- PHS手機(jī)發(fā)射功率詳解
- GSM手機(jī)發(fā)射功率詳解
- CDMA手機(jī)發(fā)射功率詳解
手機(jī)發(fā)射功率在PHS、GSM、cdma20001x、wcdma等協(xié)議中，被設(shè)計(jì)得越來越復(fù)雜，它的重要性已不言而喻，哪手機(jī)發(fā)射功率是大些好哪，還是小些好哪?事實(shí)上單純的說大些好或者小些好，都實(shí)在不是一個(gè)明智的回答，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)手機(jī)功率時(shí)，要考慮以下兩個(gè)方面：
1、在能保證正常通信情況下，手機(jī)發(fā)射功率越小越好
*、手機(jī)發(fā)射功率越小,手機(jī)的耗電量就越小,待機(jī)時(shí)間、通話時(shí)間越長(zhǎng);
*、手機(jī)發(fā)射功率越小，對(duì)同系統(tǒng)別的手機(jī)的干擾越小，這不僅給同系統(tǒng)別的手機(jī)創(chuàng)造了好的無線環(huán)境，同時(shí)對(duì)于cdma20001x、wcdma來說，這就意味著小區(qū)容量越大;
*、手機(jī)發(fā)射功率越小，對(duì)別的無線設(shè)備干擾越小,這就給別的無線設(shè)備創(chuàng)造了好的無線環(huán)境;
2、在有些情況下，為了能保證通信質(zhì)量，手機(jī)發(fā)射功率希望能被調(diào)整的大些，再大些,再大些......
*、手機(jī)在小區(qū)的遠(yuǎn)端時(shí),為了保證手機(jī)信號(hào)經(jīng)過長(zhǎng)距離傳輸?shù)竭_(dá)基站后,手機(jī)信號(hào)仍能被正確解調(diào),也就是手機(jī)發(fā)射功率要足夠大，以克服信號(hào)經(jīng)過長(zhǎng)距離傳輸?shù)乃p;
*、手機(jī)被建筑物或其它遮擋，在無線陰影區(qū)內(nèi)，手機(jī)發(fā)射功率也要足夠大，以克服手機(jī)信號(hào)必須經(jīng)過多次的反射、折射及長(zhǎng)距離傳輸?shù)乃p;
*、手機(jī)在干擾比較大的情況下，如鄰信道、同信道干擾，阻塞等等，手機(jī)發(fā)射功率也要足夠大，以克服噪聲的干擾。
綜上所述，手機(jī)發(fā)射功率存在著兩面性，一方面在能保證正常通信情況下，手機(jī)發(fā)射功率越小越好;另一方面，在有些情況下，為了能保證通信質(zhì)量，手機(jī)發(fā)射功率必須要大一些，甚至要再大一些。這兩方面看似矛盾，實(shí)為統(tǒng)一，準(zhǔn)確表述為：手機(jī)必須發(fā)出足夠大的功率，以保證通信質(zhì)量，在保證通信質(zhì)量的前提下，手機(jī)發(fā)射功率越小越好。換言之，手機(jī)發(fā)射功率最好根據(jù)實(shí)際情況能夠被控制，該大則大，該小則小。
二、PHS手機(jī)發(fā)射功率
PHS(PersonalHandyphonesystem的縮寫)為日本獨(dú)立開發(fā)出的第三代數(shù)字無繩電話系統(tǒng)——個(gè)人攜帶電話系統(tǒng),它具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)：建設(shè)費(fèi)用低、系統(tǒng)擴(kuò)充方便,超低的資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),因協(xié)議簡(jiǎn)單，而使手機(jī)制造成本降低，最終導(dǎo)致手機(jī)擁有價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)等等。PHS在中國(guó)被稱為小靈通，在有些地方也稱為“個(gè)人通信接入系統(tǒng)PAS(PersonalAccessSystem)”
