专利名称：一种信道矩阵秩的测量方法、装置、终端的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种应用于3GPP LTE (Long TermEvolution)系统终端的信道矩阵秩的测量方法、装置、终端。
背景技术：
为提高无线通信系统中的数据传输速率，在未来的无线通信系统-LTE系 统中引入了 MIMO ( Multiple-Input Multiple-Output,多输入多输出)技术， MIMO技术是根据多个天线之间传输信道的不相关特性来提高传输速率的。这 就意味着MIMO技术可以在同一频率同时传输多个并行的数据流，并行数据 流之间通过信道矩阵的不相关性来区别，因此MIMO系统中能同时并行传输 的数据流个数取决于信道矩阵中线性无关的向量的个数，也即取决于信道矩阵 的秩的大小。
MIMO技术中，发送信号，接收信号和信道矩阵的关系可用如下公式简单 表示二
式中，R表示接收天线个数，T表示发送天线个数。H为信道矩阵，X为 发送的信号向量，Y为接收的信号向量。
在无线信道中，信道情况是实时变化的，因此在使用MIMO技术传输的 情况下，终端必须时时将信道矩阵秩的信息反馈给基站，这样基站就可以根据 当前信道矩阵秩的情况决定并行发送数据流的个数。系统中，这一信息被称作 RI (RankIndex )。
目前的无线通信系统终端一般采用单根发送天线和单根接收天线来进行 数据的传输，这种收发方式最多只能传输一个数据流。但是，对于采用多根天 线的终端来说，如何准确传输更多的数据流成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种信道矩阵秩的测量方法、装置、终端，以提高在 同 一频率同时传输的并行数据流的个数。本发明的信道矩阵秩的测量方法包括
步骤
根据无线通信系统的终端天线收到的来自基站的相关信息计算得到的信
道矩阵H生成埃尔米特矩阵A;
利用所述埃尔米特矩阵A构造具有非负实数的特征值的方程组； 计算所述方程组的根，从而得到所述信道矩阵H的特征值； 根据所述特征值判断所述信道矩阵H的秩，以使基站根据所述秩来决定向
所述终端发送的数据流的个数。
所述无线通信系统的天线配置具体包括四发四收或两发两收或两发四收
或四发两收。
所述无线通信系统的天线为四发四收时，所述生成埃尔米特矩阵A的步 骤具体为
」4" = "^4x4 X "^4x4 ^
其中，//4>/为//4,4的共轭转置矩阵；
所述无线通信系统的天线配置为两发两收或两发四收或四发两收时，所述 生成埃尔米特矩阵A的步骤具体为根据所述信道矩阵H计算维数较小的埃 尔米特矩阵A，即，如果R<T,则^2=//^><
否贝lj, ^2x2=//M' X^ x7';
其中，
R为接收天线个数； T为发送天线个数。
所述无线通信系统的天线配置为四发四收时，所述构造具有非负实数的特 征值的方程组的步骤具体为利用I/II-A卜0,构造一个一元四次方程组，其中 I为4x4的单位阵，假设4^为<formula>formula see original document page 8</formula>
则|义1 — A| = 0具体为
<formula>formula see original document page 8</formula>
即所述一元四次方程组为A4 + "3义3 + "2A2 + "J + o。 = 0 ,其中方程各次项G。 ~ * 按照常规的行列式计算得到；
所述无线通信系统的天线配置为两发两收或两发四收或四发两收时，所述 构造具有非负实数的特征值的方程组的步骤具体为利用I义I-A| = 0,构造一个 一元二次方程，其中I为2x2的单位阵，假设4,为
r22.
