CN109475004B - 带宽分配方法、装置、发射设备及存储介质 - Google Patents

带宽分配方法、装置、发射设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供一种带宽分配方法、装置、发射设备及存储介质。在本申请实施例中，针对MIMO‑OFDMA系统的下行信道，在满足各用户最低速率要求的基础上，进一步将各用户可占用的带宽之和不大于MIMO‑OFDMA系统的传输带宽作为约束条件，从而建立起MIMO‑OFDMA系统的能效优化模型。进一步，根据能效优化模型的约束条件，对MIMO‑OFDMA系统的能效进行优化，将带宽合理的分配给各用户。这样，不仅可满足系统中各用户的最低速率要求，还可提高带宽的利用率，进而提高MIMO‑OFDMA系统的性能，降低带宽资源的浪费。

Description

带宽分配方法、装置、发射设备及存储介质
技术领域
本申请涉及无线通信领域，尤其涉及一种带宽分配方法、装置、发射设备及存储介质。
背景技术
多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和多个接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量。MIMO技术与正交频分多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFMDA)技术相结合可以有效实现高速和高容量通信。OFDMA技术将传输带宽划分成正交的互不重叠的一系列子载波集，将不同的子载波集分配给不同的用户实现多址，并且还能动态地把可用带宽资源分配给需要的用户，很容易实现系统资源的优化利用。
但是，当发射端所覆盖的范围(小区)内的用户较多时，为了使用户都能拥有较好的上网体验，需要合理地分配带宽资源。在现有的带宽资源分配方式中，聚焦于频谱效率，当频段分配给特定用户后，其他用户则不能使用，这样容易导致被授权的频段处于闲置状态，频谱利用率低下，浪费带宽资源。
发明内容
本申请的多个方面提供一种带宽分配方法、装置、发射设备及存储介质，用以提高带宽的利用率，降低带宽资源的浪费。
本申请实施例提供一种带宽分配方法，适用于多输入多输出的正交频分多址接入MIMO-OFDMA系统，包括：
根据所述MIMO-OFDMA系统的下行信道的信道状态信息(Channel StateInformation，CSI)和所述MIMO-OFDMA系统中各用户尚待分配的带宽，确定所述各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系；
根据各用户的发射功率和各用户尚待分配的带宽，确定所述MIMO-OFDMA系统所需的发射总功率与所述各用户尚待分配的带宽的映射关系；
根据所述各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系、以及所述发射总功率与所述各用户尚待分配的带宽的映射关系，确定所述MIMO-OFDMA系统的能效优化函数，所述能效优化函数的自变量是各用户尚待分配的带宽；
以所述各用户的可达速率下界不小于预设的最低速率阈值、以及所述各用户分配到的带宽之和不大于所述MIMO-OFDMA系统的传输带宽为约束条件，求解所述能效优化函数得到各用户分配到的带宽。
本申请实施例还提供一种带宽分配装置，适用于MIMO-OFDMA系统，所述装置包括：第一确定模块、第二确定模块、第三确定模块以及求解模块；其中，
所述第一确定模块，用于：根据所述MIMO-OFDMA系统的下行信道的CSI和所述MIMO-OFDMA系统中各用户尚待分配的带宽，确定所述各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系；
所述第二确定模块，用于：根据所述各用户的发射功率和所述各用户尚待分配的带宽，确定所述MIMO-OFDMA系统所需的发射总功率与所述各用户尚待分配的带宽的映射关系；
所述第三确定模块，用于：根据所述各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系、以及所述发射总功率与所述各用户尚待分配的带宽的映射关系，确定所述MIMO-OFDMA系统的能效优化函数，所述能效优化函数的自变量是所述各用户尚待分配的带宽；
所述求解模块，用于：以所述各用户的可达速率下界不小于预设的最低速率阈值、以及所述各用户分配到的带宽之和不大于所述MIMO-OFDMA系统的传输带宽为约束条件，求解所述能效优化函数得到所述各用户分配到的带宽。
本申请实施例还提供一种发射设备，应用于MIMO-OFDMA系统，包括：存储器和处理器；其中，所述存储器，用于存储计算机程序；
根据所述MIMO-OFDMA系统的下行信道的CSI和所述MIMO-OFDMA系统中各用户尚待分配的带宽，确定所述各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系；
根据所述各用户的发射功率和所述各用户尚待分配的带宽，确定所述MIMO-OFDMA系统所需的发射总功率与所述各用户尚待分配的带宽的映射关系；
根据所述各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系、以及所述发射总功率与所述各用户尚待分配的带宽的映射关系，确定所述MIMO-OFDMA系统的能效优化函数，所述能效优化函数的自变量是所述各用户尚待分配的带宽；
以所述各用户的可达速率下界不小于预设的最低速率阈值、以及所述各用户分配到的带宽之和不大于所述MIMO-OFDMA系统的传输带宽为约束条件，求解所述能效优化函数得到所述各用户分配到的带宽。
