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高能效的模式切換功率放大器裝置.pdf

摘要
申請專利號:

CN201380076284.6

申請日:

2013.03.28

公開號:

CN105164917A

公開日:

2015.12.16

當前法律狀態:

撤回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的視為撤回IPC(主分類):H03F 3/24申請公布日:20151216|||實質審查的生效IPC(主分類):H03F 3/24申請日:20130328|||公開
IPC分類號: H03F3/24; H03F3/68; H03F3/72 主分類號: H03F3/24
申請人: 株式會社東芝
發明人: S·王; K·米米斯; J·庫恩
地址: 日本東京都
優先權:
專利代理機構: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所11038 代理人: 李曉芳
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201380076284.6

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.03.02|||2016.01.13|||2015.12.16

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的視為撤回|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種放大器設備包括兩種運行模式。在第一模式中,放大器設備在寬帶模式中運行,而在第二模式中,放大器在窄帶模式中運行。在任一個模式中,放大器設備中的切換提供天線選擇。根據改變模式和/或天線選擇是否會改善效率,參考基于概率的最優化實施對模式和天線選擇的控制。通過這種方式,與切換相關聯的能量消耗可以在最優化中被調整,從而提供對效率的改善。

權利要求書

權利要求書
1.  一種多模式的功率放大器設備,包括:
單一輸入端以及第一和第二天線輸出端,每個天線輸出端適合于連接到相應的天線;
寬帶功率放大器,其可運行以放大施加于其輸入端的輸入信號,并且將所述放大的輸入信號施加于所述天線輸出端中的一個天線輸出端;以及
窄帶放大器單元,其包括第一窄帶放大器和第二窄帶放大器,其中:
所述第一窄帶功率放大器可運行以放大施加于其輸入端、與第一中心頻率相關的輸入信號,并且將所述放大的輸入信號施加于所述第一天線輸出端;以及
所述第二窄帶放大器可運行以放大施加于其輸入端、與不同于所述第一中心頻率的第二中心頻率相關的輸入信號,并且將所述放大的輸入信號施加于所述第二天線輸出端;
所述放大器設備可在兩個模式中運行,其中:
在第一模式中,施加于所述信號輸入端的信號被提交到所述寬帶功率放大器用于對其的放大,以及
在第二模式中,施加于所述信號輸入端的信號被提交到所述窄帶放大器單元;
所述放大器設備可在兩個天線選擇狀態中運行,其中:
在第一模式中,所述天線選擇狀態確定被放大的輸入信號要被施加到的天線輸出端;以及
在第二模式中,所述天線選擇狀態確定施加于所述信號輸入端的所述信號要被施加于所述第一和第二窄帶功率放大器中的哪一個,從而確定所述被放大的輸入信號要被施加于所述天線輸出端中的哪一個。

2.  如權利要求1所述的放大器設備,還包括控制器,所述控制器 可運行以選擇所述兩個模式中的一個以及所述兩個天線選擇狀態中的一個。

3.  如權利要求2所述的放大器設備,其中所述控制器可運行以接收信道信息,所述信道信息關于與所述寬帶放大器以及所述第一和第二窄帶放大器中的每一個相關聯的通信的信道。

4.  如權利要求3所述的放大器設備,其中所述控制器可運行以處理所接收到的信道信息,并且基于所處理的信息選擇模式和天線選擇狀態。

5.  如權利要求4所述的放大器設備,其中所述控制器可運行以確定切換條件,所述切換條件表達用于傳輸特定有限持續時間信號的模式和/或天線選擇狀態不同于針對由所述放大器設備放大的在前有限持續時間信號的模式和/或天線選擇狀態的趨勢,所述切換條件依賴于所接收的信道信息來確定。

6.  如權利要求5所述的放大器設備,其中所述切換條件包括天線選擇狀態切換條件,所述切換條件表達不論在未利用的天線選擇狀態中的信道條件如何,針對施加于所述信號輸入端的特定有限持續時間信號的天線選擇狀態與針對施加于所述信號輸入端的在前有限持續時間信號的天線選擇狀態相同的趨勢。

7.  如權利要求5所述的放大器設備,其中所述切換條件包括模式切換條件,所述模式切換條件以所接收的信道信息為基礎,不論在其他模式中的信道條件如何,控制針對施加于所述信號輸入端的特定有限持續時間信號的放大器設備的模式是否應當與針對施加于所述信號輸入端的在前有限持續時間信號的放大器設備的模式相同。