lAI-A卜O具体为:
"2 J 厂22 —义
o,
艮卩戶斤述一元二)欠方矛呈为zi2 +a;l+c = o ,
其中，6 = -(ru+r22), c = (ruw2l)。
所述无线通信系统的天线配置为四发四收时，所述得到所述信道矩阵H的 特征值的步骤具体为
采用费拉里解法对一元四次方程/+。323+"2^+^;1+"。-o进行求解，得到矩 阵A的四个特征值分别为m^;
所述无线通信系统的天线配置为两发两收或两发四收或四发两收时，所述
得到所述信道矩阵H的特征值的步骤具体为
才艮据韦达定理解出矩阵A的两个特4正值义'o,丄，
其中，<formula>formula see original document page 9</formula>乂i =-。
2
所述无线通信系统的天线配置为四发四收时，所述判断所述信道矩阵H的 秩的步骤具体为
将四个特征值义。,^, ， ^由大到小排序得到义,。,义,,，义d ,按照如下方法进 行秩的判断 A.,
如果( 、
否则，如果(
> A),则所述信道矩阵H的秩为1;
A)，则所述信道矩阵H的秩为2;
否则，如果(
A)，则所述信道矩阵H的秩为3;
>
A)，则所述信道矩阵H的秩为1;
A,:
否则，所述信道矩阵H的秩为4;
所述无线通信系统的天线配置为两发两收或两发四收或四发两收时，所述 判断所述信道矩阵H的秩的步骤具体为
否则，所述信道矩阵H的秩为2;
其中，A为所述埃尔米特矩阵A的条件数门限。
利用信道矩阵计算其对应的埃尔米特矩阵，并进一步利用埃尔米特矩阵构 造一元四/二次方程，并利用费拉里算法/韦达定理解出该方程的根，即信道矩 阵的特征值，最后利用特征值来判断矩阵的秩。
本发明还提供了一种信道矩阵秩的测量装置，包括
埃尔米特矩阵生成模块，用于根据无线通信系统的终端天线收到的来自基 站的相关信息计算得到的信道矩阵H生成埃尔米特矩阵A;
方程生成模块，用于利用所述埃尔米特矩阵A生成具有非负实数的特征 值的方程组；特征值计算模块，用于根据所述方程组计算所述信道矩阵H的特征值； 矩阵秩判断模块，用于根据所述特征值判断信道矩阵H的秩，以使基站
根据所述秩来决定向终端发送的数据流的个数。
所述无线通信系统的天线配置具体包括四发四收或两发两收或两发四收 或四发两收。
所述无线通信系统的天线配置为四发四收时，计算所述信道矩阵H的特 征值的方法为费拉里解法；
所述无线通信系统的天线配置为两发两收或两发四收或四发两收时，计算 所述信道矩阵H的特征值的方法为韦达定理。
本发明还提供了一种终端，包括信道矩阵秩的测量装置，所述测量装置 包括
埃尔米特矩阵生成模块，用于根据无线通信系统的终端天线收到的来自基 站的相关信息计算得到的信道矩阵H生成埃尔米特矩阵A;
方程生成模块，用于利用所述埃尔米特矩阵A生成具有非负实数的特征 值的方程组；
特征值计算模块，用于根据所述方程组计算所述信道矩阵H的特征值； 矩阵秩判断模块，用于根据所述特征值判断信道矩阵H的秩，以使基站 根据所述秩来决定向所述终端发送的数据流的个数。 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果
本发明利用信道矩阵构造出一个特征值均为非负实数的矩阵，并通过对该 矩阵求解，得到该矩阵的秩。本发明可用于具有四发四收天线的无线通信系统 的终端，能够测得四阶矩阵的秩，这样基站可以根据当前信道矩阵秩的情况决 定并行发送数据流的个数，从而提高了在同 一频率同时传输多个并行数据流的 个数。本发明的方法同时也适用于具有两发两收、四发两收和两发四收天线的 无线通信系统的终端。
图1为本发明的信道矩阵秩的测量方法流程图； 图2为本发明的信道矩阵秩的测量装置示意图。
10
具体实施例方式