本申请实施例还提供一种存储有计算机指令的计算机可读存储介质，当所述计算机指令被一个或多个处理器执行时，致使所述一个或多个处理器执行权利要求上述方法中的步骤。
在本申请实施例中，针对MIMO-OFDMA系统的下行信道，在满足各用户最低速率要求的基础上，进一步将各用户可占用的带宽之和不大于MIMO-OFDMA系统的传输带宽作为约束条件，从而建立起MIMO-OFDMA系统的能效优化模型。进一步，根据能效优化模型的约束条件，对MIMO-OFDMA系统的能效进行优化，将带宽合理的分配给各用户，不仅可满足系统中各用户的最低速率要求，还可提高带宽的利用率，进而提高MIMO-OFDMA系统的性能，降低带宽资源的浪费。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例提供的一种带宽分配方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的一种发射设备的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种带宽分配装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
现有MIMO-OFDMA系统的带宽分配方式带宽资源利用率较低，导致带宽资源浪费，针对该技术问题，本申请实施例提供一种解决方案，基本思路是：针对MIMO-OFDMA系统的下行信道，在满足各用户最低速率要求的基础上，进一步将各用户可占用的带宽之和不大于MIMO-OFDMA系统的传输带宽作为约束条件，从而建立起MIMO-OFDMA系统的能效优化模型。进一步，根据能效优化模型及其约束条件，对MIMO-OFDMA系统的能效进行优化，将带宽合理的分配给各用户，不仅可满足系统中各用户的最低速率要求，还可提高带宽的利用率，降低带宽资源的浪费。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为本申请实施例提供一种带宽分配方法的流程示意图。该方法适用于MIMO-OFDMA系统，尤其适用于MIMO-OFDMA系统中的发射设备。如图1所示，该方法包括：
S101、根据MIMO-OFDMA系统的下行信道的CSI和该MIMO-OFDMA系统中各用户尚待分配的带宽，确定各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系。
S102、根据各用户的发射功率和各用户尚待分配的带宽，确定MIMO-OFDMA系统所需的发射总功率与各用户尚待分配的带宽的映射关系。
S103、根据各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系、以及发射总功率与各用户尚待分配的带宽的映射关系，确定MIMO-OFDMA系统的能效优化函数，其中，能效优化函数的自变量是各用户尚待分配的带宽。
S104、以各用户的可达速率下界不小于预设的最低速率阈值以及各用户分配到的带宽之和不大于MIMO-OFDMA系统的传输带宽为约束条件，求解该能效优化函数，得到各用户分配到的带宽。
在本实施例中，MIMO-OFDMA系统包括至少一个发射设备和至少一个接收设备。其中，每个发射设备上设有多个发射天线，每个接收设备包括一个或多个接收天线，进而在MIMO-OFDMA系统中，通过多个天线实现多发多收，可以成倍的提高系统信道容量。可选地，发射设备可以为基站、路由器、无线网络接入设备(Wireless Access Point，AP)等。
在本实施例中，每个发射设备分配带宽资源的方式相同，因此在本实施例中，以一台发射设备进行带宽资源分配为例，对带宽资源分配方法进行示例性说明。在本实施例中，发射设备具有多个发射天线，其天线的个数设置为M，其中M为大于或等于2的正整数。
在本实施例中，MIMO-OFDMA系统中各用户的可达速率下界和MIMO-OFDMA系统所需的发射总功率，都与各用户尚待分配的带宽有关，即都可看作以各用户尚待分配的带宽为自变量的函数。其中，MIMO-OFDMA系统中所需的发射总功率不仅包括该系统中各用户所需的发射功率之和，还包括MIMO-OFDMA系统中的发射设备上的发射天线消耗的总功率。
在本实施例中，能效定义为每焦耳能量所能成功传输的比特数(bits/J)。因此，MIMO-OFDMA系统的能效函数为MIMO-OFDMA系统中的吞吐量(单位为bits/s)与MIMO-OFDMA系统的发射总功率(单位为J/s)的比值。其中，MIMO-OFDMA系统的吞吐量表示单位时间内MIMO-OFDMA系统能够传输的总比特数，也就是说，MIMO-OFDMA系统的吞吐量可以看作MIMO-OFDMA系统中各用户的数据传输速率(也称为可达速率，单位为bits/s)之和。基于此，在本实施例中，将各用户的可达速率下界之和和该系统的发射总功率的比值作为能效优化函数，即将该比值确定为优化的目标函数。各用户的可达速率下界之和表示MIMO-OFDMA系统的吞吐量下界。如果能在各用户的可达速率下界(最小可达速率)下，能使MIMO-OFDMA系统的能效下界取得最大值，则能有效提高MIMO-OFDMA系统的性能，提高其带宽利用率。
进一步，在本实施例中，还利用MIMO-OFDMA系统中用户的最低速率要求对各用户的可达速率下界进行限制，即各用户的可达速率下界大于或等于预设的最低速率阈值，并以此作为能效优化函数的约束条件，这样可使MIMO-OFDMA系统中的用户都可以进行正常通信。