8.  一種用于控制多模式放大器設備的控制器,所述多模式放大器設備可在由所述控制器提供的模式控制信號可選擇的兩個模式中的一個模式中運行,所述兩個模式是寬帶模式和窄帶模式,并且在兩個輸出選擇狀態中的一個狀態中,每個輸出選擇狀態與兩個輸出中的相應一個輸出相關聯,所述輸出選擇狀態是可由輸出選擇狀態控制信號選擇的,所述控制器可運行以基于針對在前運行期間的所述模式控制信 號和輸出選擇狀態控制信號的在前狀態以及基于由輸出和模式的組合限定的信道的條件,確定針對有限運行期間的模式控制信號以及輸出選擇狀態,以使得從在前狀態中的至少一個狀態改變的決定是基于對所述放大器設備的所述寬帶模式的效率相對于與所述放大器設備的所述窄帶模式相關聯的效率、啟動延遲以及能量消耗的最優化。

9.  如權利要求8所述的控制器,其中所述控制器可運行以執行最優化以基于所述切換模式將改善所述放大器設備的效率的預定概率,來確定所述決定。

10.  如權利要求8所述的控制器,其中所述控制器可運行以執行最優化以基于在所述模式是所述窄帶模式的情況下,切換輸出狀態將改善所述放大器設備的效率的預定概率,來確定所述決定。