矩阵的秩等于该矩阵不为0的特征值的个数，因此只要计算出矩阵的特征 值就可以计算出矩阵的秩。而对于特征值的计算可以转换为对复数方程一元N
次方程l;ii-H卜o求解的问题。值得注意的是对于一元四次和四次以下的一般实
数(不是复数)代数方程的求根公式都是存在的，例如对于一元四次方程可采 用费拉里解法，对于一元三次方程可采用卡当^^式，对于一元二次方程则可以 用大家所熟知的韦达定理。对于四次以上的代数方程则没有固定的求根公式。 上面所提及的三种方程解法都是针对实数而言的，而信道矩阵却是一个复数矩 阵，并不能直接应用上述求根公式。
本发明才艮据矩阵H与A-H"H具有相同的秩，且A的特征值都是非负实数 这一原理，可将信道矩阵H秩的计算转化为对实数的一元N次方程- A| = 0根 的求解。
下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步详细说明。
参考图1,图1为本发明的信道矩阵秩的测量方法流程图，包括步骤
步骤1，根据无线通信系统的终端天线收到的来自基站的相关信息计算得
到的信道矩阵H生成埃尔米特矩阵A;
步骤2,利用埃尔米特矩阵构造具有非负实数的特征值的方程组；
步骤3,计算方程组的根，从而得到信道矩阵H的特征值；
步骤4,根据特征值判断信道矩阵H的秩，以使基站根据所述秩来决定向
终端发送的数据流的个数。
得到信道矩阵H的秩之后，基站就可以根据信道矩阵H的秩决定并行传
输的数据流的个数。
下面分别针对LTE系统中，MIMO收发天线配置的两发两收、四发两收、
两发四收和四发四收四种情况，对上述步骤的实施过程进行详细说明。这里的
m发n收是指m是基站侧的发送天线个数，n是指终端侧的接收天线个数。 步骤1:
对于四发四收这种情况，按如下方式操作假设信道矩阵/^4 =
/z …
…
,则4^/^/x仏"，当然，矩阵44也
可以利用//4x4 ><//4)/得到，即44 =//4x4 x//4x/ 这里表示矩阵( )的共轭转置。
设矩阵j4x4由如下元素构成=
对于两发两收、四发两收、两发四收这三种情况，按照如下方式操作
/7jl …
。2。35
r4l~2r4
假设信道矩阵//^,=
/2… /2
如果R〈T,贝'J 42=^M-X^>/
否则，J2x2=//ffx/x//M.
这里( )"表示矩阵(,)的共轭转置，min(凡r) = 2 设矩阵4,2由如下元素构成
4x2 =
r21 r22.
步骤2:
对于四发四收这种情况，按如下方式操作
根据I/II-A卜0来构造一个一元四次方程组。其中I为4x4的单位阵，具体
为
rU _ ^ ri2 "13 ri4
厂32"33-/1 7"34
"41 "42 A"43 /"44 — /1
0， wy+a^+Af+ai/l + ao =0 ,其中方程各次
项A "3可按照常规的行列式计算得到。
对于两发两收、四发两收、两发四收这三种情况，按照如下方式操作根据l;ii-Al-o来构造一个一元二次方程组。其中I为2x2的单位阵，具体
为
厂 _2 。2
步骤3:
0,即义2+M + c-0,其中6 = —0",，+^2)， c = ",22 — 。,21)
对于四发四收这种情况，按如下方式操作
采用费拉里解法计算方程/+"3"+。2义2+"'义+ "。=0的四个根。具体包括以 下两个步骤
第一步，通过解一元三次方程计算配平参数"。 计算如下一元三次方程的根。
_y3 — a2_y2 + (fl^flf! — 4a0 )少+ 0 (4o2 — a32) _ fl, =0
为表达简便起见，将上式改写成
少3 + 62少2 + "少+ & = 0
其中，62 = -a2A = (a3A -4a0),60 = fl0(4o2 _o32)-^2 。 计算变量p和q:
P =" 一丄
yQ27 3 计算变量u, v:
w =
V =
3 V
y F 27_《.
