手機發(fā)射功率淺析上網

一、手機發(fā)射功率的兩個方面

手機發(fā)射功率在PHS、GSM、cdma20001x、wcdma等協(xié)議中，被設計得越來越復雜，它的重要性已不言而喻，哪手機發(fā)射功率是大些好哪，還是小些好哪?事實上單純的說大些好或者小些好，都實在不是一個明智的回答，因為在設計手機功率時，要考慮以下兩個方面：

1、在能保證正常通信情況下，手機發(fā)射功率越小越好
　　*、手機發(fā)射功率越小,手機的耗電量就越小,待機時間、通話時間越長;
　　*、手機發(fā)射功率越小，對同系統(tǒng)別的手機的干擾越小，這不僅給同系統(tǒng)別的手機創(chuàng)造了好的無線環(huán)境，同時對于cdma20001x、wcdma來說，這就意味著小區(qū)容量越大;
　　*、手機發(fā)射功率越小，對別的無線設備干擾越小,這就給別的無線設備創(chuàng)造了好的無線環(huán)境;

2、在有些情況下，為了能保證通信質量，手機發(fā)射功率希望能被調整的大些，再大些,再大些......
　　*、手機在小區(qū)的遠端時,為了保證手機信號經過長距離傳輸到達基站后,手機信號仍能被正確解調,也就是手機發(fā)射功率要足夠大，以克服信號經過長距離傳輸的衰減;
　　*、手機被建筑物或其它遮擋，在無線陰影區(qū)內，手機發(fā)射功率也要足夠大，以克服手機信號必須經過多次的反射、折射及長距離傳輸的衰減;
　　*、手機在干擾比較大的情況下，如鄰信道、同信道干擾，阻塞等等，手機發(fā)射功率也要足夠大，以克服噪聲的干擾。
　　綜上所述，手機發(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，為了能保證通信質量，手機發(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，實為統(tǒng)一，準確表述為：手機必須發(fā)出足夠大的功率，以保證通信質量，在保證通信質量的前提下，手機發(fā)射功率越小越好。換言之，手機發(fā)射功率最好根據實際情況能夠被控制，該大則大，該小則小。

二、PHS手機發(fā)射功率

PHS(PersonalHandyphonesystem的縮寫)為日本獨立開發(fā)出的第三代數字無繩電話系統(tǒng)——個人攜帶電話系統(tǒng),它具有很多突出的優(yōu)點：建設費用低、系統(tǒng)擴充方便,超低的資費標準,因協(xié)議簡單，而使手機制造成本降低，最終導致手機擁有價格上的優(yōu)勢等等。PHS在中國被稱為小靈通，在有些地方也稱為“個人通信接入系統(tǒng)PAS(PersonalAccessSystem)”

PHS采用日本RCR-STD28協(xié)議作為空中無線接口標準，采用微蜂窩技術，因此它必須建置較密集的基站。由于基站覆蓋范圍較小，其鋪設就必須比高功率的移動電話基站密，適于低速狀態(tài)下的移動。不過，新一代的PHS基站范圍已擴大至500米。

基于以上的情況，特別是采用微蜂窩技術，RCR-STD28規(guī)定手機的發(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PHS手機發(fā)射功率的測量還有
　　1、載波關斷泄漏功率≤80nW
　　2、發(fā)射瞬態(tài)響應特性：脈沖上升、下降時間≤13μS
　　3、雜散發(fā)射功率相對載波電平(衰減量)≥50dB，或絕對電平≤2.5μW。

從以上的情況不難看出，PHS手機在小區(qū)遠端，或陰影區(qū)，或受到干擾，是不能以再提高發(fā)射功率，以抵消無線信號的長距離傳輸的損耗，或建筑物等的遮擋損耗，或抵御干擾。這實際上導致的結果就是手機與基站之間的無線鏈路很脆弱，這是PHS手機協(xié)議上的根本弱點之一。

反過來從協(xié)議對手機發(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，通過建置較密集的基站抵消遠近效應和陰影效應，否則就會出現大量的無信號區(qū)域和通信質量差等問題。在受到干擾，通信質量降低的情況下，手機也無法通過提高發(fā)射功率的辦法，來保證通信質量。

由于PHS手機發(fā)射功率比較小,對別的手機或無線設備干擾也小，它的待機時間、通話時間都比較長，由于PHS手機發(fā)射功率不受控制，協(xié)議簡單，手機制造成本也相對較低。

三、GSM手機發(fā)射功率

GSM協(xié)議規(guī)定，手機發(fā)射功率是可以被基站控制的?；就ㄟ^下行SACCH信道，發(fā)出命令控制手機的發(fā)射功率級別，每個功率級別差2dB，GSM900手機最大發(fā)射功率級別是5(33dBm)，最小發(fā)射功率級別是19(5dBm)，DCS1800手機最大發(fā)射功率級別是0(30dBm)，最小發(fā)射功率級別是15(0dBm)。

