CN105164917A

CN105164917A - 高能效的模式切换功率放大器装置

Info

Publication number: CN105164917A
Application number: CN201380076284.6A
Authority: CN
Inventors: S·王; K·米米斯; J·库恩
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2015-12-16
Also published as: GB201516779D0; JP2016514915A; US20160056767A1; WO2014155029A1; GB2529566A

Abstract

一种放大器设备包括两种运行模式。在第一模式中，放大器设备在宽带模式中运行，而在第二模式中，放大器在窄带模式中运行。在任一个模式中，放大器设备中的切换提供天线选择。根据改变模式和/或天线选择是否会改善效率，参考基于概率的最优化实施对模式和天线选择的控制。通过这种方式，与切换相关联的能量消耗可以在最优化中被调整，从而提供对效率的改善。

Description

高能效的模式切换功率放大器装置

技术领域

这里所描述的实施例涉及功率放大器。

背景技术

基于计算机的技术普遍存在，而计算机网络司空见惯。对基于计算机的网络的使用的增加导致对能量消耗的日益增长的担忧。

附图说明

图1是根据所述实施例的系统的概览；

图2是图1所示的系统中的中继的原理图；

图3是图2所示的中继的无线电驱动器的原理图；

图4是图3中的无线电驱动器在第一运行模式中的原理图；

图5是图3中的无线电驱动器在第二运行模式中的原理图；

图6-图11是陈述所述实施例的一个示例的仿真结果的图形。

具体实施方式

第一实施例提供了一种多模式功率放大器设备，包括一个信号输入端以及第一和第二天线输出端，其中每个天线输出端适合于与相应天线的连接；还包括宽带功率放大器，其可运行以放大施加于其输入端的输入信号，并且将所述放大的输入信号施加于天线输出端中的一个天线输出端；以及包括窄带放大器单元，其包括第一窄带放大器和第二窄带放大器，其中第一窄带功率放大器可运行以放大施加于其输入端、与第一中心频率相关的输入信号，并且将所述放大的输入信号施加于第一天线输出；而第二窄带功率放大器可运行以放大施加于其输入端、与不同于第一中心频率的第二中心频率相关的输入信号，并且将所述放大的输入信号施加于第二天线输出端；放大器设备可在两个模式中运行，其中在第一模式中施加于信号输入端的信号被提交到宽带功率放大器用于对其的放大，而在第二模式中施加于信号输入端的信号被提交到窄带放大器单元；放大器设备可在两个天线选择状态中运行，其中在第一模式中，天线选择状态确定被放大的输入信号被施加到的天线输出端；而在第二模式中，天线选择状态确定施加于信号输入的信号被施加于第一和第二窄带功率放大器中的哪一个放大器，从而确定被放大的输入信号被施加于天线输出端中的哪个天线输出端。

放大器设备还可以包括一个控制器，控制器可运行以选择两个模式中的一个模式以及两个天线选择状态中的一个状态。

控制器可运行以接收信道信息，所述信道信号关于与宽带放大器以及第一和第二窄带放大器中的每一个放大器相关联的通信信道。

控制器可运行以处理所接收到的信道信息，并且基于所处理的信息选择模式和天线选择状态。

控制器可运行以确定切换条件，所述切换条件表达用于传输特定有限持续时间信号的模式和/或天线选择状态不同于针对由放大器设备放大的在前有限持续时间信号的模式和/或天线选择状态的趋势，依赖于所接收的信道信息确定切换条件。

切换条件可以包括天线选择状态切换条件，所述切换条件表达不论在未利用的天线选择状态中的信道条件是怎样，针对施加于信号输入端的特定有限持续时间信号的天线选择状态与针对施加于信号输入端的在前有限持续时间信号的天线选择状态相同的趋势。

切换条件可以包括模式切换条件，所述模式切换条件以所接收的信道信息为基础，不论在其他模式中的信道条件是怎样，管理针对施加于信号输入端的特定有限持续时间信号的放大器设备的模式是否应当与针对施加于信号输入端的在前有限持续时间信号的放大器设备的模式相同。