說明書

說明書高能效的模式切換功率放大器裝置
技術領域
這里所描述的實施例涉及功率放大器。
背景技術
基于計算機的技術普遍存在,而計算機網絡司空見慣。對基于計算機的網絡的使用的增加導致對能量消耗的日益增長的擔憂。
附圖說明
圖1是根據所述實施例的系統的概覽;
圖2是圖1所示的系統中的中繼的原理圖;
圖3是圖2所示的中繼的無線電驅動器的原理圖;
圖4是圖3中的無線電驅動器在第一運行模式中的原理圖;
圖5是圖3中的無線電驅動器在第二運行模式中的原理圖;
圖6-圖11是陳述所述實施例的一個示例的仿真結果的圖形。
具體實施方式
第一實施例提供了一種多模式功率放大器設備,包括一個信號輸入端以及第一和第二天線輸出端,其中每個天線輸出端適合于與相應天線的連接;還包括寬帶功率放大器,其可運行以放大施加于其輸入端的輸入信號,并且將所述放大的輸入信號施加于天線輸出端中的一個天線輸出端;以及包括窄帶放大器單元,其包括第一窄帶放大器和第二窄帶放大器,其中第一窄帶功率放大器可運行以放大施加于其輸入端、與第一中心頻率相關的輸入信號,并且將所述放大的輸入信號施加于第一天線輸出;而第二窄帶功率放大器可運行以放大施加于其輸入端、與不同于第一中心頻率的第二中心頻率相關的輸入信號,并 且將所述放大的輸入信號施加于第二天線輸出端;放大器設備可在兩個模式中運行,其中在第一模式中施加于信號輸入端的信號被提交到寬帶功率放大器用于對其的放大,而在第二模式中施加于信號輸入端的信號被提交到窄帶放大器單元;放大器設備可在兩個天線選擇狀態中運行,其中在第一模式中,天線選擇狀態確定被放大的輸入信號被施加到的天線輸出端;而在第二模式中,天線選擇狀態確定施加于信號輸入的信號被施加于第一和第二窄帶功率放大器中的哪一個放大器,從而確定被放大的輸入信號被施加于天線輸出端中的哪個天線輸出端。
放大器設備還可以包括一個控制器,控制器可運行以選擇兩個模式中的一個模式以及兩個天線選擇狀態中的一個狀態。
控制器可運行以接收信道信息,所述信道信號關于與寬帶放大器以及第一和第二窄帶放大器中的每一個放大器相關聯的通信信道。
控制器可運行以處理所接收到的信道信息,并且基于所處理的信息選擇模式和天線選擇狀態。
控制器可運行以確定切換條件,所述切換條件表達用于傳輸特定有限持續時間信號的模式和/或天線選擇狀態不同于針對由放大器設備放大的在前有限持續時間信號的模式和/或天線選擇狀態的趨勢,依賴于所接收的信道信息確定切換條件。
切換條件可以包括天線選擇狀態切換條件,所述切換條件表達不論在未利用的天線選擇狀態中的信道條件是怎樣,針對施加于信號輸入端的特定有限持續時間信號的天線選擇狀態與針對施加于信號輸入端的在前有限持續時間信號的天線選擇狀態相同的趨勢。
切換條件可以包括模式切換條件,所述模式切換條件以所接收的信道信息為基礎,不論在其他模式中的信道條件是怎樣,管理針對施加于信號輸入端的特定有限持續時間信號的放大器設備的模式是否應當與針對施加于信號輸入端的在前有限持續時間信號的放大器設備的模式相同。
第二實施例包括用于控制多模式放大器設備的控制器,多模式放 大器設備可在由控制器所提供的模式控制信號可選擇的兩個模式中的一個模式中并且在兩個輸出選擇狀態中的一個狀態中運行,此兩個模式是寬帶模式和窄帶模式,每個輸出選擇狀態與兩個輸出端中的相應一個輸出端相關聯,輸出選擇狀態是輸出選擇狀態控制信號可選擇的,控制器可運行以基于針對在前運行期間的所述信號的在前狀態以及基于由輸出和模式的組合限定的信道的條件,確定針對有限運行期間的模式控制信號以及輸出選擇狀態,以使得從在前狀態中的至少一個狀態改變的決定是基于對放大器設備的寬帶模式的效率相對于與放大器設備的窄帶模式相關聯的效率、啟動延遲以及能量消耗的最優化。
控制器可以可運行以基于切換模式將改善所述放大器設備的效率的預定概率執行用于確定所述決定的最優化。
控制器可以可運行以基于在所述模式是所述窄帶模式的情況下切換輸出狀態將改善所述放大器設備的效率的預定概率,執行用于確定所述決定的最優化。
第三實施例包括具有兩個運行模式的放大器設備。在第一模式中,放大器設備在寬帶模式中運行,而在第二模式中,放大器在窄帶模式中運行。在放大器設備中的切換提供在任一模式中的天線選擇。根據改變模式和/或天線選擇是否會改善效率,參考基于概率的最優化實施對模式和天線選擇的控制。通過這種方式,與切換相關聯的能量消耗可以在最優化中被調整,從而提供對效率的改善。
