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各种手机制式的发射功率

  笔者从事手机测试校准系统集成有段时间,感觉到手机发射功率在不同的系统、不同的协议下有很多的不同。笔者对此深感有意思,故把PHS、GSM、CDMA 2000 1x、W-CDMA下对手机发射功率的规定罗列于此,希望能给同行起到抛砖引玉的作用,斧正我的错误。

一、手机发射功率的两个方面

  手机发射功率在PHS、GSM、CDMA2000 1x、W-CDMA等协议中,被设计得越来越复杂,它的重要性已不言而喻,那手机发射功率是大些好呢,还是小些好呢?事实上单纯的说大些好或者小些好,都实在不是一个明智的回答,因为在设计手机功率时,要考虑以下两个方面:

  1、在能保证正常通信情况下,手机发射功率越小越好

  手机发射功率越小,手机的耗电量就越小,待机时间、通话时间越长;

  手机发射功率越小,对同系统别的手机的干扰越小,这不仅给同系统别的手机创造了好的无线环境,同时对于CDMA 2000 1x、W-CDMA来说,这就意味着小区容量越大;

  手机发射功率越小,对别的无线设备干扰越小,这就给别的无线设备创造了好的无线环境;

  2、在有些情况下,为了能保证通信质量,手机发射功率希望能被调整的大些,再大些,再大些......

  手机在小区的远端时,为了保证手机信号经过长距离传输到达基站后,手机信号仍能被正确解调,也就是手机发射功率要足够大,以克服信号经过长距离传输的衰减;

  手机被建筑物或其它遮挡,在无线阴影区内,手机发射功率也要足够大,以克服手机信号必须经过多次的反射、折射及长距离传输的衰减;

  手机在干扰比较大的情况下,如邻信道、同信道干扰,阻塞等等,手机发射功率也要足够大,以克服噪声的干扰。

  综上所述,手机发射功率存在着两面性,一方面在能保证正常通信情况下,手机发射功率越小越好;另一方面,在有些情况下,为了能保证通信质量,手机发射功率必须要大一些,甚至要再大一些。这两方面看似矛盾,实为统一,准确表述为:手机必须发出足够大的功率,以保证通信质量,在保证通信质量的前提下,手机发射功率越小越好。换言之,手机发射功率最好根据实际情况能够被控制,该大则大,该小则小。

二、PHS手机发射功率

  PHS(Personal Handyphone system的缩写)为日本独立开发出的第三代数字无绳电话系统——个人携带电话系统,它具有很多突出的优点:建设费用低、系统扩充方便,超低的资费标准,因协议简单,而使手机制造成本降低,最终导致手机拥有价格上的优势等等。PHS在中国被称为小灵通,在有些地方也称为“个人通信接入系统PAS(Personal Access System)” 。

  PHS采用日本RCR-STD28协议作为空中无线接口标准,采用微蜂窝技术,因此它必须建置较密集的基站。由于基站覆盖范围较小,其铺设就必须比高功率的移动电话基站密,适于低速状态下的移动。不过,新一代的PHS基站范围已扩大至500米。

  基于以上的情况,特别是采用微蜂窝技术,RCR-STD28规定手机的发射平均功率≤10mW,峰值功率≤80mW,发射功率不可控。除此之外,有关PHS手机发射功率的测量还有

  1、载波关断泄漏功率≤80nW

  2、发射瞬态响应特性:脉冲上升、下降时间≤13μS

  3、杂散发射功率相对载波电平(衰减量)≥50dB,或绝对电平≤2.5μW。

  从以上的情况不难看出,PHS手机在小区远端,或阴影区,或受到干扰,是不能以再提高发射功率,以抵消无线信号的长距离传输的损耗,或建筑物等的遮挡损耗,或抵御干扰。这实际上导致的结果就是手机与基站之间的无线链路很脆弱,这是PHS手机协议上的根本弱点之一。