第二实施例包括用于控制多模式放大器设备的控制器，多模式放大器设备可在由控制器所提供的模式控制信号可选择的两个模式中的一个模式中并且在两个输出选择状态中的一个状态中运行，此两个模式是宽带模式和窄带模式，每个输出选择状态与两个输出端中的相应一个输出端相关联，输出选择状态是输出选择状态控制信号可选择的，控制器可运行以基于针对在前运行期间的所述信号的在前状态以及基于由输出和模式的组合限定的信道的条件，确定针对有限运行期间的模式控制信号以及输出选择状态，以使得从在前状态中的至少一个状态改变的决定是基于对放大器设备的宽带模式的效率相对于与放大器设备的窄带模式相关联的效率、启动延迟以及能量消耗的最优化。

控制器可以可运行以基于切换模式将改善所述放大器设备的效率的预定概率执行用于确定所述决定的最优化。

控制器可以可运行以基于在所述模式是所述窄带模式的情况下切换输出状态将改善所述放大器设备的效率的预定概率，执行用于确定所述决定的最优化。

第三实施例包括具有两个运行模式的放大器设备。在第一模式中，放大器设备在宽带模式中运行，而在第二模式中，放大器在窄带模式中运行。在放大器设备中的切换提供在任一模式中的天线选择。根据改变模式和/或天线选择是否会改善效率，参考基于概率的最优化实施对模式和天线选择的控制。通过这种方式，与切换相关联的能量消耗可以在最优化中被调整，从而提供对效率的改善。

近年来，对基于计算机的技术的使用大幅度地增加。在此领域中的许多进步当中，计算机网络是最显著的，特别是对因特网的实施。这包含的技术种类可以通常被描述为信息和通信技术(ICT)。许多技术已结合起来用于实现对无线因特网服务的供应，诸如在例如膝上型计算机、智能电话和平板计算机之类的便携式或手持设备上，或在诸如医疗监测器、定制的企业特定设备(例如针对快递员或递送驾驶员)或家庭娱乐设备以及家用电器之类的更多应用特定的设备上。

这造成的影响是归因于使用ICT的能量消耗的显著增加，以及随之而来对电能的需求。据报道超过3％的全球电能消耗是无线网络和因特网的实施和使用的直接结果。

这种电能的消耗不可避免地造成温室气体的产生以及其他环境影响。显而易见的是，发电的成本依赖于诸如化石燃料之类的可转换能源的丰富程度和有效性。这种丰富程度和有效性不能被保证。这对电力的价格具有影响。消费者会以两种方式感受到这种影响，一是在电力供应的成本方面，二是在装置和提供因特网服务的成本方面。

对普遍存在的通信和宽带服务的需求表现为不断增加。因此假定上面提到的比例在不久的将来将更进一步地增大是合理的。这将对电力供应产生需求压力，而这将对价格和环境问题产生越来越大的影响。因此，从经济以及环境的角度，均对ICT服务的能源效率感兴趣。

另外，人口统计的趋势指向人口老龄化的问题，特别是在世界中存在消费性电子产品市场的部分地区。在健康护理、福祉和社会结构上的发展导致寿命的增加。更大比例的人口避免在达到老年之前死于突发原因或急性疾病。达到老年的人口的比例的增加向健康护理提供者呈现出特定的挑战，涉及对慢性疾病、健康以及总体幸福感的监测。许多老年人不是特别地不适，因此不需要持续的医疗护理。但是这样的老年人可以在被动的基础上从监测中受益。这可以具有一定的预防性效果，因为慢性疾病可以在它们的发展中被在早期检测到，或可以被更有效地管理。患者和健康专业人士均难以检测健康状况的缓慢下降。在没有持续监测的情况下，可观察的标准上的趋势可能是难以确定的。

因此，无线人体局域网(WBAN)已经被提出，特别是用于个人健康护理。WBAN可以包括多个身体传感器单元(BSU)和身体中央单元(BCU)。每个BSU被置于身体上、身体中或与身体邻接(依赖于所讨论的BSU的类型和目的)以便监测一个或多个生理量。BCU将能够与在WBAN外部的有效通信节点通信，以使得监测数据能够被传送到健康护理提供者等，或使得信令数据能够被传送到WBAN，以配置特定的监测时间表。

当前，传感器可以以这种方式实现对许多不同的生理量的监测。示例可以包括呼吸率、心率、血压、血氧水平，但这是非穷举列表并且读者将理解在任何情况下本公开不被限制到这样的示例中。在WBAN概念处于早期阶段时，但是提供可以被置于人体附近的小型监测单元的思想被完善。例如，个人心率监测器上市用于在锻炼期间使用。在这样的监测器内包含一个使得监测器能够与另一个用作BCU的紧密相邻的设备建立无线通信的设施，对读者来说将不是不可思议的。