近年來,對基于計算機的技術的使用大幅度地增加。在此領域中的許多進步當中,計算機網絡是最顯著的,特別是對因特網的實施。這包含的技術種類可以通常被描述為信息和通信技術(ICT)。許多技術已結合起來用于實現對無線因特網服務的供應,諸如在例如膝上型計算機、智能電話和平板計算機之類的便攜式或手持設備上,或在諸如醫療監測器、定制的企業特定設備(例如針對快遞員或遞送駕駛員)或家庭娛樂設備以及家用電器之類的更多應用特定的設備上。
這造成的影響是歸因于使用ICT的能量消耗的顯著增加,以及隨之而來對電能的需求。據報道超過3%的全球電能消耗是無線網絡 和因特網的實施和使用的直接結果。
這種電能的消耗不可避免地造成溫室氣體的產生以及其他環境影響。顯而易見的是,發電的成本依賴于諸如化石燃料之類的可轉換能源的豐富程度和有效性。這種豐富程度和有效性不能被保證。這對電力的價格具有影響。消費者會以兩種方式感受到這種影響,一是在電力供應的成本方面,二是在裝置和提供因特網服務的成本方面。
對普遍存在的通信和寬帶服務的需求表現為不斷增加。因此假定上面提到的比例在不久的將來將更進一步地增大是合理的。這將對電力供應產生需求壓力,而這將對價格和環境問題產生越來越大的影響。因此,從經濟以及環境的角度,均對ICT服務的能源效率感興趣。
另外,人口統計的趨勢指向人口老齡化的問題,特別是在世界中存在消費性電子產品市場的部分地區。在健康護理、福祉和社會結構上的發展導致壽命的增加。更大比例的人口避免在達到老年之前死于突發原因或急性疾病。達到老年的人口的比例的增加向健康護理提供者呈現出特定的挑戰,涉及對慢性疾病、健康以及總體幸福感的監測。許多老年人不是特別地不適,因此不需要持續的醫療護理。但是這樣的老年人可以在被動的基礎上從監測中受益。這可以具有一定的預防性效果,因為慢性疾病可以在它們的發展中被在早期檢測到,或可以被更有效地管理。患者和健康專業人士均難以檢測健康狀況的緩慢下降。在沒有持續監測的情況下,可觀察的標準上的趨勢可能是難以確定的。
因此,無線人體局域網(WBAN)已經被提出,特別是用于個人健康護理。WBAN可以包括多個身體傳感器單元(BSU)和身體中央單元(BCU)。每個BSU被置于身體上、身體中或與身體鄰接(依賴于所討論的BSU的類型和目的)以便監測一個或多個生理量。BCU將能夠與在WBAN外部的有效通信節點通信,以使得監測數據能夠被傳送到健康護理提供者等,或使得信令數據能夠被傳送到WBAN,以配置特定的監測時間表。
當前,傳感器可以以這種方式實現對許多不同的生理量的監測。 示例可以包括呼吸率、心率、血壓、血氧水平,但這是非窮舉列表并且讀者將理解在任何情況下本公開不被限制到這樣的示例中。在WBAN概念處于早期階段時,但是提供可以被置于人體附近的小型監測單元的思想被完善。例如,個人心率監測器上市用于在鍛煉期間使用。在這樣的監測器內包含一個使得監測器能夠與另一個用作BCU的緊密相鄰的設備建立無線通信的設施,對讀者來說將不是不可思議的。
對WBAN的使用可以提供若干機會。第一,使用WBAN可以減少對監測器和控制單元之間的有線通信的依賴,這減少在被監測的病患個人附近的或在被監測的病患與外部信號處理器之間的有線連接。這兩者可以有助于被監測的病患具有更大的自由度。第二,使用WBAN可以減少對人為干擾的依賴,因為監測器可以被置于被監測的病患個人附近,使其在沒有監督的情況下執行監測功能。這可以減少對要本人在場來監管對生命體征的監測的護理助理、護士或醫療從業者的需求。通過這樣的方式,這些人員可以被允許執行其他任務,因為WBAN可以在他們不在時被用于監測生命體征,并且如果被監測的量指示出需要他們出現的異常,則WBAN可以被用于發送電子的警告消息。這可以減少對入院護理的依賴,并且還可以向被監測的病患提供更大的移動和獨立的自由度。
但是,對在WBAN內以及往返于WBAN的可靠通信的建立呈現出巨大的挑戰。這是因為WBAN(即,BSU和BCU)的組件部分可以處于幾乎恒定的相對移動中,而網絡作為一個整體可以處于相對于BCU被配置為與其通信的通信中樞節點的移動中。理想的是確保WBAN的各種設備足夠小和輕以避免過度地妨礙被監測的個體,而這將不可避免地限制啟用WBAN的設備建立強大且穩健的電磁信號發射和檢測的可能的能力,所述能力體現在這樣的設備的最大功率輸出以及在這樣的設備中包含的電池的能量存儲能力兩個方面。
中繼網絡已被認為是通過利用傳輸分集提供可靠通信的有效方法。特別是,可以通過在或放大和轉發系統或解碼和轉發系統中聯合 選擇最好的中繼節點和天線實現這樣的分集。盡管存在中斷概率,但吞吐量和延遲是要在中繼網絡中被優化的重要參數,在這樣的網絡中能量效率也是關鍵因素。