  反过来从协议对手机发射功率的规定中我们也不难看出,PHS只能采用微蜂窝技术,通过建置较密集的基站抵消远近效应和阴影效应,否则就会出现大量的无信号区域和通信质量差等问题。在受到干扰,通信质量降低的情况下,手机也无法通过提高发射功率的办法,来保证通信质量。

  由于PHS手机发射功率比较小,对别的手机或无线设备干扰也小,它的待机时间、通话时间都比较长,由于PHS手机发射功率不受控制,协议简单,手机制造成本也相对较低。

三、GSM手机发射功率

  GSM协议规定,手机发射功率是可以被基站控制的。基站通过下行SACCH信道,发出命令控制手机的发射功率级别,每个功率级别差2dB,GSM900 手机最大发射功率级别是5(33dBm),最小发射功率级别是19(5dBm),DCS1800手机最大发射功率级别是0(30dBm),最小发射功率级别是15(0dBm)。

  从以上不难看出当手机远离基站,或者处于无线阴影区时,基站可以命令手机发出较大功率,直至33dBm(GSM900),以克服远距离传输或建筑物遮挡所造成的信号损耗。如果手机离基站很近,且无任何遮挡物时,基站可以命令手机发出较小功率,直至5dBm(GSM900),以减少手机对同信道、相邻信道的其它GSM用户的干扰和其它无线设备的干扰,而且这样还可以有效延长手机待机时间、通话时间。

  从以上不难看出GSM手机发出的最低功率仅为5dBm(GSM900),约为3.2mW,这比PHS的平均功率10mW要小,同时GSM手机发出的最大功率33dBm(GSM900),约为2W,这个信号相对来说是巨大的,对这种大信号不加以严格规定,其干扰也是巨大的。因此GSM就手机发射信号除了发射功率的规定以外,在其它方面也作了适当的规定。

(注意:这里是适当的规定,如果规定偏严无疑会加大手机制造成本,如果偏松,无疑会加大干扰。)具体有如下几个方面:

  1、Power versus Time

  由于GSM是TDMA系统,因此GSM协议通过一个功率对时间的模板来严格限制发射功率在时间域的变化情况,以减少干扰,尤其是对同信道其他时隙的用户的干扰。

  2、Output RF Spectrum Due to Modulation

  3、Output RF Spectrum Due to Ramping

  GSM通过对手机发射信号的调制谱和切换谱的规定,来限制手机发射信号时的频谱带宽和形状,以减少干扰,尤其是邻信道用户的干扰。

  拿GSM协议和PHS协议对比来看,GSM为保证通信质量,规定了手机的发射功率是受基站控制的,根据需要可大可小,但同时又严格规定手机发射信号在时间域和频率域的“形状”(PvT,ORFS),这无疑又极大的限制了手机对外的干扰。而PHS手机的发射功率不可再增大,因此PHS手机与基站之间的无线链路很脆弱的弱点,只能通过建置较密集的基站来解决,这无疑又加大了系统的投资。当然由于它的发射信号始终比较小,信号在时域和频域上的要求也不用很严,生产制造成本、测试成本也都跟着降了下来。

  从以上不难看出,同为时分多址系统,单从手机发射功率这点就能看出来,GSM系统优于PHS系统。

四、CDMA2000 1x手机发射功率

  CDMA顾名思义是码分多址,因此在一个小区内的所有用户,都是同时在同一个频率上通讯,因此每个用户都回受到同小区的其它用户的干扰,每个用户都会干扰同小区的其它用户,因此人们也把CDMA称之为自干扰系统。

  CDMA的基本技术之一是功率控制。因为限制CDMA系统容量的因素是总干扰功率,所以控制每个移动台的功率是获得最大容量的关键。在给定条件下,CDMA移动台的功率被控制到能够保证接收话音质量的最小功率。结果是每个移动台到达基站的信号电平几乎相同。这样,每台移动台对其他移动台的干扰被控制到最小。因此CDMA系统容量也被称为“软容量”,也就是CDMA可以通过降低通信质量来提高系统容量。

  如果移动台发射功率过大,会对其他用户带来干扰。它会作为其他接收者的背景噪声存在。如果某用户为了获得完美的话音而没有限制的升高发射信号功率,那么他将不仅影响到本网络的其他用户的通话,而且会影响到该频段上其他通信系统用户的使用。