对WBAN的使用可以提供若干机会。第一，使用WBAN可以减少对监测器和控制单元之间的有线通信的依赖，这减少在被监测的病患个人附近的或在被监测的病患与外部信号处理器之间的有线连接。这两者可以有助于被监测的病患具有更大的自由度。第二，使用WBAN可以减少对人为干扰的依赖，因为监测器可以被置于被监测的病患个人附近，使其在没有监督的情况下执行监测功能。这可以减少对要本人在场来监管对生命体征的监测的护理助理、护士或医疗从业者的需求。通过这样的方式，这些人员可以被允许执行其他任务，因为WBAN可以在他们不在时被用于监测生命体征，并且如果被监测的量指示出需要他们出现的异常，则WBAN可以被用于发送电子的警告消息。这可以减少对入院护理的依赖，并且还可以向被监测的病患提供更大的移动和独立的自由度。

但是，对在WBAN内以及往返于WBAN的可靠通信的建立呈现出巨大的挑战。这是因为WBAN(即，BSU和BCU)的组件部分可以处于几乎恒定的相对移动中，而网络作为一个整体可以处于相对于BCU被配置为与其通信的通信中枢节点的移动中。理想的是确保WBAN的各种设备足够小和轻以避免过度地妨碍被监测的个体，而这将不可避免地限制启用WBAN的设备建立强大且稳健的电磁信号发射和检测的可能的能力，所述能力体现在这样的设备的最大功率输出以及在这样的设备中包含的电池的能量存储能力两个方面。

中继网络已被认为是通过利用传输分集提供可靠通信的有效方法。特别是，可以通过在或放大和转发系统或解码和转发系统中联合选择最好的中继节点和天线实现这样的分集。尽管存在中断概率，但吞吐量和延迟是要在中继网络中被优化的重要参数，在这样的网络中能量效率也是关键因素。

在考虑电池供电设备的情形中，这是特别重要的。对于在其上安装有WBAN的人来说，需要被强加进行电池的定期和频繁的再充电以支持各种监测设备是极其不方便的。如果病人配备若干个人监测器，则再充电问题将更严重。如果WBAN中的一个设备放电，则这会对由此设备收集的、以及由WBAN作为一个整体收集的观察的可靠性产生相当大的影响。由于实施WBAN的一个可能的动机是它可以代替健康护理专业人员的直接关注，因此在病人的福祉方面以及在健康护理提供者的责任方面，WBAN的故障均是影响深远的。

另外，在用于健康护理的WBAN中的高能效中继还由于它的高效带宽利用以及完全传输分集而引起关注。其示例包括一个布置，无线设备通过此布置将数据从病患处发送到本地中继节点。然后此数据可以通过诸如使用蜂窝系统或WiFi之类的异构无线电接入技术(RAT)从本地中继节点被实时地转发到医院。异构RAT通常在多样的频率信道中运行，并且提供很大的活动性和灵活性，也增加了系统的能量效率。

以IEEE802.15.6为例，宽范围的频率信道，即从402MHz-405MHz(植入信道)到2.4GHz以及3.1-10.6GHz(体上信道)，已经被研究以促进WBAN和健康护理应用的标准化。在这些信道之间的切换和运行可以改善传输可靠性和分集。但设计在频率上相隔非常大的不同的频率信道中可运行的硬件是有挑战性的，特别是当信道之间的切换被考虑进去的时候。如果PA(功率放大器)模块未被精心设计的话，则通过使用在频率上间隔的信道实现的传输可靠性和分集可能以较低的能量效率为代价。

在传输分集和能量消耗之间存在一种折衷。具体地，已知在RF链路中的宽带功率放大器(PA)具有比窄带PA更低的效率。因此，宽带PA通常不是那么高能效和环境友好的。另一方面，在窄带PA之间用于异构访问的切换导致较高的能量消耗和延迟。因此，对存在切换的实时的异构RAT中的高能效PA模块的设计是亟待解决的实际问题。

本文所公开的实施例提供用于在异构RAT兼容的人体局域环境中的中继节点的模式切换PA装置。实施例提供优化能量效率并同时满足中断概率以及传输延迟的两个约束的最佳PA和天线选择机制。