w 27
u和v均取实数的三次方根。
少o =w + v —f ,j^ =we + ve 一f ,少2 = ve + we — f
其中,
'T
13第二步，构造两个一次方程。
将上述一元三次方程的任一实根带入如下两个方程:
/- 一^_
A2 + t v ., . -jZ^ + (丄十 z ) = 0
2 2 2、/4y + a,2 _化
义2+ 3 3-^ + (t — ~, ) = 0
2
利用韦达定理可解出方程的两个一元二次方程的四个根分别为
对于两发两收、四发两收、两发四收这三种情况，可直接根据韦达定理解
出特征值;i'。、 A'i:
一6 + vV -4c
〖=
一6-W _4c
步骤4:在实际应用中进行秩的判断时，由于信号不可避免地受到噪声影 响，所以不会出现某(几)个特征值恰好为0的情况，这时使用条件数来进行 秩的判断往往更有效。
对于四发四收这种情况，按如下方式操作
将四个特征值由大到j、排序得到a,。 ,,义,2, a,3,按照如下方法进行秩的判
断
如果(
凡
70
>
A),则矩阵a的秩为1，即信道矩阵h的秩为1;
否则，如果(
否则，如果(
1
A,
凡
'/0
>
>
A),则矩阵a的秩为2，即信道矩阵h的秩为2;
A)，则矩阵a的秩为3,即信道矩阵h的秩为3;
否则，矩阵a的秩为4，即信道矩阵h的秩为《对于两发两收、四发两收、两发四收这三种情况，按照如下方式操作
如果(
>
A),则矩阵A的秩为l,即信道矩阵H的秩为1;
否则，矩阵A的秩为2，即信道矩阵H的秩为2。
这里A为矩阵A的条件数门限。条件数越高表示矩阵越不稳定，也就是越 接近于奇异矩阵，该门限应该是一个比较大的值。
本发明还提供了一种信道矩阵秩的测量装置，参考图2所示，图2为本 发明的信道矩阵秩的测量装置示意图，包括
埃尔米特矩阵生成模块，用于根据无线通信系统的终端天线收到的来自基 站的相关信息计算得到的信道矩阵H生成埃尔米特矩阵A;
方程生成模块，用于利用埃尔米特矩阵A构造具有非负实数的特征值的 方程组；
特征值计算模块，用于根据方程组计算信道矩阵H的特征值； 矩阵秩判断模块，根据特征值判断信道矩阵H的秩，以使基站根据所述 秩来决定向终端发送的数据流的个数。
每一个模块的具体实现方法分别对应于上文中的步骤1 ~4 。
总之，本发明利用信道矩阵生成具有非负实数的特征根的新矩阵，并根据 生成的新矩阵构造了 一元四次或一元二次方程，然后根据方程的系数确定信道 矩阵的秩。从而使得基站可以根据一元四次或一元二次方程确定的秩来决定终 端并行发送数据流的个数，提高了同时传输并行数据流的个数。本发明不仅适 用于具有四发四收天线的无线通信系统的终端，也同样适用于具有四发两收，
两发四收，两发两收的情况，适用范围较广泛。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种信道矩阵秩的测量方法，其特征在于，包括以下步骤根据无线通信系统的终端天线收到的来自基站的相关信息计算得到的信道矩阵H生成埃尔米特矩阵A；利用所述埃尔米特矩阵A构造具有非负实数的特征值的方程组；计算所述方程组的根，从而得到所述信道矩阵H的特征值；根据所述特征值判断所述信道矩阵H的秩，以使基站根据所述秩来决定向所述终端发送的数据流的个数。
2. 如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述无线通信系统的天线配置具体包括四发四收或两发两收或两发四收或四发两收。
3. 如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述无线通信系统的天 线为四发四收时，所述生成埃尔米特矩阵A的步骤具体为其中，/^4"为/^4的共轭转置矩阵；所述无线通信系统的天线配置为两发两收或两发四收或四发两收时，所述 生成埃尔米特矩阵A的步骤具体为根据所述信道矩阵H计算维数较小的埃尔米特矩阵A,即，如果R<T,则42=/^,></^/;否则，42 = ^其中，R为接收天线个数； T为发送天线个数。
4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述无线通信系统的天线 利用A| = 0 ,构造一个一元四次方程组，其中I为4x4的单位阵，假设J^为二ril 。2 。3 "14r21 r22 "23 r24r3l ,32 ,33 厂34A*42 r44A卜0具体为。1 _ ^ ri2 。3 ri4r31 r32 r33 —. ^ 。4r43 "44 —义=0即所述一元四次方程组为A4 +"3" +fl2A2 +^A + "。 = 0 ,其中方程各次项a。 ~ & 按照常规的行列式计算得到；所述无线通信系统的天线配置为两发两收或两发四收或四发两收时，所述 构造具有非负实数的特征值的方程组的步骤具体为利用l/ll-A卜0,构造一个 一元二次方程，其中I为2x2的单位阵，假设j^为/42x2r21 r22则|义1-A卜O具体为"21 r22 一 A=0 ，艮卩戶斤述一元二)欠方禾呈为义2 + za + c = o,其中，& = +r22), c二(/nW2,)。
