- PHS手機發射功率詳解
- GSM手機發射功率詳解
- CDMA手機發射功率詳解
手機發射功率在PHS、GSM、cdma20001x、wcdma等協議中，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，手機發射功率越小越好
*、手機發射功率越小,手機的耗電量就越小,待機時間、通話時間越長;
*、手機發射功率越小，對同系統別的手機的干擾越小，這不僅給同系統別的手機創造了好的無線環境，同時對于cdma20001x、wcdma來說，這就意味著小區容量越大;
*、手機發射功率越小，對別的無線設備干擾越小,這就給別的無線設備創造了好的無線環境;
2、在有些情況下，為了能保證通信質量，手機發射功率希望能被調整的大些，再大些,再大些......
*、手機在小區的遠端時,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，在無線陰影區內，手機發射功率也要足夠大，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，手機發射功率也要足夠大，以克服噪聲的干擾。
綜上所述，手機發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，實為統一，準確表述為：手機必須發出足夠大的功率，以保證通信質量，在保證通信質量的前提下，手機發射功率越小越好。換言之，手機發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手機發射功率
PHS(PersonalHandyphonesystem的縮寫)為日本獨立開發出的第三代數字無繩電話系統——個人攜帶電話系統,它具有很多突出的優點：建設費用低、系統擴充方便,超低的資費標準,因協議簡單，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PAS(PersonalAccessSystem)”
PHS采用日本RCR-STD28協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規定手機的發射平均功率≤10mW，峰值功率≤80mW，發射功率不可控。除此之外，有關PHS手機發射功率的測量還有
1、載波關斷泄漏功率≤80nW
2、發射瞬態響應特性：脈沖上升、下降時間≤13μS
3、雜散發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手機在小區遠端，或陰影區，或受到干擾，是不能以再提高發射功率，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手機協議上的根本弱點之一。
反過來從協議對手機發射功率的規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射功率的辦法，來保證通信質量。
由于PHS手機發射功率比較小,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手機發射功率不受控制，協議簡單，手機制造成本也相對較低。
三、GSM手機發射功率
GSM協議規定，手機發射功率是可以被基站控制的。基站通過下行SACCH信道，發出命令控制手機的發射功率級別，每個功率級別差2dB，GSM900手機最大發射功率級別是5(33dBm)，最小發射功率級別是19(5dBm)，DCS1800手機最大發射功率級別是0(30dBm)，最小發射功率級別是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時，基站可以命令手機發出較大功率，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定，其干擾也是巨大的。因此GSM就手機發射信號除了發射功率的規定以外，在其它方面也作了適當的規定。(注意：這里是適當的規定，如果規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，因此GSM協議通過一個功率對時間的模板來嚴格限制發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通過對手機發射信號的調制譜和切換譜的規定，來限制手機發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協議和PHS協議對比來看，GSM為保證通信質量，規定了手機的發射功率是受基站控制的，根據需要可大可小，但同時又嚴格規定手機發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的投資。當然由于它的發射信號始終比較小，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，單從手機發射功率這點就能看出來，GSM系統優于PHS系統。
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四、cdma20001x手機發射功率
cdma顧名思義是碼分多址，因此在一個小區內的所有用戶，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的其它用戶的干擾，每個用戶都會干擾同小區的其它用戶，因此人們也把cdma稱之為自干擾系統。
CDMA的基本技術之一是功率控制。因為限制CDMA系統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容量。
如果移動臺發射功率過大，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：開環功率控制和閉環功率控制。
先看開環功率控制：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，這時它的發射功率應當為：-73-(-85)=12dBm
閉環功率控制：基站監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定。
1、OpenLoopOutput
這部分主要以基站發出大信號、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輸出功率，以及開環輸出功率范圍。
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變化時，手機是否能根據這種變化能快速、持續調整開環輸出功率。
3、ClosedLoopPowerRange
對于閉環功率控制，基站命令手機進行輸出功率調整以優化功率輸出。基于收到的電平，基站命令手機增加和降低輸出功率，每1.25ms變化1dB(800次/秒)。測試閉環功率性能的標準方法包括驗證整個功率范圍及手機閉環功率控制范圍的線性。CDMA手機必須演示±24dB的閉環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定的最大功率的下限，小于標準規定的最大功率的上限，使其在小區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中很多穩定成熟的技術和方案，至少在對手記發射功率控制這塊，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，以保證系統每個用戶的通信質量和系統的最大容量。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，上行鏈路采用開環功控和閉環功控兩種方式。當上行鏈路沒有建立時，開環功控用來調節物理隨機接入信道的發射功率。鏈路建立之后，使用閉環功控。閉環功控包括內環功控和外環功控。外環功控以誤碼率或者誤幀率作為控制目標，內環功控以信干比作為控制目標。下行鏈路只有閉環功控。
1、OpenLoopPower
這部分主要以基站發出大信號、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輸出功率，以及開環輸出功率范圍。具體計算公式為：PRACHPreambleInitialPower=(P-CPICHDLTXPower)-(CPICH_RSCP)+(ULInterference)+(ConstantValue)
2、InnerLoopPowerwcdma
關于手機在內環功控方面作了較好的功率控制位的形式和算法的規定，手機在內環功控下，必須能發出–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出的功率控制位，當基站發出升(或降)1dB命令時，手機必須升(或降)1dB+/-0.5dB，當基站發出升(或降)10dB命令時，手機必須升(或降)10dB+/-2dB。同時wcdma還規定了A,B,C,D,E,F,G,H8段區域，來測試手機。將這部分與cdma20001x的閉環功率控制相比，可以看出雖然異曲同工，但wcdma的規定更嚴謹，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揮CDMA的優勢、提高系統的性能如系統容量、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射功率的有關規定拿出來羅列和對比，掛一漏萬。但管中窺豹，足見技術的發展和通信協議的進步。
PHS和GSM同為時分多址系統，協議就手機輸出功率方面的規定具有可比性，它們與cdma20001x、wcdma這些碼分多址系統，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射功率的控制，事實上碼分多址技術對基站和手機的發射功率的規定遠不止這些，如接入試探功率、發射開/關控制，呼吸技術等等。現實的情況是，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中尤顯突出。解決的辦法就是要根據需要控制手機發射功率，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射功率都降下來。當然，這些無疑會加大協議的復雜性，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。