图1说明包含WBAN20的通信系统10。在病人22的身上实施WBAN。WBAN包括心脏监测器24和中继26。如图所示，心脏监测器24具有一个天线，而中继26具有两个天线。

读者可以将心脏监测器认为是BSU，将中继26认为是BCU，如上所述。但是，应当在不参考关于BSU或BCU的功能的任何先入为主的观点的情况下考虑本公开，并且对这样的术语的任何外部建立的定义不应当对心脏监测器24和中继26的功能强加任何隐含的限制。出于这个原因，术语BSU和BCU不被使用在图1所示的实施例中。

同样地，当实施例被示出在WBAN环境中被实施时，要注意的是术语WBAN不应当被认为将本公开的范围限制到通过由国际标准化权威或由私人部门标准化布置对技术规范的采用而产生的特定标准化技术中。术语WBAN应当被看作针对适用于建立一个协作的可穿戴计算设备的网络的无线通信环境的单纯的描述性术语。

图1中的WBAN20能够连接到核心网络40。核心网络40包括通信网络，所述通信网络可以通过使用有线和/或无线通信被实施。通常地，这样的核心网络可以涉及通信技术的混合。核心网络40提供与多个计算机实现的节点的通信。如图所示，第一计算机实现的节点包括供调度操作员使用的调度操作员终端42。调度操作员是被分配执行将快速响应车辆调度到急性医疗状况的任务的技工。读者将理解的是，对快速响应车辆的调度可以由这样的调度操作员实施，或可以涉及超出本公开范围的其他级别的计算机自动化。

另一个计算机实现的节点包括远程医疗服务终端44。远程医疗服务终端44由医疗从业者(例如，护士或医生)使用，以实现对病患提供远程医疗服务。为了实现上述远程医疗服务，提供与核心网络40通信的远程监测器46，其可以被安装在病患的住所内。合适的产品可以是由东芝公司生产的IK-WB16A网络摄像机。此产品包括在机动的底座上的数字摄像机，使得由远程操作员(诸如在远程医疗服务终端44处)实现摄像机的远程倾斜和重新定向。此产品还具有集成的麦克风以及音频输出。其他产品也可以是适合的，包括具有较少的集成设施的产品。扬声器48被连接到远程监测器，通过远程监测器可以生成音频输出，诸如用于发出来自医疗从业者的有声消息。通过这种布置，医疗从业者将能够远程地检查病患，并且接收和发送音频消息以实现对要开始的急性医疗状况的处理。

核心网络40具有两个天线50和52。每个天线50、52具有实施对应的无线电接入技术(RAT1、RAT2)的、相关联的通信驱动器54、56。中继26能够经由对应的无线电接入技术，依赖于信号状况，连接到天线中的一个天线。中继26被用于经由天线驱动器组合(50、54；52、56)中的一个，建立WBAN20和核心网络之间的连接。

在WBAN20中，心脏监测器24收集身体指标数据分组，中继26经由天线50、52中的一个天线，接收此分组并且将此分组转发到核心网络，再转到终端42、44中的一个终端。目标终端42、44然后处理此分组并且传递适当的健康护理响应。

在本公开中，假定中继26的天线发送相等的功率P₀，而在网络中的所有链路显示出独立同分布的瑞利衰落。

在这个示例中，数据分组包括K个传输块。可以假定信道在块k，k∈{1,2,…,K}的时间期间内保持不变，并且在块之间信道互相独立。另外，可以假定中继26具有对信道的完全了解。本实施例利用半双工的通信系统。

为了说明，如上所示，本示例提供两个中继天线，即L＝2。但是读者将理解的是，本公开还可以被应用于具有多于两个中继天线(即，L>2)的情况。在图2中进一步详细说明中继26。

如图2所示，中继26包括控制器60和无线电驱动器64。前述的两个天线66也被示出。控制器60可运行以向无线电驱动器64发射控制信号。控制器60还能够监测中继26可用的信道以收集信道信息。