在考慮電池供電設備的情形中,這是特別重要的。對于在其上安裝有WBAN的人來說,需要被強加進行電池的定期和頻繁的再充電以支持各種監測設備是極其不方便的。如果病人配備若干個人監測器,則再充電問題將更嚴重。如果WBAN中的一個設備放電,則這會對由此設備收集的、以及由WBAN作為一個整體收集的觀察的可靠性產生相當大的影響。由于實施WBAN的一個可能的動機是它可以代替健康護理專業人員的直接關注,因此在病人的福祉方面以及在健康護理提供者的責任方面,WBAN的故障均是影響深遠的。
另外,在用于健康護理的WBAN中的高能效中繼還由于它的高效帶寬利用以及完全傳輸分集而引起關注。其示例包括一個布置,無線設備通過此布置將數據從病患處發送到本地中繼節點。然后此數據可以通過諸如使用蜂窩系統或WiFi之類的異構無線電接入技術(RAT)從本地中繼節點被實時地轉發到醫院。異構RAT通常在多樣的頻率信道中運行,并且提供很大的活動性和靈活性,也增加了系統的能量效率。
以IEEE802.15.6為例,寬范圍的頻率信道,即從402MHz-405MHz(植入信道)到2.4GHz以及3.1-10.6GHz(體上信道),已經被研究以促進WBAN和健康護理應用的標準化。在這些信道之間的切換和運行可以改善傳輸可靠性和分集。但設計在頻率上相隔非常大的不同的頻率信道中可運行的硬件是有挑戰性的,特別是當信道之間的切換被考慮進去的時候。如果PA(功率放大器)模塊未被精心設計的話,則通過使用在頻率上間隔的信道實現的傳輸可靠性和分集可能以較低的能量效率為代價。
在傳輸分集和能量消耗之間存在一種折衷。具體地,已知在RF鏈路中的寬帶功率放大器(PA)具有比窄帶PA更低的效率。因此,寬帶PA通常不是那么高能效和環境友好的。另一方面,在窄帶PA 之間用于異構訪問的切換導致較高的能量消耗和延遲。因此,對存在切換的實時的異構RAT中的高能效PA模塊的設計是亟待解決的實際問題。
本文所公開的實施例提供用于在異構RAT兼容的人體局域環境中的中繼節點的模式切換PA裝置。實施例提供優化能量效率并同時滿足中斷概率以及傳輸延遲的兩個約束的最佳PA和天線選擇機制。
圖1說明包含WBAN20的通信系統10。在病人22的身上實施WBAN。WBAN包括心臟監測器24和中繼26。如圖所示,心臟監測器24具有一個天線,而中繼26具有兩個天線。
讀者可以將心臟監測器認為是BSU,將中繼26認為是BCU,如上所述。但是,應當在不參考關于BSU或BCU的功能的任何先入為主的觀點的情況下考慮本公開,并且對這樣的術語的任何外部建立的定義不應當對心臟監測器24和中繼26的功能強加任何隱含的限制。出于這個原因,術語BSU和BCU不被使用在圖1所示的實施例中。
同樣地,當實施例被示出在WBAN環境中被實施時,要注意的是術語WBAN不應當被認為將本公開的范圍限制到通過由國際標準化權威或由私人部門標準化布置對技術規范的采用而產生的特定標準化技術中。術語WBAN應當被看作針對適用于建立一個協作的可穿戴計算設備的網絡的無線通信環境的單純的描述性術語。
圖1中的WBAN20能夠連接到核心網絡40。核心網絡40包括通信網絡,所述通信網絡可以通過使用有線和/或無線通信被實施。通常地,這樣的核心網絡可以涉及通信技術的混合。核心網絡40提供與多個計算機實現的節點的通信。如圖所示,第一計算機實現的節點包括供調度操作員使用的調度操作員終端42。調度操作員是被分配執行將快速響應車輛調度到急性醫療狀況的任務的技工。讀者將理解的是,對快速響應車輛的調度可以由這樣的調度操作員實施,或可以涉及超出本公開范圍的其他級別的計算機自動化。
另一個計算機實現的節點包括遠程醫療服務終端44。遠程醫療服務終端44由醫療從業者(例如,護士或醫生)使用,以實現對病患提 供遠程醫療服務。為了實現上述遠程醫療服務,提供與核心網絡40通信的遠程監測器46,其可以被安裝在病患的住所內。合適的產品可以是由東芝公司生產的IK-WB16A網絡攝像機。此產品包括在機動的底座上的數字攝像機,使得由遠程操作員(諸如在遠程醫療服務終端44處)實現攝像機的遠程傾斜和重新定向。此產品還具有集成的麥克風以及音頻輸出。其他產品也可以是適合的,包括具有較少的集成設施的產品。揚聲器48被連接到遠程監測器,通過遠程監測器可以生成音頻輸出,諸如用于發出來自醫療從業者的有聲消息。通過這種布置,醫療從業者將能夠遠程地檢查病患,并且接收和發送音頻消息以實現對要開始的急性醫療狀況的處理。