PHS采用日本RCR-STD28協(xié)議作為空中無線接口標(biāo)準(zhǔn)，采用微蜂窩技術(shù)，因此它必須建置較密集的基站。由于基站覆蓋范圍較小，其鋪設(shè)就必須比高功率的移動(dòng)電話基站密，適于低速狀態(tài)下的移動(dòng)。不過，新一代的PHS基站范圍已擴(kuò)大至500米。
基于以上的情況，特別是采用微蜂窩技術(shù)，RCR-STD28規(guī)定手機(jī)的發(fā)射平均功率≤10mW，峰值功率≤80mW，發(fā)射功率不可控。除此之外，有關(guān)PHS手機(jī)發(fā)射功率的測(cè)量還有
1、載波關(guān)斷泄漏功率≤80nW
2、發(fā)射瞬態(tài)響應(yīng)特性：脈沖上升、下降時(shí)間≤13μS
3、雜散發(fā)射功率相對(duì)載波電平(衰減量)≥50dB，或絕對(duì)電平≤2.5μW。
從以上的情況不難看出，PHS手機(jī)在小區(qū)遠(yuǎn)端，或陰影區(qū)，或受到干擾，是不能以再提高發(fā)射功率，以抵消無線信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸?shù)膿p耗，或建筑物等的遮擋損耗，或抵御干擾。這實(shí)際上導(dǎo)致的結(jié)果就是手機(jī)與基站之間的無線鏈路很脆弱，這是PHS手機(jī)協(xié)議上的根本弱點(diǎn)之一。
反過來從協(xié)議對(duì)手機(jī)發(fā)射功率的規(guī)定中我們也不難看出，PHS只能采用微蜂窩技術(shù)，通過建置較密集的基站抵消遠(yuǎn)近效應(yīng)和陰影效應(yīng)，否則就會(huì)出現(xiàn)大量的無信號(hào)區(qū)域和通信質(zhì)量差等問題。在受到干擾，通信質(zhì)量降低的情況下，手機(jī)也無法通過提高發(fā)射功率的辦法，來保證通信質(zhì)量。
由于PHS手機(jī)發(fā)射功率比較小,對(duì)別的手機(jī)或無線設(shè)備干擾也小，它的待機(jī)時(shí)間、通話時(shí)間都比較長(zhǎng)，由于PHS手機(jī)發(fā)射功率不受控制，協(xié)議簡(jiǎn)單，手機(jī)制造成本也相對(duì)較低。
三、GSM手機(jī)發(fā)射功率
GSM協(xié)議規(guī)定，手機(jī)發(fā)射功率是可以被基站控制的?；就ㄟ^下行SACCH信道，發(fā)出命令控制手機(jī)的發(fā)射功率級(jí)別，每個(gè)功率級(jí)別差2dB，GSM900手機(jī)最大發(fā)射功率級(jí)別是5(33dBm)，最小發(fā)射功率級(jí)別是19(5dBm)，DCS1800手機(jī)最大發(fā)射功率級(jí)別是0(30dBm)，最小發(fā)射功率級(jí)別是15(0dBm)。
從以上不難看出當(dāng)手機(jī)遠(yuǎn)離基站，或者處于無線陰影區(qū)時(shí)，基站可以命令手機(jī)發(fā)出較大功率，直至33dBm(GSM900)，以克服遠(yuǎn)距離傳輸或建筑物遮擋所造成的信號(hào)損耗。如果手機(jī)離基站很近，且無任何遮擋物時(shí)，基站可以命令手機(jī)發(fā)出較小功率，直至5dBm(GSM900)，以減少手機(jī)對(duì)同信道、相鄰信道的其它GSM用戶的干擾和其它無線設(shè)備的干擾，而且這樣還可以有效延長(zhǎng)手機(jī)待機(jī)時(shí)間、通話時(shí)間。