在图3中进一步详细地说明无线电驱动器64。为了说明，在图4和图5中进一步说明在对应的运行模式(即模式A和模式B)中的无线电驱动器64。

无线电驱动器64包括宽带功率放大器70，其可运行以放大在宽带频率范围中的信号。在此示例中，宽带频率范围是2.4GHz到3.5GHz，但此范围不是规定的。

单刀单掷开关S0将宽带功率放大器70的输入和输出桥接起来，因此当S0闭合时，宽带功率放大器被旁通。

宽带功率放大器70的输出转到单刀双掷开关S1的公共触点。开关S1的两个开关触点中的每个触点转到相应的窄带功率放大器72、74的输入。

窄带放大器72、74被调谐到不同的无线电频率。在这个示例中，与天线ANT1相关联的窄带放大器72被调谐到2.4GHz，而与天线ANT2相关联的窄带放大器74被调谐到3.5GHz。读者将理解的是，也可以选择其他频率。

两个窄带功率放大器72、74的输出转到相应的天线66(ANT1、ANT2)。相应的单刀单掷开关S2、S3跨接在每个窄带功率放大器的输入和输出之间。和之前相同，当S2或S3闭合时，它们对应的窄带功率放大器被旁通。

这描述了形成无线电驱动器64的传输信道的组件。在天线处检测信号的情况下，两个LNA80被提供，对每个天线66提供一个LNA。每个LNA80被连接到一个天线(ANT1、ANT2)，并且可运行以放大在天线处被检测到的信号。这个示例中的LNA均被调谐到2.4GHz，作为这个示例的特征，在下行信道中的所有信号以此频率为中心。检测到的、被放大的信号在被传到RAT上变频器90之前，在信号组合器82处被组合。信号组合器82使用读者将理解的最大似然组合方法运行。RAT上变频器90被配置为对要被所选择的RAT处的中继的传输侧再一次中继的、所接收到的信号上变频。

因此在使用中，无线电驱动器可以以两种方式被配置，每种方式与分别是模式A和模式B的运行模式相关联。如图4和图5所示，仅仅是传输信道，即信号的传输被模式选择影响，接收信道的运行没有被影响，因此从说明中省略接收信道。

通过开关S0、S1、S2、S3的配置实现模式选择。在模式A中，开关S0是开路的，使得宽带功率放大器70可运行。开关S1可以被用来将宽带功率放大器70的输出送往天线ANT1或天线ANT2。开关S2和S3闭合，断开窄带功率放大器72、74的使用。因此，在模式A中，由无线电驱动器64接收的信号将被宽带功率放大器70放大并且然后在或天线ANT1或天线ANT2处选择性地被发射，其中由切换开关S1实现对天线的选择。

在模式B中，开关S0闭合，而开关S2和S3开路。这旁通了宽带功率放大器70并且在到天线ANT1和ANT2的相应路径中插入窄带功率放大器72、74。因此，由开关S1将所接收的信号送往窄带功率放大器72、74中的任一个。通过断开旁通开关S2、S3中相应的一个开关而闭合另一个开关来激活要被使用的窄带放大器72、74。如图所示，通过对开关S1的选择以及在开关S2处的激活，使用第一窄带放大器72。因此，从无线电驱动器向天线中所选择的一个天线发出窄带信号。另外，可以选择窄带信号被发射所在的频率。

因此，针对从中继26到核心网络的传输(经由或天线驱动器组合50、54或天线驱动器组合52、56)，存在两个可替代的通信模式，即使用一个宽带PA或窄带PA中的一个窄带PA。

在模式A中，当宽带PA70被使用时，针对每个传输块执行天线选择。另一方面，在模式B中，如果窄带PA72、74被利用，则以1-P_s的概率执行天线选择，其中P_s被定义为‘保持概率’。

换句话说，中继在天线之间选择和切换，以建立到与核心网络相关联的天线50、52中的一个天线的链路，以在满足传输约束的同时利用分集。通过在各种可用信道当中选择信道增益的最大值，并考虑在这个示例中在中继26处存在两个天线以及与核心网络40相关联的两个RAT，给出选择活动链路的标准。

因此，这可以被表示为对在所有L个中继链路当中的第k个块中的R_i(其中R表示中继26而i指示在中继26处的天线选择)和D(D表示“目标节点”，即在核心网络和它相关联的RAT处所选择的天线/驱动器组合)之间的最大信道增益的确定。在这个系统中利用异构RAT以改善传输可靠性。