從以上不難看出當手機遠離基站，或者處于無線陰影區(qū)時，基站可以命令手機發(fā)出較大功率，直至33dBm(GSM900)，以克服遠距離傳輸或建筑物遮擋所造成的信號損耗。如果手機離基站很近，且無任何遮擋物時，基站可以命令手機發(fā)出較小功率，直至5dBm(GSM900)，以減少手機對同信道、相鄰信道的其它GSM用戶的干擾和其它無線設備的干擾，而且這樣還可以有效延長手機待機時間、通話時間。

從以上不難看出GSM手機發(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GSM手機發(fā)出的最大功率33dBm(GSM900)，約為2W，這個信號相對來說是巨大的，對這種大信號不加以嚴格規(guī)定，其干擾也是巨大的。因此GSM就手機發(fā)射信號除了發(fā)射功率的規(guī)定以外，在其它方面也作了適當的規(guī)定。(注意：這里是適當的規(guī)定，如果規(guī)定偏嚴無疑會加大手機制造成本，如果偏松，無疑會加大干擾。)具體有如下幾個方面：

1、PowerversusTime

由于GSM是TDMA系統(tǒng)，因此GSM協(xié)議通過一個功率對時間的模板來嚴格限制發(fā)射功率在時間域的變化情況，以減少干擾，尤其是對同信道其他時隙的用戶的干擾。

2、OutputRFSpectrumDuetoModulation

3、OutputRFSpectrumDuetoRamping

GSM通過對手機發(fā)射信號的調制譜和切換譜的規(guī)定，來限制手機發(fā)射信號時的頻譜帶寬和形狀，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)議對比來看，GSM為保證通信質量，規(guī)定了手機的發(fā)射功率是受基站控制的，根據需要可大可小，但同時又嚴格規(guī)定手機發(fā)射信號在時間域和頻率域的“形狀”(PvT,ORFS)，這無疑又極大的限制了手機對外的干擾。而PHS手機的發(fā)射功率不可再增大，因此PHS手機與基站之間的無線鏈路很脆弱的弱點，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。當然由于它的發(fā)射信號始終比較小，信號在時域和頻域上的要求也不用很嚴，生產制造成本、測試成本也都跟著降了下來。

從以上不難看出，同為時分多址系統(tǒng)，單從手機發(fā)射功率這點就能看出來，GSM系統(tǒng)優(yōu)于PHS系統(tǒng)。

四、cdma20001x手機發(fā)射功率

cdma顧名思義是碼分多址，因此在一個小區(qū)內的所有用戶，都是同時在同一個頻率上通訊，因此每個用戶都回受到同小區(qū)的其它用戶的干擾，每個用戶都會干擾同小區(qū)的其它用戶，因此人們也把cdma稱之為自干擾系統(tǒng)。

CDMA的基本技術之一是功率控制。因為限制CDMA系統(tǒng)容量的因素是總干擾功率，所以控制每個移動臺的功率是獲得最大容量的關鍵。在給定條件下，CDMA移動臺的功率被控制到能夠保證接收話音質量的最小功率。結果是每個移動臺到達基站的信號電平幾乎相同。這樣，每臺移動臺對其他移動臺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量來提高系統(tǒng)容量。

如果移動臺發(fā)射功率過大，會對其他用戶帶來干擾。它會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)射信號功率，那么他將不僅影響到本網絡的其他用戶的通話，而且會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，詳細介紹有關功率控制與測試。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置為一個常數，通常為-73dB。[移動臺根據在整個1.2288MHz頻段接收到的總信號能量(就是在導頻、尋呼、同步和業(yè)務信道的功率，其中含有從服務基站來的信號與相同頻率相鄰基站的信號總和來)來調整它的發(fā)射功率]

例如：如果移動臺接收到的信號功率為-85dBm，這時它的發(fā)射功率應當為：-73-(-85)=12dBm

閉環(huán)功率控制：基站監(jiān)視從每個移動臺接收的功率并命令移動臺以固定的步長1dB(0.5dB、0.25dB)增加或降低功率(不能保持不變)。這個過程每1.25ms一次(每秒鐘重復800次)

從以上資料不難看出，cdma20001x不斷精確控制手機的發(fā)射功率，以達到在能夠保證接收質量的情況下的最小功率，下面詳細介紹cdma20001x為實現這個目的所作的有關功率方面的測試規(guī)定。

1、OpenLoopOutput

這部分主要以基站發(fā)出大信號、中信號、小信號三種狀況下，來檢測手機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，手機在不斷運動，或者其他原因，導致接受到基站的信號持續(xù)變化時，手機是否能根據這種變化能快速、持續(xù)調整開環(huán)輸出功率。

3、ClosedLoopPowerRange

對于閉環(huán)功率控制，基站命令手機進行輸出功率調整以優(yōu)化功率輸出?；谑盏降碾娖?，基站命令手機增加和降低輸出功率，每1.25ms變化1dB(800次/秒)。測試閉環(huán)功率性能的標準方法包括驗證整個功率范圍及手機閉環(huán)功率控制范圍的線性。CDMA手機必須演示±24dB的閉環(huán)功率控制范圍以及定義的改變功率的速度，以確定手機是否能跟上基站的命令。