從以上不難看出GSM手機(jī)發(fā)出的最低功率僅為5dBm(GSM900)，約為3.2mW，這比PHS的平均功率10mW要小，同時(shí)GSM手機(jī)發(fā)出的最大功率33dBm(GSM900)，約為2W，這個(gè)信號(hào)相對(duì)來說是巨大的，對(duì)這種大信號(hào)不加以嚴(yán)格規(guī)定，其干擾也是巨大的。因此GSM就手機(jī)發(fā)射信號(hào)除了發(fā)射功率的規(guī)定以外，在其它方面也作了適當(dāng)?shù)囊?guī)定。(注意：這里是適當(dāng)?shù)囊?guī)定，如果規(guī)定偏嚴(yán)無疑會(huì)加大手機(jī)制造成本，如果偏松，無疑會(huì)加大干擾。)具體有如下幾個(gè)方面：
1、PowerversusTime
由于GSM是TDMA系統(tǒng)，因此GSM協(xié)議通過一個(gè)功率對(duì)時(shí)間的模板來嚴(yán)格限制發(fā)射功率在時(shí)間域的變化情況，以減少干擾，尤其是對(duì)同信道其他時(shí)隙的用戶的干擾。
2、OutputRFSpectrumDuetoModulation
3、OutputRFSpectrumDuetoRamping
GSM通過對(duì)手機(jī)發(fā)射信號(hào)的調(diào)制譜和切換譜的規(guī)定，來限制手機(jī)發(fā)射信號(hào)時(shí)的頻譜帶寬和形狀，以減少干擾，尤其是鄰信道用戶的干擾。
拿GSM協(xié)議和PHS協(xié)議對(duì)比來看，GSM為保證通信質(zhì)量，規(guī)定了手機(jī)的發(fā)射功率是受基站控制的，根據(jù)需要可大可小，但同時(shí)又嚴(yán)格規(guī)定手機(jī)發(fā)射信號(hào)在時(shí)間域和頻率域的“形狀”(PvT,ORFS)，這無疑又極大的限制了手機(jī)對(duì)外的干擾。而PHS手機(jī)的發(fā)射功率不可再增大，因此PHS手機(jī)與基站之間的無線鏈路很脆弱的弱點(diǎn)，只能通過建置較密集的基站來解決，這無疑又加大了系統(tǒng)的投資。當(dāng)然由于它的發(fā)射信號(hào)始終比較小，信號(hào)在時(shí)域和頻域上的要求也不用很嚴(yán)，生產(chǎn)制造成本、測(cè)試成本也都跟著降了下來。
從以上不難看出，同為時(shí)分多址系統(tǒng)，單從手機(jī)發(fā)射功率這點(diǎn)就能看出來，GSM系統(tǒng)優(yōu)于PHS系統(tǒng)。
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四、cdma20001x手機(jī)發(fā)射功率
cdma顧名思義是碼分多址，因此在一個(gè)小區(qū)內(nèi)的所有用戶，都是同時(shí)在同一個(gè)頻率上通訊，因此每個(gè)用戶都回受到同小區(qū)的其它用戶的干擾，每個(gè)用戶都會(huì)干擾同小區(qū)的其它用戶，因此人們也把cdma稱之為自干擾系統(tǒng)。
CDMA的基本技術(shù)之一是功率控制。因?yàn)橄拗艭DMA系統(tǒng)容量的因素是總干擾功率，所以控制每個(gè)移動(dòng)臺(tái)的功率是獲得最大容量的關(guān)鍵。在給定條件下，CDMA移動(dòng)臺(tái)的功率被控制到能夠保證接收話音質(zhì)量的最小功率。結(jié)果是每個(gè)移動(dòng)臺(tái)到達(dá)基站的信號(hào)電平幾乎相同。這樣，每臺(tái)移動(dòng)臺(tái)對(duì)其他移動(dòng)臺(tái)的干擾被控制到最小。因此CDMA系統(tǒng)容量也被稱為“軟容量”，也就是CDMA可以通過降低通信質(zhì)量來提高系統(tǒng)容量。
如果移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率過大，會(huì)對(duì)其他用戶帶來干擾。它會(huì)作為其他接收者的背景噪聲存在。如果某用戶為了獲得完美的話音而沒有限制的升高發(fā)射信號(hào)功率，那么他將不僅影響到本網(wǎng)絡(luò)的其他用戶的通話，而且會(huì)影響到該頻段上其他通信系統(tǒng)用戶的使用。