核心網絡40具有兩個天線50和52。每個天線50、52具有實施對應的無線電接入技術(RAT1、RAT2)的、相關聯的通信驅動器54、56。中繼26能夠經由對應的無線電接入技術,依賴于信號狀況,連接到天線中的一個天線。中繼26被用于經由天線驅動器組合(50、54;52、56)中的一個,建立WBAN20和核心網絡之間的連接。
在WBAN20中,心臟監測器24收集身體指標數據分組,中繼26經由天線50、52中的一個天線,接收此分組并且將此分組轉發到核心網絡,再轉到終端42、44中的一個終端。目標終端42、44然后處理此分組并且傳遞適當的健康護理響應。
在本公開中,假定中繼26的天線發送相等的功率P0,而在網絡中的所有鏈路顯示出獨立同分布的瑞利衰落。
在這個示例中,數據分組包括K個傳輸塊。可以假定信道在塊k,k∈{1,2,…,K}的時間期間內保持不變,并且在塊之間信道互相獨立。另外,可以假定中繼26具有對信道的完全了解。本實施例利用半雙工的通信系統。
為了說明,如上所示,本示例提供兩個中繼天線,即L=2。但是讀者將理解的是,本公開還可以被應用于具有多于兩個中繼天線(即,L>2)的情況。在圖2中進一步詳細說明中繼26。
如圖2所示,中繼26包括控制器60和無線電驅動器64。前述的 兩個天線66也被示出。控制器60可運行以向無線電驅動器64發射控制信號。控制器60還能夠監測中繼26可用的信道以收集信道信息。
在圖3中進一步詳細地說明無線電驅動器64。為了說明,在圖4和圖5中進一步說明在對應的運行模式(即模式A和模式B)中的無線電驅動器64。
無線電驅動器64包括寬帶功率放大器70,其可運行以放大在寬帶頻率范圍中的信號。在此示例中,寬帶頻率范圍是2.4GHz到3.5GHz,但此范圍不是規定的。
單刀單擲開關S0將寬帶功率放大器70的輸入和輸出橋接起來,因此當S0閉合時,寬帶功率放大器被旁通。
寬帶功率放大器70的輸出轉到單刀雙擲開關S1的公共觸點。開關S1的兩個開關觸點中的每個觸點轉到相應的窄帶功率放大器72、74的輸入。
窄帶放大器72、74被調諧到不同的無線電頻率。在這個示例中,與天線ANT1相關聯的窄帶放大器72被調諧到2.4GHz,而與天線ANT2相關聯的窄帶放大器74被調諧到3.5GHz。讀者將理解的是,也可以選擇其他頻率。
兩個窄帶功率放大器72、74的輸出轉到相應的天線66(ANT1、ANT2)。相應的單刀單擲開關S2、S3跨接在每個窄帶功率放大器的輸入和輸出之間。和之前相同,當S2或S3閉合時,它們對應的窄帶功率放大器被旁通。
這描述了形成無線電驅動器64的傳輸信道的組件。在天線處檢測信號的情況下,兩個LNA80被提供,對每個天線66提供一個LNA。每個LNA80被連接到一個天線(ANT1、ANT2),并且可運行以放大在天線處被檢測到的信號。這個示例中的LNA均被調諧到2.4GHz,作為這個示例的特征,在下行信道中的所有信號以此頻率為中心。檢測到的、被放大的信號在被傳到RAT上變頻器90之前,在信號組合器82處被組合。信號組合器82使用讀者將理解的最大似然組合方法運行。RAT上變頻器90被配置為對要被所選擇的RAT處的中繼的傳 輸側再一次中繼的、所接收到的信號上變頻。
因此在使用中,無線電驅動器可以以兩種方式被配置,每種方式與分別是模式A和模式B的運行模式相關聯。如圖4和圖5所示,僅僅是傳輸信道,即信號的傳輸被模式選擇影響,接收信道的運行沒有被影響,因此從說明中省略接收信道。
通過開關S0、S1、S2、S3的配置實現模式選擇。在模式A中,開關S0是開路的,使得寬帶功率放大器70可運行。開關S1可以被用來將寬帶功率放大器70的輸出送往天線ANT1或天線ANT2。開關S2和S3閉合,斷開窄帶功率放大器72、74的使用。因此,在模式A中,由無線電驅動器64接收的信號將被寬帶功率放大器70放大并且然后在或天線ANT1或天線ANT2處選擇性地被發射,其中由切換開關S1實現對天線的選擇。
在模式B中,開關S0閉合,而開關S2和S3開路。這旁通了寬帶功率放大器70并且在到天線ANT1和ANT2的相應路徑中插入窄帶功率放大器72、74。因此,由開關S1將所接收的信號送往窄帶功率放大器72、74中的任一個。通過斷開旁通開關S2、S3中相應的一個開關而閉合另一個開關來激活要被使用的窄帶放大器72、74。如圖所示,通過對開關S1的選擇以及在開關S2處的激活,使用第一窄帶放大器72。因此,從無線電驅動器向天線中所選擇的一個天線發出窄帶信號。另外,可以選擇窄帶信號被發射所在的頻率。