进一步，在上述各用户的可达速率下界都满足最低速率要求的基础上，对用户分配到的总带宽进行限制，即各用户分配到的带宽之和不大于该MIMO-OFDMA系统的传输带宽，并以此作为能效优化函数的约束条件，这样可防止下行信道的带宽被占满而导致丢包。优选地，可将各用户分配到的带宽之和等于MIMO-OFDMA系统的传输带宽作为约束条件，这样，在防止下行信道的带宽被占满而导致丢包的同时，还可将MIMO-OFDMA系统的传输带宽尽可能的充分分配给各用户，进一步提高MIMO-OFDMA系统带宽的利用率。其中，MIMO-OFDMA系统的传输带宽可以为MIMO-OFDMA系统的总带宽，也可为MIMO-OFDMA系统的部分带宽。可选地，当MIMO-OFDMA系统的传输带宽为MIMO-OFDMA系统的部分带宽时，可将MIMO-OFDMA系统的总带宽除传输带宽之外的其他带宽作为预留带宽。
在本实施例中，针对MIMO-OFDMA系统的下行信道，在满足各用户最低速率要求的基础上，进一步将各用户可占用的带宽之和不大于MIMO-OFDMA系统的传输带宽作为约束条件，从而建立起MIMO-OFDMA系统的能效优化模型。进一步，根据能效优化模型的约束条件，对MIMO-OFDMA系统的能效进行优化，将带宽合理的分配给各用户，不仅可满足系统中各用户的最低速率要求，还可提高带宽的利用率，进而提高MIMO-OFDMA系统的性能，降低带宽资源的浪费。
在MIMO-OFDMA系统中，以子载波表示传输带宽，MIMO-OFDMA系统包括N个子载波，N为正整数，一个子载波的带宽间隔表示固定带宽，那么MIMO-OFDMA系统的传输带宽为N个子载波的带宽间隔之和。例如，子载波的带宽间隔为15kHz，一个包含1000个子载波的MIMO-OFDMA系统的传输带宽为15kHz×1000＝15MHz。可选地，MIMO-OFDMA系统还可预留部分带宽，则MIMO-OFDMA系统的总带宽为传输带宽和预留带宽之和。
在本申请实施例中，将N个子载波平均分成L份，即分成L个频率块，每个频率块占N/L个子载波，其中，L为正整数。因此，每个频率块代表的带宽为其包含的子载波数乘以一个子载波对应的固定带宽。基于此，在本申请实施例中，可将带宽分配问题转化为对频率块的分配问题。下面以将频率块作为带宽资源分配的基本单元，对本申请实施例提供的带宽分配方法进行示例性说明。
在一可选实施例中，为了降低MIMO-OFDMA系统中接收设备(用户侧设备)的运行负担，可通过接收到的用户数据中的参考信号，获取MIMO-OFDMA系统中每个频率块对应的上行信道的CSI矩阵，进而获得MIMO-OFDMA系统的上行信道的CSI矩阵。在本申请实施例中，Hl表示上行信道的CSI矩阵中的第l个频率块对应的CSI矩阵，其中，l＝1,2,...,L。
相应地，可通过概率统计方法，获取各用户与MIMO-OFDMA系统中的发射设备之间的慢衰落系数，这些慢衰落系数组成K×K的对角矩阵
Figure GDA0001927895930000071
即
Figure GDA0001927895930000081
其中，
Figure GDA0001927895930000082
表示第k个用户与发射设备之间的慢衰落系数，k＝1,2,...,K，K表示MIMO-OFDMA系统中用户总量，K为正整数。其中，发射设备可以为基站、路由器、AP等。可选地，可用概率密度、概率分布函数描述慢衰落系数。
进一步，由于MIMO-OFDMA系统具有上下行互易性，因此，可根据MIMO-OFDMA系统的上行信道的CSI矩阵以及各用户与发射设备之间的慢衰落系数，获取下行信道的CSI矩阵，其中，
Figure GDA0001927895930000083
Figure GDA0001927895930000084
为Hl的转置矩阵；Gl表示下行信道的CSI矩阵中的第l个频率块对应的CSI矩阵；
Figure GDA0001927895930000085
为Gl的转置矩阵。基于此，得到第k个用户在第l个频率块上的接收信号为：
Figure GDA0001927895930000086
其中，gl,k是Gl的第k列向量，pl,k和fl,k分别为第k个用户在第l个频率块上的发射功率与预编码矩阵，xl,k表示第k个用户在第l个频率块上的发射信号，zl,k为加性高斯白噪声干扰，从上式中可以看出，第一项为有用信号，表示第k个用户在第l频率块上的期望信号，第二项为其他用户的干扰，第三项为噪声干扰。
进一步，在本申请实施例中，为了消除其他用户以及噪声的干扰，可对下行信道的CSI矩阵进行预编码，获得下行信道的预编码矩阵。可选地，可采用最小均方误差(MinimumMean Squared Error，MMSE)预编码技术，对下行信道的CSI矩阵进行预编码。具体实施方式为：获取各用户在第l个频率块上的发射功率之和，其中，l＝1,2,...,L；根据MMSE预编码技术，计算下行信道上第l个频率块的预编码矩阵Fl，且
Figure GDA0001927895930000087
其中，Fl＝[fl,1,fl,2,...,fl,K]，
Figure GDA0001927895930000091
为Gl的共轭转置矩阵；pl为各用户在第l个频率块上的发射功率之和；I为与
Figure GDA0001927895930000092
维度相同的单位矩阵。
进一步，可根据MIMO-OFDMA系统的传输带宽包含的L个频率块和预编码矩阵，确定各用户的可达速率；并根据各用户的可达速率和各用户尚待分配的带宽，确定各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系。
可选地，基于上述预编码矩阵Fl，可对公式
Figure GDA0001927895930000093
求期望，得到第k个用户在第l个频率块上的可达速率为：