5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述无线通信系统的天线 配置为四发四收时，所述得到所述信道矩阵H的特征值的步骤具体为采用费拉里解法对一元四次方程"+"^+A"+a,义+ A-0进行求解，得到矩 阵A的四个特征值分别为^, , &, ^;所述无线通信系统的天线配置为两发两收或两发四收或四发两收时，所述 得到所述信道矩阵H的特征值的步骤具体为根据韦达定理解出矩阵A的两个特征值义'o,义',，其中，一6 + i2 —4c
6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述无线通信系统的天线配置为四发四收时，所述判断所述信道矩阵H的秩的步骤具体为将四个特征值H ^ ， 由大到小排序得到/1,。, , 4 ，义,3,按照如下方法进 行秩的判断如果(<formula>formula see original document page 4</formula>△),则所述信道矩阵H的秩为1;否则，如果(否则，如果(<formula>formula see original document page 4</formula>A)，则所述信道矩阵H的秩为2;A)，则所述信道矩阵H的秩为否则，所述信道矩阵H的秩为4;所述无线通信系统的天线配置为两发两收或两发四收或四发两收时，所述 判断所述信道矩阵H的秩的步骤具体为如果(>A)，则所述信道矩阵H的秩为1;否则，所述信道矩阵H的秩为2;其中，A为所述埃尔米特矩阵A的条件数门限。利用信道矩阵计算其对应的埃尔米特矩阵，并进一步利用埃尔米特矩阵构 造一元四/二次方程，并利用费拉里算法/韦达定理解出该方程的根，即信道矩 阵的特征值，最后利用特征值来判断矩阵的秩。
7. —种信道矩阵秩的测量装置，其特征在于，包括埃尔米特矩阵生成模块，用于根据无线通信系统的终端天线收到的来自基 站的相关信息计算得到的信道矩阵H生成埃尔米特矩阵A;方程生成模块，用于利用所述埃尔米特矩阵A生成具有非负实数的特征 值的方程组；特征值计算模块，用于根据所述方程组计算所述信道矩阵H的特征值； 矩阵秩判断模块，用于根据所述特征值判断信道矩阵H的秩，以使基站 根据所述秩来决定向终端发送的数据流的个数。
8. 如权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述无线通信系统的天线配置具体包括四发四收或两发两收或两发四收或四发两收。
9. 如权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述无线通信系统的天 线配置为四发四收时，计算所述信道矩阵H的特征值的方法为费拉里解法；所述无线通信系统的天线配置为两发两收或两发四收或四发两收时，计算 所述信道矩阵H的特征值的方法为韦达定理。
10. —种终端，包括信道矩阵秩的测量装置，其特征在于，所述测量装 置包括埃尔米特矩阵生成模块，用于根据无线通信系统的终端天线收到的来自基 站的相关信息计算得到的信道矩阵H生成埃尔米特矩阵A;方程生成模块，用于利用所述埃尔米特矩阵A生成具有非负实数的特征 值的方程组；特征值计算模块，用于根据所述方程组计算所述信道矩阵H的特征值； 矩阵秩判断模块，用于根据所述特征值判断信道矩阵H的秩，以使基站 根据所述秩来决定向所述终端发送的数据流的个数。
全文摘要
本发明提供了一种信道矩阵秩的测量方法、装置、终端，其中的方法包括根据无线通信系统的终端天线收到的来自基站的相关信息计算得到的信道矩阵H生成埃尔米特矩阵A；利用埃尔米特矩阵A构造具有非负实数的特征值的方程组；计算方程组的根，从而得到信道矩阵H的特征值；根据特征值判断信道矩阵H的秩，以使基站根据秩来决定向终端发送的数据流的个数。本发明可用于具有四发四收天线的无线通信系统的终端，能够测得四阶矩阵的秩，这样基站可以根据当前信道矩阵秩的情况决定并行发送数据流的个数，从而提高了在同一频率同时传输多个并行数据流的个数。本发明的方法同时也适用于具有两发两收、四发两收和两发四收天线的无线通信系统的终端。
文档编号H04B7/04GK101599789SQ20091008847
公开日2009年12月9日 申请日期2009年7月2日 优先权日2009年7月2日
发明者冯心睿, 牟秀红, 许百成 申请人:北京天碁科技有限公司