因此,針對從中繼26到核心網絡的傳輸(經由或天線驅動器組合50、54或天線驅動器組合52、56),存在兩個可替代的通信模式,即使用一個寬帶PA或窄帶PA中的一個窄帶PA。
在模式A中,當寬帶PA70被使用時,針對每個傳輸塊執行天線選擇。另一方面,在模式B中,如果窄帶PA72、74被利用,則以1-Ps的概率執行天線選擇,其中Ps被定義為‘保持概率’。
換句話說,中繼在天線之間選擇和切換,以建立到與核心網絡相關聯的天線50、52中的一個天線的鏈路,以在滿足傳輸約束的同時利用分集。通過在各種可用信道當中選擇信道增益的最大值,并考慮在 這個示例中在中繼26處存在兩個天線以及與核心網絡40相關聯的兩個RAT,給出選擇活動鏈路的標準。
因此,這可以被表示為對在所有L個中繼鏈路當中的第k個塊中的Ri(其中R表示中繼26而i指示在中繼26處的天線選擇)和D(D表示“目標節點”,即在核心網絡和它相關聯的RAT處所選擇的天線/驅動器組合)之間的最大信道增益的確定。在這個系統中利用異構RAT以改善傳輸可靠性。
所示的體系結構需要三個PA模塊中的最小值。此示例中的系統的目標輸出功率被設置為20dBm。這樣的系統具有四個狀態或更多狀態,并且可以或通過應當能夠覆蓋所有頻帶的寬帶PA(如圖4所示),或通過在所支持的頻帶中的任一頻帶中的一個窄帶PA(如圖5所示)實現傳輸。這實現對傳輸分集的利用以及對系統的優化以將PA的實際啟動特征的影響(在延遲和功率消耗方面)最小化。
此說明示例支持兩個RAT。這樣的PA裝置使得中繼節點能夠以靈活且高能效的方式工作。特別地,通過利用以下兩種模式可以實現四種傳輸狀態。
在模式A(圖4)中,由RF開關S2和S3關閉和旁通兩個窄帶PA72、74,而寬帶PA70利用基于信道增益選擇最佳天線的天線選擇機制(通過開關S1實現的)運行。在模式B(圖5)中,由開關S0關閉和旁通寬帶PA70,而開關S1被用于在窄帶PA72、74和它們對應的天線中選擇。因此,為了強調,在模式A中無線電驅動器64僅僅在天線之間切換,而在模式B中,天線和PA均被切換。
對讀者來說顯而易見的是,模式B表現為比模式A更高能效,因為模式B是窄帶而不是寬帶。但是,這忽略了功率放大器的啟動特征的影響。由于在模式B中窄帶PA72、74將被頻繁地開啟和閉合以便實現天線選擇,因此這可以具有一定的影響。這可以被表達為附加延遲τn,以及額外的能量消耗Jτn。因此,考慮在模式B內的天線切換應當多么頻繁地發生以優化能量效率而同時仍然利用傳輸分集是合理的。
另一方面,在模式A中,使用寬帶PA將被認為是內在低效的。但是,在利用寬帶PA中,沒有天線選擇帶來的附加延遲和能量消耗。因此,針對每個傳輸塊推斷天線選擇總是可以實現對具有較高信道增益的天線的選擇是合理的。由此得出,如果模式B中的附加延遲和能量成本不能被容忍,則可以利用模式A獲得最佳的整體能量效率。
通過依次考慮施加在每個模式上的傳輸約束,進一步考慮如何在模式之間選擇以獲得最佳能量效率是合理的。
為了解決這兩個考慮,兩個概率被使用以促進對能量效率的優化。如上所述,Ps是保持概率,其表達在模式B中即使其他天線j的信道增益更大,傳輸也將保持在當前Ri-D鏈路中,通過使用相同的天線i和PA用于下一個傳輸塊(塊k+1)的概率。另外,Pn是模式B的運行概率,表達模式B被利用的概率。因此,如果Pn=1,則模式B始終被利用。
使用這兩個概率,實施一種切換/保持機制,通過此機制可以管理能量效率。切換/保持機制被實施為由控制單元60執行的進程。
對切換/保持機制進行設計以最大化能量效率需要依賴于寬帶PA70的效率以及與使用窄帶PA72、74相對應的效率、啟動延遲和額外能量消耗,確定Ps和Pn。Ps和Pn還受限于諸如目標中斷概率和傳輸延遲之類的其他約束。
在以下的描述中,Pout是在S-R-D(源中繼目標)傳輸中的中斷概率,而τ是傳輸延遲。因此,針對任何給定的啟動延遲τn的優化問題可以表達為:
maxη(Ps,Pn,τn)
受限于
τ(Ps,Pn,τn)≤D
Pout(Ps,Pn)≤P
其中η是中繼節點的能量效率,而D、P分別是數據傳輸延遲以及中斷概率的閾值。針對一個數據分組傳輸的中繼節點的能量效率η通過以下被給出:
η=1KΣk=1Kηk]]>
其中ηk是在第k個塊中的能量效率:
η(Ps,Pn,τn)=TBkJk+Jc]]>
其中,
T是一個塊的持續時間,
Bk是使用PA裝置的第k個塊的數據速率,
Jk是以焦耳計的相應能量消耗,以及