Figure GDA0001927895930000094
其中，W为所述MIMO-OFDMA系统的总带宽；N0表示所述MIMO-OFDMA系统中的噪声功率；pl,k为所述第k个用户在第l个频率块上的发射功率；lb表示以2为底的对数。
进一步，可采用詹森不等式，对上述公式(2)进行求解，可知：
Figure GDA0001927895930000095
令
Figure GDA0001927895930000096
即β为
Figure GDA0001927895930000097
的期望，进而得到第k个用户在第l个频率块上的可达速率下界为：
Figure GDA0001927895930000098
进一步，可根据所述第k个用户在所述第l个频率块上的可达速率下界
Figure GDA0001927895930000101
以及表示第k个用户尚待分配的带宽所对应的待求频率块数量ak，确定第k个用户的可达速率下界rk与其尚待分配的频宽块的数量ak的映射关系为：
Figure GDA0001927895930000102
确切地说，ak为假设为第k个用户分配的频率块的数量，为待求量。
进一步，根据各个用户的可达速率下界之和以及MIMO-OFDMA系统所需的发射功率，确定该MIMO-OFDMA系统的能效下界为：
Figure GDA0001927895930000103
其中，M表示MIMO-OFDMA系统中发射设备的发射天线的数量，M为正整数；pc表示每个发射天线的消耗功率。
在本申请实施例中，可将公式(6)作为能效优化函数，即目标函数。其对应的约束条件为：
Figure GDA0001927895930000104
其中，rmin为预设的用户最低速率阈值，该约束条件中rk≥rmin表示各用户的可达速率下界不小于预设的最低速率阈值；
Figure GDA0001927895930000105
表示各用户分配到的频率块数量之和不大于MIMO-OFDMA系统的频率块总量L。优选地，
Figure GDA0001927895930000106
这样，在防止下行信道的带宽被占满而导致丢包的同时，还可将MIMO-OFDMA系统的频率块尽可能的充分分配给各用户，进一步提高MIMO-OFDMA系统带宽的利用率。
基于上述能效优化函数，为了使MIMO-OFDMA系统的能效最大，带宽分配问题可进一步转化为：如何将MIMO-OFDMA系统的频率块合理的分配给各用户，以使得MIMO-OFDMA系统的能效最大，即公式(6)取最大值。
进一步，在各用户的可达速率下界不小于预设的最低速率阈值以及各用户分配到的频率块数量之和不大于L的约束条件下，对公式(6)进行最大值解析，其具体实施方式为：
初始化：对预设的最低速率阈值与各用户在第l个频率块上的可达速率下界的比值向上取整，得到各用户分配到的频率块数量。具体实施方式为：将预设的最低速率阈值rmin以及第k个用户在第l个频率块上的可达速率下界
Figure GDA0001927895930000111
代入公式
Figure GDA0001927895930000112
Figure GDA0001927895930000113
表示向上取整，求得第k个用户分配到的频率块的初始值ak。
频率块量调整：若各用户分配到的频率块数量之和不大于L，则根据公式(6)所示的能效优化函数，调整各用户分配到的频率块数量，直至各用户分配到的频率块数量之和调整至大于L为止，并根据各用户在前一次分配到的频率块数量确定各用户分配到的带宽，即根据各用户分配到的频率块数量之和调整至大于L的前一次，各用户分配到的频率块的数量对应的带宽确定为各用户分配到的带宽。
进一步，根据公式(6)所示的能效优化函数，调整各用户分配到的频率块的一种可选实施方式为：利用公式(6)所示能效优化函数，计算各用户在当前分配到的频率块上的第一能效以及各用户在当前分配到的频率块数量上增加第一指定数量个频率块后的第二能效；根据各用户的第一能效与第二能效的差值，从各用户中选出差值最大的用户；将选出的差值最大的用户当前分配到的频率块数量增加第一指定数量，其它用户当前分配到的频率块数量保持不变。其中，第一指定数量可根据实际需求进行灵活设置，例如可以设置为1、2、3等正整数。下面以第一指定数量设置为1进行示例性说明。
假设各用户当前分配到的频率块的数量为Nk，Nk为正整数，则第一能效为第k个用户在Nk个频率块上的能效，即：
Figure GDA0001927895930000114
同理，第二能效为第k个用户在(Nk+1)个频率块上的能效，即：
Figure GDA0001927895930000121
相应地，第一能效和第二能效的差值可表示为:
Figure GDA0001927895930000122
进一步，对公式(9)进行最大值求解，最大值对应的用户即为目标用户，并将目标用户当前分配到的频率块数量增加1个，即取
Figure GDA0001927895930000123
并令Nj＝Nj+1。
可选地，在判断各用户分配到的频率块的数量是否大于L之前，还可先对各用户分配到的频率块的数量进行预调整。可选地，可从各用户中选出频率块数量最小的用户，并将选出的频率块数量最小的用户当前分配到的频率块数量增加第二指定数量。其中，第二指定数量可根据实际需求进行灵活设置，例如可以设置为1、2、3等正整数。
在本实施例中，由于频率块为带宽资源分配的基本单元，当确定出各用户分配到的频率块数量之后，便可根据各用户分配到的频率块的数量，完成对各用户带宽资源的分配。
需要说明的是，上述实施例所提供方法的各步骤的执行主体均可以是同一设备，或者，该方法也由不同设备作为执行主体。比如，步骤S101和S102的执行主体可以为设备A；又比如，步骤S101的执行主体可以为设备A，步骤S102的执行主体可以为设备B；等等。