4、MaximumOutputPower和MinimumOutputPower

根據以上的介紹，其實基站對手機發(fā)射的絕對功率并不是很重視，它僅僅是要求手機能根據自己發(fā)出的功率上升指令或功率下降指令自動調整輸出功率即可，且最好手機能發(fā)出無限大或無限小的功率來，但這個要求對手機制造商來說，實在是苛刻，且會無限制的提高手機制造成本，因此折中的方案是將手機按發(fā)射功率分類，不同類的手機最大功率必須達到各自要求，也就是至少要大于標準規(guī)定的最大功率的下限，小于標準規(guī)定的最大功率的上限，使其在小區(qū)遠端或無線陰影中也能較好通訊。同時要求手機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，且手機與基站很近時，手機能把自己的輸出功率降得很低，以確保對其它手機的最小干擾和對電池的最小消耗。

5、StandbyPower

cdma20001x規(guī)定手機待機功率要小于-61dBm，這既保證了對外干擾很小，又保證了在待機時間對電池的小消耗，延長了手機的待機時間。

五、wcdma手機發(fā)射功率

GSM和wcdma雖然同為歐洲標準，但wcdma畢竟是碼分多址的，它采納，也必須采納cdma中很多穩(wěn)定成熟的技術和方案，至少在對手記發(fā)射功率控制這塊，wcdma和cdma20001x就非常類似，只是wcdma對手機功率控制要求更精準、更嚴格。

筆者認為這里的原因是wcdma畢竟是碼分多址的技術，它需要采用功率控制技術，來平衡用戶功率，以保證系統(tǒng)每個用戶的通信質量和系統(tǒng)的最大容量。雖然GSM和wcdma同為歐洲標準，而且GSM是第二代標準，wcdma是第三代標準，GSM盡管也采用了功率控制技術，但區(qū)別還是巨大的：

(1)GSM功率控制速率要慢得多，對功率控制升多少、降多少要求并不是很精準,也不是很嚴格;

(2)GSM對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。當上行鏈路沒有建立時，開環(huán)功控用來調節(jié)物理隨機接入信道的發(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，內環(huán)功控以信干比作為控制目標。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、中信號、小信號三種狀況下，來檢測手機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。具體計算公式為：PRACHPreambleInitialPower=(P-CPICHDLTXPower)-(CPICH_RSCP)+(ULInterference)+(ConstantValue)

2、InnerLoopPowerwcdma

關于手機在內環(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，手機在內環(huán)功控下，必須能發(fā)出–50dBm到+24dBm范圍內的信號，而且還要求手機能夠很好相應基站所發(fā)出的功率控制位，當基站發(fā)出升(或降)1dB命令時，手機必須升(或降)1dB+/-0.5dB，當基站發(fā)出升(或降)10dB命令時，手機必須升(或降)10dB+/-2dB。同時wcdma還規(guī)定了A,B,C,D,E,F,G,H8段區(qū)域，來測試手機。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)定更嚴謹，更細致。

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沒有本質不同，撇開IPR問題，所有的不同點無非是怎樣才能更好發(fā)揮CDMA的優(yōu)勢、提高系統(tǒng)的性能如系統(tǒng)容量、通信質量和網絡覆蓋等。

前面所述僅是把各個標準里對手機發(fā)射功率的有關規(guī)定拿出來羅列和對比，掛一漏萬。但管中窺豹，足見技術的發(fā)展和通信協(xié)議的進步。

PHS和GSM同為時分多址系統(tǒng)，協(xié)議就手機輸出功率方面的規(guī)定具有可比性，它們與cdma20001x、wcdma這些碼分多址系統(tǒng)，在手機輸出功率方面不具有可比性。碼分多址近似的可以認為是在實時的(1.25ms一次)，精確的(以0.25dB)控制手機發(fā)射功率，而手機也要實時的、精確的相應控制(具體測試方法見上文)，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時的、精確的、很復雜的功率控制(以節(jié)省制造、測試成本)，當然也不能像PHS那樣，不控制手機輸出功率，即便是在微蜂窩內。

在上文中，也是簡單介紹了碼分多址技術對手機發(fā)射功率的控制，事實上碼分多址技術對基站和手機的發(fā)射功率的規(guī)定遠不止這些，如接入試探功率、發(fā)射開/關控制，呼吸技術等等?，F實的情況是，如果沒有功率控制等無線資源管理技術的支持，碼分多址的性能比時分多址更差。而這些筆者在本文都將其省略了，并不是說這些不重要，而是筆者認為這些與本文著眼點不太一致。

總之，手機發(fā)射功率實在是個重要的指標，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，這點在碼分多址系統(tǒng)中尤顯突出。解決的辦法就是要根據需要控制手機發(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的發(fā)射功率都降下來。當然，這些無疑會加大協(xié)議的復雜性，提高手機的制造成本，但這可以保證更多的人同時擁有更多的帶寬，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的，畢竟頻率資源是不可再生的資源，而手機的制造成本會通過手機的批量生產，最終會降下來。