所示的体系结构需要三个PA模块中的最小值。此示例中的系统的目标输出功率被设置为20dBm。这样的系统具有四个状态或更多状态，并且可以或通过应当能够覆盖所有频带的宽带PA(如图4所示)，或通过在所支持的频带中的任一频带中的一个窄带PA(如图5所示)实现传输。这实现对传输分集的利用以及对系统的优化以将PA的实际启动特征的影响(在延迟和功率消耗方面)最小化。

此说明示例支持两个RAT。这样的PA装置使得中继节点能够以灵活且高能效的方式工作。特别地，通过利用以下两种模式可以实现四种传输状态。

在模式A(图4)中，由RF开关S2和S3关闭和旁通两个窄带PA72、74，而宽带PA70利用基于信道增益选择最佳天线的天线选择机制(通过开关S1实现的)运行。在模式B(图5)中，由开关S0关闭和旁通宽带PA70，而开关S1被用于在窄带PA72、74和它们对应的天线中选择。因此，为了强调，在模式A中无线电驱动器64仅仅在天线之间切换，而在模式B中，天线和PA均被切换。

对读者来说显而易见的是，模式B表现为比模式A更高能效，因为模式B是窄带而不是宽带。但是，这忽略了功率放大器的启动特征的影响。由于在模式B中窄带PA72、74将被频繁地开启和闭合以便实现天线选择，因此这可以具有一定的影响。这可以被表达为附加延迟τ_n，以及额外的能量消耗Jτ_n。因此，考虑在模式B内的天线切换应当多么频繁地发生以优化能量效率而同时仍然利用传输分集是合理的。

另一方面，在模式A中，使用宽带PA将被认为是内在低效的。但是，在利用宽带PA中，没有天线选择带来的附加延迟和能量消耗。因此，针对每个传输块推断天线选择总是可以实现对具有较高信道增益的天线的选择是合理的。由此得出，如果模式B中的附加延迟和能量成本不能被容忍，则可以利用模式A获得最佳的整体能量效率。

通过依次考虑施加在每个模式上的传输约束，进一步考虑如何在模式之间选择以获得最佳能量效率是合理的。

为了解决这两个考虑，两个概率被使用以促进对能量效率的优化。如上所述，P_s是保持概率，其表达在模式B中即使其他天线j的信道增益更大，传输也将保持在当前R_i-D链路中，通过使用相同的天线i和PA用于下一个传输块(块k+1)的概率。另外，P_n是模式B的运行概率，表达模式B被利用的概率。因此，如果P_n＝1，则模式B始终被利用。

使用这两个概率，实施一种切换/保持机制，通过此机制可以管理能量效率。切换/保持机制被实施为由控制单元60执行的进程。

对切换/保持机制进行设计以最大化能量效率需要依赖于宽带PA70的效率以及与使用窄带PA72、74相对应的效率、启动延迟和额外能量消耗，确定P_s和P_n。P_s和P_n还受限于诸如目标中断概率和传输延迟之类的其他约束。

在以下的描述中，P_out是在S-R-D(源中继目标)传输中的中断概率，而τ是传输延迟。因此，针对任何给定的启动延迟τ_n的优化问题可以表达为：

maxη(P_s，P_n，τ_n)

受限于

τ(P_s，P_n，τ_n)≤D

P_out(P_s，P_n)≤P

其中η是中继节点的能量效率，而D、P分别是数据传输延迟以及中断概率的阈值。针对一个数据分组传输的中继节点的能量效率η通过以下被给出：

η = \frac{1}{K} Σ_{k = 1}^{K} η_{k}

其中η_k是在第k个块中的能量效率：

η (P_{s}, P_{n}, τ_{n}) = T \frac{B_{k}}{J_{k} + J_{c}}

其中，

T是一个块的持续时间，

B_k是使用PA装置的第k个块的数据速率，

J_k是以焦耳计的相应能量消耗，以及

J_c是排除PA的能量消耗，在电路的所有其他部分中消耗的固定能量(再次以焦耳计)。

针对任何给定P_n可以得到P_s的上界和下界。通过让P_out(P_s,P_n)≤P，并且求解P_s确定上界。对于给定的τ_n，通过让τ(P_s,P_n,τ_n)≤D，由传输延迟约束D控制P_s的下界。