另外，在上述实施例及附图中的描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号如101、102等，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。
本申请实施例还提供一种存储有计算机指令的计算机可读存储介质，当该计算机指令被一个或多个处理器执行时，致使一个或多个处理器执行上述带宽分配方法中的步骤。
图2为本申请实施例提供的一种发射设备的结构示意图。该发射设备可应用于MIMO-OFDMA系统，在本实施例中，发射设备可以为基站、路由器、AP等。如图2所示，发射设备包括：存储器20a和处理器20b。
其中，存储器20a，用于存储计算机程序，并可被配置为存储其它各种数据以支持在发射设备上的操作。其中，处理器20b可执行存储器20a中存储的计算机程序，以实现相应控制逻辑。存储器20a可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
处理器20b，用于耦合存储器，以执行计算机程序，以用于：根据MIMO-OFDMA系统的下行信道的CSI和MIMO-OFDMA系统中各用户尚待分配的带宽，确定各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系；根据各用户的发射功率和各用户尚待分配的带宽，确定MIMO-OFDMA系统所需的发射总功率与各用户尚待分配的带宽的映射关系；根据各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系、以及发射总功率与各用户尚待分配的带宽的映射关系，确定MIMO-OFDMA系统的能效优化函数，能效优化函数的自变量是各用户尚待分配的带宽；以各用户的可达速率下界不小于预设的最低速率阈值以及各用户分配到的带宽之和不大于MIMO-OFDMA系统的传输带宽为约束条件，求解上述能效优化函数，得到各用户分配到的带宽。
可选地，处理器20b在确定各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系时，具体用于：根据MIMO-OFDMA系统的上行信道的CSI矩阵以及各用户与发射设备之间的慢衰落系数，获取下行信道的CSI矩阵；对下行信道的CSI矩阵进行预编码，获得下行信道的预编码矩阵；根据MIMO-OFDMA系统的传输带宽包含的L个频率块和预编码矩阵，确定各用户的可达速率，L为正整数；根据各用户的可达速率和各用户尚待分配的带宽，确定各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系。
进一步，处理器20b在对下行信道的CSI矩阵进行预编码，获得下行信道的预编码矩阵时，具体用于：获取各用户在第l个频率块上的发射功率之和，其中，l＝1,2,...,L；根据最小均方误差预编码技术，计算下行信道上第l个频率块的预编码矩阵Fl为：
Figure GDA0001927895930000141
其中，Gl是下行信道的CSI矩阵中与第l个频率块对应的矩阵；
Figure GDA0001927895930000142
为Gl的共轭转置矩阵；pl为各用户在第l个频率块上的发射功率之和；I为与
Figure GDA0001927895930000143
维度相同的单位矩阵；K为MIMO-OFDMA系统中的用户总量。
相应地，处理器20b在确定各用户的可达速率时，具体用于：对公式
Figure GDA0001927895930000144
求期望，得到第k个用户在第l个频率块上的可达速率
Figure GDA0001927895930000145
其中，W为MIMO-OFDMA系统的总带宽；N0表示MIMO-OFDMA系统中的噪声功率；pl,k为第k个用户在第l个频率块上的发射功率；lb表示以2为底的对数。
进一步，处理器20b在根据各用户的可达速率和各用户尚待分配的带宽，确定各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系时，具体用于：采用詹森不等式对公式
Figure GDA0001927895930000151
求解，以获得第k个用户在第l个频率块上的可达速率下界
Figure GDA0001927895930000152
根据第k个用户在第l个频率块上的可达速率下界
Figure GDA0001927895930000153
以及表示第k个用户尚待分配的带宽所对应的待求频率块数量ak，确定第k个用户的可达速率下界rk与其尚待分配的带宽的映射关系为为
Figure GDA0001927895930000154
其中，β为
Figure GDA0001927895930000155
的期望；rk表示第k个用户的可达速率下界，ak表示第k个用户尚待分配的频率块的数量。
进一步，可选地，处理器20b在求解能效优化函数时，具体用于：对预设的最低速率阈值与各用户的在第l个频率块上的可达速率下界的比值向上取整，得到各用户分配到的频率块数量；若各用户分配到的频率块数量之和不大于L，则根据能效优化函数，调整各用户分配到的频率块数量，直至各用户分配到的频率块数量之和调整至大于L为止，并根据各用户在前一次分配到的频率块数量确定各用户分配到的带宽。