下面以cdma20001x(cdma95類似)為例，詳細(xì)介紹有關(guān)功率控制與測(cè)試。cdma20001x反向鏈路采用兩種形式的功率控制：開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制。
先看開環(huán)功率控制：它是假定前向路徑損耗與反向路徑損耗是相似的鏈路為前提的。將發(fā)射功率與接收功率的總和設(shè)置為一個(gè)常數(shù)，通常為-73dB。[移動(dòng)臺(tái)根據(jù)在整個(gè)1.2288MHz頻段接收到的總信號(hào)能量(就是在導(dǎo)頻、尋呼、同步和業(yè)務(wù)信道的功率，其中含有從服務(wù)基站來的信號(hào)與相同頻率相鄰基站的信號(hào)總和來)來調(diào)整它的發(fā)射功率]
例如：如果移動(dòng)臺(tái)接收到的信號(hào)功率為-85dBm，這時(shí)它的發(fā)射功率應(yīng)當(dāng)為：-73-(-85)=12dBm
閉環(huán)功率控制：基站監(jiān)視從每個(gè)移動(dòng)臺(tái)接收的功率并命令移動(dòng)臺(tái)以固定的步長(zhǎng)1dB(0.5dB、0.25dB)增加或降低功率(不能保持不變)。這個(gè)過程每1.25ms一次(每秒鐘重復(fù)800次)
從以上資料不難看出，cdma20001x不斷精確控制手機(jī)的發(fā)射功率，以達(dá)到在能夠保證接收質(zhì)量的情況下的最小功率，下面詳細(xì)介紹cdma20001x為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的所作的有關(guān)功率方面的測(cè)試規(guī)定。
1、OpenLoopOutput
這部分主要以基站發(fā)出大信號(hào)、中信號(hào)、小信號(hào)三種狀況下，來檢測(cè)手機(jī)是否能正確估算出開環(huán)輸出功率，以及開環(huán)輸出功率范圍。
2、TimeResponseofOpenLoop
這部分主要保證，手機(jī)在不斷運(yùn)動(dòng)，或者其他原因，導(dǎo)致接受到基站的信號(hào)持續(xù)變化時(shí)，手機(jī)是否能根據(jù)這種變化能快速、持續(xù)調(diào)整開環(huán)輸出功率。
3、ClosedLoopPowerRange
對(duì)于閉環(huán)功率控制，基站命令手機(jī)進(jìn)行輸出功率調(diào)整以優(yōu)化功率輸出。基于收到的電平，基站命令手機(jī)增加和降低輸出功率，每1.25ms變化1dB(800次/秒)。測(cè)試閉環(huán)功率性能的標(biāo)準(zhǔn)方法包括驗(yàn)證整個(gè)功率范圍及手機(jī)閉環(huán)功率控制范圍的線性。CDMA手機(jī)必須演示±24dB的閉環(huán)功率控制范圍以及定義的改變功率的速度，以確定手機(jī)是否能跟上基站的命令。
4、MaximumOutputPower和MinimumOutputPower
