池供電，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。大多數製造商都希望這個使用範圍盡量大，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，很難讓低阻抗功率放大器輸出匹配50歐姆天線。如果需要更高的輸出功率，阻抗就變得更低，要在功率放大器與天線間獲得良好的寬頻匹配就愈發困難。  

法規要求限制功率上限  

法規監管要求也對功率放大器能夠提供的功率制定了嚴格的限制。一個好的線性功率放大器應該只利用輸入訊號產生原始頻率。但在現實中，功率放大器的非線性度會借助互調失真(IIMD)而引入新的頻率，這些頻寬外的訊號可能干擾相鄰通道的使用者，又被稱為頻譜增生或頻譜洩漏。  

監管機構對頻帶外發射的功率制定有嚴格的規範。例如，對於2.5GHz頻寬的行動設備，美國聯邦傳播委員會(FCC)規定，在設備指定頻寬之外5.5MHz處測得的發射功率必須小於-25dBm/ MHz。由於這一限值是絕對功率測量值，隨著輸出功率增加，需要越來越大的頻寬外發射抑制，功率放大器的線性度必須越來越高。例如通道頻寬為10MHz，發射功率+23dBm時，要獲得-25dBm/ MHz就需要23-10log(10)+25=38dB的淨抑制。24.5dBm的發射功率需要39.5dB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，功率放大器的線性度必須提高，結果是功率放大器的效率隨輸出功率目標的提高而下降。

值得一提的是，許多人常會質疑，為何WiMAX的功率放大器效率極低？尤其GSM之功率放大器很容易就可以獲得超過50%的效率，但WiMAX功率放大器效率卻不盡如人意。原因在於與WiMAX相比，GSM的線性度要求寬鬆得多，所以推動GSM功率放大器效率的力度就可以大很多。再者，WiMAX中所採用的OFDM調變產生峰均值功率比(PAPR)為6～7dB，而GSM的PAPR則為0dB。

當然，OFDM也有大量優勢，包括高頻譜效率和出色的抗衰減性，這些特性對行動WiMAX這樣的大頻寬行動應用是非常重要的。  

毋庸置疑地，對行動WiMAX網路而言，較高的發射功率十分重要。目前部署中的網路規定最小發射功率為+23dBm。每一個發射功率大於+23dBm的使用者入網都會提高整體網路效率。不過，發射功率越高，功耗也相應增加。因此，在採用更高的輸出功率時，功率放大器的效率變得更加重要。  

(本文作者任職於SiGe)