进一步，处理器20b在根据能效优化函数，调整各用户分配到的频率块数量时，具体用于：利用能效优化函数计算各用户在当前分配到的频率块上的第一能效以及各用户在当前分配到的频率块数量上增加第一指定数量个频率块后的第二能效；根据各用户的第一能效与第二能效的差值，从各用户中选出差值最大的用户；将选出的差值最大的用户当前分配到的频率块数量增加第一指定数量，其它用户当前分配到的频率块数量保持不变。
可选地，处理器20b在判断各用户分配到的频率块的数量是否大于L之前，还用于：从各用户中选出频率块数量最小的用户；将选出的频率块数量最小的用户当前分配到的频率块数量增加第二指定数量。
在一些可选实施方式中，如图2所示，该发射设备还可以包括：通信组件20c、电源组件20d等可选组件。图2中仅示意性给出部分组件，并不意味着发射设备必须包含图2所示全部组件，也不意味着发射设备只能包括图2所示组件。
其中，通信组件20c被配置为便于发射设备和其他设备之间有线或无线方式的通信。发射设备可以接入基于通信标准的无线网络，如WiFi，长期演进技术(Long TermEvolution，LTE)等其他无线网络，或它们的组合。在一个示例性实施例中，通信组件经由广播信道接收来自外部广播管理系统的广播信号或广播相关信息。在一个示例性实施例中，所述通信组件还可基于近场通信(NFC)技术，射频识别(RFID)技术，红外数据协会(IrDA)技术，超宽带(UWB)技术，蓝牙(BT)技术和其他技术来实现。
其中，电源组件20d被配置为发射设备的各种组件提供电力。电源组件20d可以包括电源管理系统，一个或多个电源，及其他与为电源组件所在设备生成、管理和分配电力相关联的组件。
本实施例提供的发射设备，针对MIMO-OFDMA系统的下行信道，可在满足各用户最低速率要求的基础上，进一步将各用户可占用的带宽之和不大于MIMO-OFDMA系统的传输带宽作为约束条件，从而建立起MIMO-OFDMA系统的能效优化模型。进一步，根据能效优化模型的约束条件，对MIMO-OFDMA系统的能效进行优化，将带宽合理的分配给各用户。这样，不仅可满足系统中各用户的最低速率要求，还可提高带宽的利用率，进而提高MIMO-OFDMA系统的性能，降低带宽资源的浪费。
图3为本申请实施例提供的一种带宽分配装置的结构示意图。该装置适用于MIMO-OFDMA系统。如图3所示，带宽分配装置30包括：第一确定模块30a、第二确定模块30b、第三确定模块30c以及求解模块30d。
其中，第一确定模块30a，用于：根据MIMO-OFDMA系统的下行信道的CSI和MIMO-OFDMA系统中各用户尚待分配的带宽，确定各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系。
第二确定模块30b，用于：根据各用户的发射功率和各用户尚待分配的带宽，确定MIMO-OFDMA系统所需的发射总功率与各用户尚待分配的带宽的映射关系。
第三确定模块30c，用于：根据各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系、以及发射总功率与各用户尚待分配的带宽的映射关系，确定MIMO-OFDMA系统的能效优化函数。其中，能效优化函数的自变量是各用户尚待分配的带宽。
求解模块30d，用于：以各用户的可达速率下界不小于预设的最低速率阈值以及各用户分配到的带宽之和不大于MIMO-OFDMA系统的传输带宽为约束条件，求解能效优化函数，得到各用户分配到的带宽。
可选地，第一确定模块30a在确定各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系时，具体用于：根据MIMO-OFDMA系统的上行信道的CSI矩阵以及各用户与发射设备之间的慢衰落系数，获取下行信道的CSI矩阵；对下行信道的CSI矩阵进行预编码，获得下行信道的预编码矩阵；根据MIMO-OFDMA系统的传输带宽包含的L个频率块和预编码矩阵，确定各用户的可达速率，L为正整数；根据各用户的可达速率和各用户尚待分配的带宽，确定各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系。
进一步，第一确定模块30a在对下行信道的CSI矩阵进行预编码，获得下行信道的预编码矩阵时，具体用于：获取各用户在第l个频率块上的发射功率之和，其中，l＝1,2,...,L；根据最小均方误差预编码技术，计算下行信道上第l个频率块的预编码矩阵Fl为：
Figure GDA0001927895930000171
其中，Gl是下行信道的CSI矩阵中与第l个频率块对应的矩阵；
Figure GDA0001927895930000172
为Gl的共轭转置矩阵；pl为各用户在第l个频率块上的发射功率之和；I为与
Figure GDA0001927895930000173
维度相同的单位矩阵；K为MIMO-OFDMA系统中的用户总量。
相应地，第一确定模块30a在确定各用户的可达速率时，具体用于：对公式
Figure GDA0001927895930000181
求期望，得到第k个用户在第l个频率块上的可达速率
Figure GDA0001927895930000182
其中，W为MIMO-OFDMA系统的总带宽；N0表示MIMO-OFDMA系统中的噪声功率；pl,k为第k个用户在第l个频率块上的发射功率；lb表示以2为底的对数。
进一步，第一确定模块30a在根据各用户的可达速率和各用户尚待分配的带宽，确定各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系时，具体用于：采用詹森不等式对公式
Figure GDA0001927895930000183
求解，以获得第k个用户在第l个频率块上的可达速率下界
Figure GDA0001927895930000184