根據(jù)以上的介紹，其實(shí)基站對(duì)手機(jī)發(fā)射的絕對(duì)功率并不是很重視，它僅僅是要求手機(jī)能根據(jù)自己發(fā)出的功率上升指令或功率下降指令自動(dòng)調(diào)整輸出功率即可，且最好手機(jī)能發(fā)出無限大或無限小的功率來，但這個(gè)要求對(duì)手機(jī)制造商來說，實(shí)在是苛刻，且會(huì)無限制的提高手機(jī)制造成本，因此折中的方案是將手機(jī)按發(fā)射功率分類，不同類的手機(jī)最大功率必須達(dá)到各自要求，也就是至少要大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大功率的下限，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大功率的上限，使其在小區(qū)遠(yuǎn)端或無線陰影中也能較好通訊。同時(shí)要求手機(jī)必須能夠輸出小于最小功率的功率值來，也就是在無線環(huán)境比較好，且手機(jī)與基站很近時(shí)，手機(jī)能把自己的輸出功率降得很低，以確保對(duì)其它手機(jī)的最小干擾和對(duì)電池的最小消耗。
5、StandbyPower
cdma20001x規(guī)定手機(jī)待機(jī)功率要小于-61dBm，這既保證了對(duì)外干擾很小，又保證了在待機(jī)時(shí)間對(duì)電池的小消耗，延長(zhǎng)了手機(jī)的待機(jī)時(shí)間。
五、wcdma手機(jī)發(fā)射功率
GSM和wcdma雖然同為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，但wcdma畢竟是碼分多址的，它采納，也必須采納cdma中很多穩(wěn)定成熟的技術(shù)和方案，至少在對(duì)手記發(fā)射功率控制這塊，wcdma和cdma20001x就非常類似，只是wcdma對(duì)手機(jī)功率控制要求更精準(zhǔn)、更嚴(yán)格。
筆者認(rèn)為這里的原因是wcdma畢竟是碼分多址的技術(shù)，它需要采用功率控制技術(shù)，來平衡用戶功率，以保證系統(tǒng)每個(gè)用戶的通信質(zhì)量和系統(tǒng)的最大容量。雖然GSM和wcdma同為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，而且GSM是第二代標(biāo)準(zhǔn)，wcdma是第三代標(biāo)準(zhǔn)，GSM盡管也采用了功率控制技術(shù)，但區(qū)別還是巨大的：
(1)GSM功率控制速率要慢得多，對(duì)功率控制升多少、降多少要求并不是很精準(zhǔn),也不是很嚴(yán)格;
(2)GSM對(duì)功率控制依賴程度要低，而CDMA沒有了功率控制將幾乎無法工作。
事實(shí)上在W—CDMA中，上行鏈路采用開環(huán)功控和閉環(huán)功控兩種方式。當(dāng)上行鏈路沒有建立時(shí)，開環(huán)功控用來調(diào)節(jié)物理隨機(jī)接入信道的發(fā)射功率。鏈路建立之后，使用閉環(huán)功控。閉環(huán)功控包括內(nèi)環(huán)功控和外環(huán)功控。外環(huán)功控以誤碼率或者誤幀率作為控制目標(biāo)，內(nèi)環(huán)功控以信干比作為控制目標(biāo)。下行鏈路只有閉環(huán)功控。
1、OpenLoopPower
這部分主要以基站發(fā)出大信號(hào)、中信號(hào)、小信號(hào)三種狀況下，來檢測(cè)手機(jī)是否能正確估算出開環(huán)輸出功率，以及開環(huán)輸出功率范圍。具體計(jì)算公式為：PRACHPreambleInitialPower=(P-CPICHDLTXPower)-(CPICH_RSCP)+(ULInterference)+(ConstantValue)
2、InnerLoopPowerwcdma