Jc是排除PA的能量消耗,在電路的所有其他部分中消耗的固定能量(再次以焦耳計)。
針對任何給定Pn可以得到Ps的上界和下界。通過讓Pout(Ps,Pn)≤P,并且求解Ps確定上界。對于給定的τn,通過讓τ(Ps,Pn,τn)≤D,由傳輸延遲約束D控制Ps的下界。
對邊界的推導表明,隨著Pn的增大,嚴格的中斷概率約束導致Ps較小的上界,而較嚴格的D增大Ps的下界。因此,較小的Pn被允許以滿足以上兩個約束。
這里給出數值結果以向讀者提供此的樣例。參考PA模塊設計和模擬,并且為了促進分析,每個窄帶PA的效率被設置為72%,而包括RF開關損耗在內的寬帶PA效率被設置為47.5%。窄帶PA的啟動附加延遲τn被表達為τn=βT,其中β依賴于PA的設計參數。延遲閾值被定義為D=λT,其中λ∈[0,1]。在優化能量效率中β對確定Ps和Pn的影響將在下面討論。
圖6繪制出針對在不同保持概率Ps條件下不同的啟動延遲,中繼26的能量效率η作為模式B的運行概率Pn的函數。讀者會注意到,傳輸約束未應用在此圖中。使用較小的τn(即,β=0.1),則隨著Pn的增大可以獲得較大的η。對于較小的Ps也獲得較好的效率。這說明為了改善能量效率,對模式B的利用(使用窄帶PA)是理想的。另外,如果可以滿足傳輸約束,則在這種情況下始終選擇提供最佳性能 的天線。
使用相同的Pn,則隨著β增大η減小。這是由于較大的PA啟動延遲引起較大的額外能量消耗,因此η降低。同樣地,當τn增大時,設置一個較高的Ps是理想的,以便避免不必要的天線切換和相關聯的啟動延遲,以維持η為可接受的值。另外,從圖6中可以觀察到,對于較小值的Ps,中繼26將利用寬帶PA以便最大化η。如果嚴格的中斷概率約束被給出并且由硬件特征造成窄帶PA具有較高的τn,則以上觀察所得更是如此。
圖7示出模式B的Ps邊界作為Pn的函數。使用相同的Pn的情況下,當更加嚴格的延遲約束(例如,λ=4.5%)被應用時,Ps的下界增大。這表明,對于嚴格的延遲約束,繼續使用當前天線是有益的,以避免來自天線選擇和對應PA切換的延遲。但是,由中斷概率約束P限制Ps的值的上界。圖7示出嚴格的P(例如,P=4.5%)降低了Ps的上界。這是由于這樣的嚴格中斷概率約束需要中繼26在天線之間更經常地切換,以便利用多信道分集,從而獲得令人滿意的傳輸可靠性。值得注意的是,當在分組傳輸期間僅僅應用模式A(Pn=0)時,Ps是實際上不適用的,因為始終會選擇最佳天線。后者由沒有額外PA切換延遲和能量消耗的單一寬帶PA推動。
圖8到圖11示出在有和沒有約束的情況下,能量效率η作為與PA啟動延遲τn有關的Ps和Pn的聯合函數。從圖8和圖10可以觀察到,在不考慮傳輸約束的情況下,不論τn的值是多少,模式B(窄帶PA,Pn=1)始終會被選擇。
但是對Ps的選擇依賴于τn的值。特別是,如果由窄帶PA給出較小的τn=4μs(β=0.1),則切換到一直具有較高的信道增益的天線(Ps=0)是最高能效的。另一方面,如果τn相對于T的長度變得顯著(例如,β=0.8),則推薦設置Ps=1以便確保驅動器保持在當前天線上以獲得最高的能量效率。
傳輸約束對能量效率的影響在圖9和圖11中被示出。這些圖形確認了由目標中斷概率和延遲約束確定Ps的上界和下界的前面的分 析。通過引入這些約束,能量效率將減小。作為來自這些圖形的一個示例,對于較小的啟動延遲(例如,β=0.1),η從39.36比特Hz-1J-1降到37.42比特Hz-1J-1,當β=0.8時,η從32.2比特Hz-1J-1降到30比特Hz-1J-1。要注意,η的改變可以依賴于由系統引入的約束的嚴格程度而變化。
目標在于在無線人體健康護理網絡中提供高能效的中繼系統,本文所描述的實施例提供了一種用于中繼節點的模式切換的功率放大器裝置,其由考慮到傳輸可靠性約束的PA切換/保持運行機制促進。天線選擇被應用到中繼節點中以改善這樣的傳輸可靠性。
所提出的體系結構和切換/保持機制還可以被應用到不同的情形中,諸如在用于蜂窩網絡的中繼/基站中;認知/智能網絡或在其他異構網絡中。
雖然已描述某些實施例,但這些實施例僅僅以示例的形式被呈現,并不旨在限制本發明的范圍。事實上,本文所描述的新穎方法和系統可以以各種其他的形式被實施;另外,在不背離本發明的精神的情況下,可以做出各種省略、替代和改變。附加的權利要求和它們的等效物旨在涵蓋會落入本發明的范圍和精神的這樣的形式或修改。

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