对边界的推导表明，随着P_n的增大，严格的中断概率约束导致P_s较小的上界，而较严格的D增大P_s的下界。因此，较小的P_n被允许以满足以上两个约束。

这里给出数值结果以向读者提供此的样例。参考PA模块设计和模拟，并且为了促进分析，每个窄带PA的效率被设置为72％，而包括RF开关损耗在内的宽带PA效率被设置为47.5％。窄带PA的启动附加延迟τ_n被表达为τ_n＝βT，其中β依赖于PA的设计参数。延迟阈值被定义为D＝λT，其中λ∈[0,1]。在优化能量效率中β对确定P_s和P_n的影响将在下面讨论。

图6绘制出针对在不同保持概率P_s条件下不同的启动延迟，中继26的能量效率η作为模式B的运行概率P_n的函数。读者会注意到，传输约束未应用在此图中。使用较小的τ_n(即，β＝0.1)，则随着P_n的增大可以获得较大的η。对于较小的P_s也获得较好的效率。这说明为了改善能量效率，对模式B的利用(使用窄带PA)是理想的。另外，如果可以满足传输约束，则在这种情况下始终选择提供最佳性能的天线。

使用相同的P_n，则随着β增大η减小。这是由于较大的PA启动延迟引起较大的额外能量消耗，因此η降低。同样地，当τ_n增大时，设置一个较高的P_s是理想的，以便避免不必要的天线切换和相关联的启动延迟，以维持η为可接受的值。另外，从图6中可以观察到，对于较小值的P_s，中继26将利用宽带PA以便最大化η。如果严格的中断概率约束被给出并且由硬件特征造成窄带PA具有较高的τ_n，则以上观察所得更是如此。

图7示出模式B的P_s边界作为P_n的函数。使用相同的P_n的情况下，当更加严格的延迟约束(例如，λ＝4.5％)被应用时，P_s的下界增大。这表明，对于严格的延迟约束，继续使用当前天线是有益的，以避免来自天线选择和对应PA切换的延迟。但是，由中断概率约束P限制P_s的值的上界。图7示出严格的P(例如，P＝4.5％)降低了P_s的上界。这是由于这样的严格中断概率约束需要中继26在天线之间更经常地切换，以便利用多信道分集，从而获得令人满意的传输可靠性。值得注意的是，当在分组传输期间仅仅应用模式A(P_n＝0)时，P_s是实际上不适用的，因为始终会选择最佳天线。后者由没有额外PA切换延迟和能量消耗的单一宽带PA推动。

图8到图11示出在有和没有约束的情况下，能量效率η作为与PA启动延迟τ_n有关的P_s和P_n的联合函数。从图8和图10可以观察到，在不考虑传输约束的情况下，不论τ_n的值是多少，模式B(窄带PA，P_n＝1)始终会被选择。

但是对P_s的选择依赖于τ_n的值。特别是，如果由窄带PA给出较小的τ_n＝4μs(β＝0.1)，则切换到一直具有较高的信道增益的天线(P_s＝0)是最高能效的。另一方面，如果τ_n相对于T的长度变得显著(例如，β＝0.8)，则推荐设置P_s＝1以便确保驱动器保持在当前天线上以获得最高的能量效率。

传输约束对能量效率的影响在图9和图11中被示出。这些图形确认了由目标中断概率和延迟约束确定P_s的上界和下界的前面的分析。通过引入这些约束，能量效率将减小。作为来自这些图形的一个示例，对于较小的启动延迟(例如，β＝0.1)，η从39.36比特Hz^-1J^-1降到37.42比特Hz^-1J^-1，当β＝0.8时，η从32.2比特Hz^-1J^-1降到30比特Hz^-1J^-1。要注意，η的改变可以依赖于由系统引入的约束的严格程度而变化。

目标在于在无线人体健康护理网络中提供高能效的中继系统，本文所描述的实施例提供了一种用于中继节点的模式切换的功率放大器装置，其由考虑到传输可靠性约束的PA切换/保持运行机制促进。天线选择被应用到中继节点中以改善这样的传输可靠性。

所提出的体系结构和切换/保持机制还可以被应用到不同的情形中，诸如在用于蜂窝网络的中继/基站中；认知/智能网络或在其他异构网络中。

虽然已描述某些实施例，但这些实施例仅仅以示例的形式被呈现，并不旨在限制本发明的范围。事实上，本文所描述的新颖方法和系统可以以各种其他的形式被实施；另外，在不背离本发明的精神的情况下，可以做出各种省略、替代和改变。附加的权利要求和它们的等效物旨在涵盖会落入本发明的范围和精神的这样的形式或修改。