關(guān)于手機(jī)在內(nèi)環(huán)功控方面作了較好的功率控制位的形式和算法的規(guī)定，手機(jī)在內(nèi)環(huán)功控下，必須能發(fā)出–50dBm到+24dBm范圍內(nèi)的信號(hào)，而且還要求手機(jī)能夠很好相應(yīng)基站所發(fā)出的功率控制位，當(dāng)基站發(fā)出升(或降)1dB命令時(shí)，手機(jī)必須升(或降)1dB+/-0.5dB，當(dāng)基站發(fā)出升(或降)10dB命令時(shí)，手機(jī)必須升(或降)10dB+/-2dB。同時(shí)wcdma還規(guī)定了A,B,C,D,E,F,G,H8段區(qū)域，來測(cè)試手機(jī)。將這部分與cdma20001x的閉環(huán)功率控制相比，可以看出雖然異曲同工，但wcdma的規(guī)定更嚴(yán)謹(jǐn)，更細(xì)致。
3、MaximumOutputPower和MinimumOutputPower
wcdma與cdma20001x在這方面非常類似，故不再贅述。
通過以上的介紹，不難看出WCDMA與IS-95、CDMA20001x沒有本質(zhì)不同，撇開IPR問題，所有的不同點(diǎn)無非是怎樣才能更好發(fā)揮CDMA的優(yōu)勢(shì)、提高系統(tǒng)的性能如系統(tǒng)容量、通信質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋等。
前面所述僅是把各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)里對(duì)手機(jī)發(fā)射功率的有關(guān)規(guī)定拿出來羅列和對(duì)比，掛一漏萬(wàn)。但管中窺豹，足見技術(shù)的發(fā)展和通信協(xié)議的進(jìn)步。
PHS和GSM同為時(shí)分多址系統(tǒng)，協(xié)議就手機(jī)輸出功率方面的規(guī)定具有可比性，它們與cdma20001x、wcdma這些碼分多址系統(tǒng)，在手機(jī)輸出功率方面不具有可比性。碼分多址近似的可以認(rèn)為是在實(shí)時(shí)的(1.25ms一次)，精確的(以0.25dB)控制手機(jī)發(fā)射功率，而手機(jī)也要實(shí)時(shí)的、精確的相應(yīng)控制(具體測(cè)試方法見上文)，以保證系統(tǒng)的需要。由于多址方式的不同，這就決定了GSM沒有必要搞碼分多址哪種實(shí)時(shí)的、精確的、很復(fù)雜的功率控制(以節(jié)省制造、測(cè)試成本)，當(dāng)然也不能像PHS那樣，不控制手機(jī)輸出功率，即便是在微蜂窩內(nèi)。
在上文中，也是簡(jiǎn)單介紹了碼分多址技術(shù)對(duì)手機(jī)發(fā)射功率的控制，事實(shí)上碼分多址技術(shù)對(duì)基站和手機(jī)的發(fā)射功率的規(guī)定遠(yuǎn)不止這些，如接入試探功率、發(fā)射開/關(guān)控制，呼吸技術(shù)等等?，F(xiàn)實(shí)的情況是，如果沒有功率控制等無線資源管理技術(shù)的支持，碼分多址的性能比時(shí)分多址更差。而這些筆者在本文都將其省略了，并不是說這些不重要，而是筆者認(rèn)為這些與本文著眼點(diǎn)不太一致。
總之，手機(jī)發(fā)射功率實(shí)在是個(gè)重要的指標(biāo)，也是一柄鋒利的雙刃劍，一方面人們希望它足夠大，以克服無線電波傳播路徑的損耗、發(fā)射、折射的損耗，克服其他無線電波的干擾，另一方面又希望它足夠小，盡可能小的干擾別人，這點(diǎn)在碼分多址系統(tǒng)中尤顯突出。解決的辦法就是要根據(jù)需要控制手機(jī)發(fā)射功率，在保證所有人的正常通信的情況下，盡可能的把所有手機(jī)的發(fā)射功率都降下來。當(dāng)然，這些無疑會(huì)加大協(xié)議的復(fù)雜性，提高手機(jī)的制造成本，但這可以保證更多的人同時(shí)擁有更多的帶寬，這是符合人們一直在追求的提高無線資源利用率這一目標(biāo)的，畢竟頻率資源是不可再生的資源，而手機(jī)的制造成本會(huì)通過手機(jī)的批量生產(chǎn)，最終會(huì)降下來。