根据第k个用户在第l个频率块上的可达速率下界
Figure GDA0001927895930000185
以及表示第k个用户尚待分配的带宽所对应的待求频率块数量ak，确定第k个用户的可达速率下界rk与其尚待分配的带宽的映射关系为为
Figure GDA0001927895930000186
其中，β为
Figure GDA0001927895930000187
的期望；rk表示第k个用户的可达速率下界，ak表示第k个用户尚待分配的频率块的数量。
进一步，可选地，求解模块30d在求解能效优化函数时，具体用于：对预设的最低速率阈值与各用户的在第l个频率块上的可达速率下界的比值向上取整，得到各用户分配到的频率块数量；若各用户分配到的频率块数量之和不大于L，则根据能效优化函数，调整各用户分配到的频率块数量，直至各用户分配到的频率块数量之和调整至大于L为止，并根据各用户在前一次分配到的频率块数量确定各用户分配到的带宽。
进一步，求解模块30d在根据能效优化函数，调整各用户分配到的频率块数量时，具体用于：利用能效优化函数计算各用户在当前分配到的频率块上的第一能效以及各用户在当前分配到的频率块数量上增加第一指定数量个频率块后的第二能效；根据各用户的第一能效与第二能效的差值，从各用户中选出差值最大的用户；将选出的差值最大的用户当前分配到的频率块数量增加第一指定数量，其它用户当前分配到的频率块数量保持不变。
可选地，求解模块30d在判断各用户分配到的频率块的数量是否大于L之前，还用于：从各用户中选出频率块数量最小的用户；将选出的频率块数量最小的用户当前分配到的频率块数量增加第二指定数量。
本实施例提供的带宽分配装置，针对MIMO-OFDMA系统的下行信道，可在满足各用户最低速率要求的基础上，进一步将各用户可占用的带宽之和不大于MIMO-OFDMA系统的传输带宽作为约束条件，从而建立起MIMO-OFDMA系统的能效优化模型。进一步，根据能效优化模型的约束条件，对MIMO-OFDMA系统的能效进行优化，将带宽合理的分配给各用户。这样，不仅可满足系统中各用户的最低速率要求，还可提高带宽的利用率，进而提高MIMO-OFDMA系统的性能，降低带宽资源的浪费。
需要说明的是，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种带宽分配方法，适用于多输入多输出的正交频分多址接入MIMO-OFDMA系统，其特征在于，包括：
根据所述MIMO-OFDMA系统的下行信道的信道状态信息CSI和所述MIMO-OFDMA系统中各用户尚待分配的带宽，确定所述各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系；
根据所述各用户的发射功率和所述各用户尚待分配的带宽，确定所述MIMO-OFDMA系统所需的发射总功率与所述各用户尚待分配的带宽的映射关系；
根据所述各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系、以及所述发射总功率与所述各用户尚待分配的带宽的映射关系，确定所述MIMO-OFDMA系统的能效优化函数，所述能效优化函数的自变量是所述各用户尚待分配的带宽；
以所述各用户的可达速率下界不小于预设的最低速率阈值、以及所述各用户分配到的带宽之和不大于所述MIMO-OFDMA系统的传输带宽为约束条件，求解所述能效优化函数得到所述各用户分配到的带宽。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述MIMO-OFDMA系统的下行信道的CSI和所述MIMO-OFDMA系统中各用户尚待分配的带宽，确定所述各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系，包括：
根据所述MIMO-OFDMA系统的上行信道的CSI矩阵以及所述各用户与发射设备之间的慢衰落系数，获取所述下行信道的CSI矩阵；
对所述下行信道的CSI矩阵进行预编码，获得所述下行信道的预编码矩阵；
根据所述MIMO-OFDMA系统的传输带宽包含的L个频率块和所述预编码矩阵，确定所述各用户的可达速率，L为正整数；
根据所述各用户的可达速率和所述各用户尚待分配的带宽，确定所述各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述下行信道的CSI矩阵进行预编码，获得所述下行信道的预编码矩阵，包括：
获取所述各用户在第l个频率块上的发射功率之和，其中，l＝1,2,...,L；
根据最小均方误差预编码公式，计算所述下行信道上第l个频率块的预编码矩阵
Figure FDA0001893777860000021
其中，Gl是所述下行信道的CSI矩阵中与第l个频率块对应的矩阵；
Figure FDA0001893777860000022
为Gl的共轭转置矩阵；pl为各用户在第l个频率块上的发射功率之和；I为与
Figure FDA0001893777860000023
维度相同的单位矩阵；K为所述MIMO-OFDMA系统中的用户总量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述MIMO-OFDMA系统的传输带宽包含的L个频率块和所述预编码矩阵，确定所述各用户的可达速率，包括：
对公式
Figure FDA0001893777860000024
求期望，得到第k个用户在第l个频率块上的可达速率
Figure FDA0001893777860000025