  下面以CDMA2000 1x(cdma95类似)为例,详细介绍有关功率控制与测试。CDMA2000 1x反向链路采用两种形式的功率控制:开环功率控制和闭环功率控制。

  先看开环功率控制:它是假定前向路径损耗与反向路径损耗是相似的链路为前提的。将发射功率与接收功率的总和设置为一个常数,通常为-73dB。[移动台根据在整个1.2288MHz频段接收到的总信号能量(就是在导频、寻呼、同步和业务信道的功率,其中含有从服务基站来的信号与相同频率相邻基站的信号总和来)来调整它的发射功率。]

  例如:如果移动台接收到的信号功率为-85dBm,这时它的发射功率应当为:-73-(-85)=12dBm

  闭环功率控制:基站监视从每个移动台接收的功率并命令移动台以固定的步长1dB(0.5 dB、0.25dB)增加或降低功率(不能保持不变)。这个过程每1.25ms一次(每秒钟重复800次)

  从以上资料不难看出,CDMA2000 1x不断精确控制手机的发射功率,以达到在能够保证接收质量的情况下的最小功率,下面详细介绍 CDMA2000 1x为实现这个目的所作的有关功率方面的测试规定。

  1、Open Loop Output

  这部分主要以基站发出大信号、中信号、小信号三种状况下,来检测手机是否能正确估算出开环输出功率,以及开环输出功率范围。

  2、Time Response of Open Loop

  这部分主要保证,手机在不断运动,或者其他原因,导致接受到基站的信号持续变化时,手机是否能根据这种变化能快速、持续调整开环输出功率。

  3、Closed Loop Power Range

  对于闭环功率控制,基站命令手机进行输出功率调整以优化功率输出。基于收到的电平,基站命令手机增加和降低输出功率,每1.25 ms变化1 dB(800次/秒)。测试闭环功率性能的标准方法包括验证整个功率范围及手机闭环功率控制范围的线性。CDMA手机必须演示±24dB的闭环功率控制范围以及定义的改变功率的速度,以确定手机是否能跟上基站的命令。

  4、Maximum Output Power和Minimum Output Power

  根据以上的介绍,其实基站对手机发射的绝对功率并不是很重视,它仅仅是要求手机能根据自己发出的功率上升指令或功率下降指令自动调整输出功率即可,且最好手机能发出无限大或无限小的功率来,但这个要求对手机制造商来说,实在是苛刻,且会无限制的提高手机制造成本,因此折中的方案是将手机按发射功率分类,不同类的手机最大功率必须达到各自要求,也就是至少要大于标准规定的最大功率的下限,小于标准规定的最大功率的上限,使其在小区远端或无线阴影中也能较好通讯。同时要求手机必须能够输出小于最小功率的功率值来,也就是在无线环境比较好,且手机与基站很近时,手机能把自己的输出功率降得很低,以确保对其它手机的最小干扰和对电池的最小消耗。

  5、Standby Power

  CDMA2000 1x规定手机待机功率要小于-61 dBm,这既保证了对外干扰很小,又保证了在待机时间对电池的小消耗,延长了手机的待机时间。

五、W-CDMA手机发射功率

  GSM和W-CDMA虽然同为欧洲标准,但W-CDMA毕竟是码分多址的,它采纳,也必须采纳CDMA中很多稳定成熟的技术和方案,至少在对手记发射功率控制这块,W-CDMA和cdma2000 1x就非常类似,只是W-CDMA对手机功率控制要求更精准、更严格。

  笔者认为这里的原因是W-CDMA毕竟是码分多址的技术,它需要采用功率控制技术,来平衡用户功率,以保证系统每个用户的通信质量和系统的最大容量。虽然GSM和W-CDMA同为欧洲标准,而且GSM是第二代标准,W-CDMA是第三代标准,GSM尽管也采用了功率控制技术,但区别还是巨大的:

  GSM功率控制速率要慢得多,对功率控制升多少、降多少要求并不是很精准,也不是很严格;

  GSM对功率控制依赖程度要低,而CDMA没有了功率控制将几乎无法工作。

  事实上在W—CDMA中,上行链路采用开环功控和闭环功控两种方式。当上行链路没有建立时,开环功控用来调节物理随机接入信道的发射功率。链路建立之后,使用闭环功控。闭环功控包括内环功控和外环功控。外环功控以误码率或者误帧率作为控制目标,内环功控以信干比作为控制目标。下行链路只有闭环功控。

  1、Open Loop Power

  这部分主要以基站发出大信号、中信号、小信号三种状况下,来检测手机是否能正确估算出开环输出功率,以及开环输出功率范围。具体计算公式为:PRACH Preamble Initial Power = (P-CPICH DL TX Power) - (CPICH_RSCP)+ (UL Interference) + (Constant value)

  2、Inner Loop Power W-CDMA

  关于手机在内环功控方面作了较好的功率控制位的形式和算法的规定,手机在内环功控下,必须能发出–50dBm到+24 dBm范围内的信号,而且还要求手机能够很好相应基站所发出的功率控制位,当基站发出升(或降)1dB命令时,手机必须升(或降)1dB+/-0.5dB,当基站发出升(或降)10dB命令时,手机必须升(或降)10dB+/-2dB。同时W-CDMA还规定了A,B,C,D,E,F,G,H 8段区域,来测试手机。将这部分与cdma2000 1x 的闭环功率控制相比,可以看出虽然异曲同工,但W-CDMA的规定更严谨,更细致。

  3、Maximum Output Power和Minimum Output Power

  W-CDMA与CDMA 2000 1x在这方面非常类似,故不再赘述。

  通过以上的介绍,不难看出WCDMA与IS-95、CDMA 2000 1x没有本质不同,撇开IPR问题,所有的不同点无非是怎样才能更好发挥CDMA的优势、提高系统的性能如系统容量、通信质量和网络覆盖等。

六、结束语

  前面所述仅是把各个标准里对手机发射功率的有关规定拿出来罗列和对比,挂一漏万。但管中窥豹,足见技术的发展和通信协议的进步。

  PHS和GSM同为时分多址系统,协议就手机输出功率方面的规定具有可比性,它们与CDMA 2000 1x、W-CDMA这些码分多址系统,在手机输出功率方面不具有可比性。码分多址近似的可以认为是在实时的(1.25ms一次),精确的(以0.25 dB)控制手机发射功率,而手机也要实时的、精确的相应控制(具体测试方法见上文),以保证系统的需要。由于多址方式的不同,这就决定了GSM没有必要搞码分多址哪种实时的、精确的、很复杂的功率控制(以节省制造、测试成本),当然也不能像PHS那样,不控制手机输出功率,即便是在微蜂窝内。

  在上文中,也是简单介绍了码分多址技术对手机发射功率的控制,事实上码分多址技术对基站和手机的发射功率的规定远不止这些,如接入试探功率、发射开/关控制,呼吸技术等等。现实的情况是,如果没有功率控制等无线资源管理技术的支持,码分多址的性能比时分多址更差。而这些笔者在本文都将其省略了,并不是说这些不重要,而是笔者认为这些与本文着眼点不太一致。

  总之,手机发射功率实在是个重要的指标,也是一柄锋利的双刃剑,一方面人们希望它足够大,以克服无线电波传播路径的损耗、发射、折射的损耗,克服其他无线电波的干扰,另一方面又希望它足够小,尽可能小的干扰别人,这点在码分多址系统中尤显突出。解决的办法就是要根据需要控制手机发射功率,在保证所有人的正常通信的情况下,尽可能的把所有手机的发射功率都降下来。当然,这些无疑会加大协议的复杂性,提高手机的制造成本,但这可以保证更多的人同时拥有更多的带宽,这是符合人们一直在追求的提高无线资源利用率这一目标的,毕竟频率资源是不可再生的资源,而手机的制造成本会通过手机的批量生产,最终会降下来。