Claims

1.一种多模式的功率放大器设备，包括：

单一输入端以及第一和第二天线输出端，每个天线输出端适合于连接到相应的天线；

宽带功率放大器，其可运行以放大施加于其输入端的输入信号，并且将所述放大的输入信号施加于所述天线输出端中的一个天线输出端；以及

窄带放大器单元，其包括第一窄带放大器和第二窄带放大器，其中：

所述第一窄带功率放大器可运行以放大施加于其输入端、与第一中心频率相关的输入信号，并且将所述放大的输入信号施加于所述第一天线输出端；以及

所述第二窄带放大器可运行以放大施加于其输入端、与不同于所述第一中心频率的第二中心频率相关的输入信号，并且将所述放大的输入信号施加于所述第二天线输出端；

所述放大器设备可在两个模式中运行，其中：

在第一模式中，施加于所述信号输入端的信号被提交到所述宽带功率放大器用于对其的放大，以及

在第二模式中，施加于所述信号输入端的信号被提交到所述窄带放大器单元；

所述放大器设备可在两个天线选择状态中运行，其中：

在第一模式中，所述天线选择状态确定被放大的输入信号要被施加到的天线输出端；以及

在第二模式中，所述天线选择状态确定施加于所述信号输入端的所述信号要被施加于所述第一和第二窄带功率放大器中的哪一个，从而确定所述被放大的输入信号要被施加于所述天线输出端中的哪一个。

2.如权利要求1所述的放大器设备，还包括控制器，所述控制器可运行以选择所述两个模式中的一个以及所述两个天线选择状态中的一个。

3.如权利要求2所述的放大器设备，其中所述控制器可运行以接收信道信息，所述信道信息关于与所述宽带放大器以及所述第一和第二窄带放大器中的每一个相关联的通信的信道。

4.如权利要求3所述的放大器设备，其中所述控制器可运行以处理所接收到的信道信息，并且基于所处理的信息选择模式和天线选择状态。

5.如权利要求4所述的放大器设备，其中所述控制器可运行以确定切换条件，所述切换条件表达用于传输特定有限持续时间信号的模式和/或天线选择状态不同于针对由所述放大器设备放大的在前有限持续时间信号的模式和/或天线选择状态的趋势，所述切换条件依赖于所接收的信道信息来确定。

6.如权利要求5所述的放大器设备，其中所述切换条件包括天线选择状态切换条件，所述切换条件表达不论在未利用的天线选择状态中的信道条件如何，针对施加于所述信号输入端的特定有限持续时间信号的天线选择状态与针对施加于所述信号输入端的在前有限持续时间信号的天线选择状态相同的趋势。

7.如权利要求5所述的放大器设备，其中所述切换条件包括模式切换条件，所述模式切换条件以所接收的信道信息为基础，不论在其他模式中的信道条件如何，控制针对施加于所述信号输入端的特定有限持续时间信号的放大器设备的模式是否应当与针对施加于所述信号输入端的在前有限持续时间信号的放大器设备的模式相同。

8.一种用于控制多模式放大器设备的控制器，所述多模式放大器设备可在由所述控制器提供的模式控制信号可选择的两个模式中的一个模式中运行，所述两个模式是宽带模式和窄带模式，并且在两个输出选择状态中的一个状态中，每个输出选择状态与两个输出中的相应一个输出相关联，所述输出选择状态是可由输出选择状态控制信号选择的，所述控制器可运行以基于针对在前运行期间的所述模式控制信号和输出选择状态控制信号的在前状态以及基于由输出和模式的组合限定的信道的条件，确定针对有限运行期间的模式控制信号以及输出选择状态，以使得从在前状态中的至少一个状态改变的决定是基于对所述放大器设备的所述宽带模式的效率相对于与所述放大器设备的所述窄带模式相关联的效率、启动延迟以及能量消耗的最优化。

9.如权利要求8所述的控制器，其中所述控制器可运行以执行最优化以基于所述切换模式将改善所述放大器设备的效率的预定概率，来确定所述决定。

10.如权利要求8所述的控制器，其中所述控制器可运行以执行最优化以基于在所述模式是所述窄带模式的情况下，切换输出状态将改善所述放大器设备的效率的预定概率，来确定所述决定。