其中，W为所述MIMO-OFDMA系统的总带宽；N0表示所述MIMO-OFDMA系统中的噪声功率；pl,k为所述第k个用户在第l个频率块上的发射功率；lb表示以2为底的对数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述各用户的可达速率和所述各用户尚待分配的带宽，确定所述各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系，包括：
采用詹森不等式对公式
Figure FDA0001893777860000031
求解，以获得第k个用户在第l个频率块上的可达速率下界
Figure FDA0001893777860000032
根据所述第k个用户在所述第l个频率块上的可达速率下界
Figure FDA0001893777860000033
以及表示所述第k个用户尚待分配的带宽所对应的待求频率块数量，确定所述第k个用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系为
Figure FDA0001893777860000034
其中，β为
Figure FDA0001893777860000035
的期望；rk表示第k个用户的可达速率下界，ak表示第k个用户尚待分配的频率块的数量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述以所述各用户的可达速率下界不小于预设的最低速率阈值以及所述各用户分配到的带宽之和不大于所述MIMO-OFDMA系统的传输带宽为约束条件，求解所述能效优化函数得到所述各用户分配到的带宽，包括：
对所述预设的最低速率阈值与所述各用户的在第l个频率块上的可达速率下界的比值向上取整，得到所述各用户分配到的频率块数量；
计算所述各用户分配到的频率块数量之和；
若所述各用户分配到的频率块数量之和不大于L，则根据所述能效优化函数，调整所述各用户分配到的频率块数量，直至所述各用户分配到的频率块数量之和调整至大于L为止，并根据所述各用户在前一次分配到的频率块数量确定所述各用户分配到的带宽。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述能效优化函数，调整各用户分配到的频率块数量，包括：
利用所述能效优化函数计算所述各用户在当前分配到的频率块上的第一能效以及所述各用户在当前分配到的频率块数量上增加第一指定数量个频率块后的第二能效；
根据所述各用户的第一能效与第二能效的差值，从所述各用户中选出差值最大的用户；
将差值最大的用户当前分配到的频率块数量增加所述第一指定数量，其它用户当前分配到的频率块数量保持不变。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在判断所述各用户分配到的频率块的数量是否大于L之前，还包括：
从所述各用户中选出频率块数量最小的用户；
将频率块数量最小的用户当前分配到的频率块数量增加第二指定数量。
9.一种带宽分配装置，适用于MIMO-OFDMA系统，其特征在于，包括：第一确定模块、第二确定模块、第三确定模块以及求解模块；其中，
所述第一确定模块，用于：根据所述MIMO-OFDMA系统的下行信道的CSI和所述MIMO-OFDMA系统中各用户尚待分配的带宽，确定所述各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系；
所述第二确定模块，用于：根据所述各用户的发射功率和所述各用户尚待分配的带宽，确定所述MIMO-OFDMA系统所需的发射总功率与所述各用户尚待分配的带宽的映射关系；
所述第三确定模块，用于：根据所述各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系、以及所述发射总功率与所述各用户尚待分配的带宽的映射关系，确定所述MIMO-OFDMA系统的能效优化函数，所述能效优化函数的自变量是所述各用户尚待分配的带宽；
所述求解模块，用于：以所述各用户的可达速率下界不小于预设的最低速率阈值、以及所述各用户分配到的带宽之和不大于所述MIMO-OFDMA系统的传输带宽为约束条件，求解所述能效优化函数得到所述各用户分配到的带宽。
10.一种发射设备，应用于MIMO-OFDMA系统，其特征在于，包括：存储器和处理器；其中，所述存储器，用于存储计算机程序；
所述处理器，用于耦合所述存储器，以执行所述计算机程序，以用于：
根据所述MIMO-OFDMA系统的下行信道的CSI和所述MIMO-OFDMA系统中各用户尚待分配的带宽，确定所述各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系；
根据所述各用户的发射功率和所述各用户尚待分配的带宽，确定所述MIMO-OFDMA系统所需的发射总功率与所述各用户尚待分配的带宽的映射关系；
根据所述各用户的可达速率下界与其尚待分配的带宽的映射关系、以及所述发射总功率与所述各用户尚待分配的带宽的映射关系，确定所述MIMO-OFDMA系统的能效优化函数，所述能效优化函数的自变量是所述各用户尚待分配的带宽；
以所述各用户的可达速率下界不小于预设的最低速率阈值、以及所述各用户分配到的带宽之和不大于所述MIMO-OFDMA系统的传输带宽为约束条件，求解所述能效优化函数得到所述各用户分配到的带宽。
11.一种存储有计算机指令的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机指令被一个或多个处理器执行时，致使所述一个或多个处理器执行权利要求1-8任一项所述方法中的步骤。
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