专利名称：基于双接收天线的信道矩阵秩的估算方法、装置和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及空间信道矩阵秩的估算技术，特别是指一种基于双接收天线的信道矩阵秩的估算方法、装置和系统。
背景技术：
在无线通信技术中，预编码(Pre-coding)是指在发射端已知信道状态信息(CSI，Channel State Information)情况下，对信号进行预处理，其目的是为了降低系统误比特率或提高系统的容量等性能。预编码降低了系统设计的复杂度，同时也降低了发射端与用户终端(UE)之间的相互干扰，提升了终端UE解调接收信号的性能，因而预编码是提升正交频分复用(OFDM-MIMO，OrthogonalFrequency Division Multi)系统性能的关键技术之一。
现有技术中，常用的预编码技术包括汤姆林森-哈拉希玛预编码(THP，Tomlinson-Harashima Precoding)，该编码技术在完全已知信道状态信息的情况下，能够达到完全消除信元间干扰(ISI)和子载波间干扰(ICI)的目的；但THP预编码在获取的信道状态信息不准确的情况下，性能损失比较严重。针对THP预编码的缺陷提出的消除ICI的方法，需要假设已知信道各个多径幅度，而且不考虑ISI对预编码的影响；对于ISI则利用冗余FIR数字滤波器消除，或者使用线性空时编码预编码的方法消除ISI，但该方法需要完全已知信道状态信息。在给定Codebook的Pre-coding MIMO系统中，终端UE基于不同的准则选择Pre-coding的向量，例如，分别根据吞吐量、信干噪比或者误帧率等所选择的Pre-coding向量有可能不一样，这会使得UE通过反向链路向基站NodeB传输秩与偏好矩阵指数(PMI，Prefer Matrix Index)时，不仅影响NodeB的预编码功能，而且也影响整个系统的性能与实现预编码的复杂度。
基于传统预编码技术的双接收天线系统，存在如下诸多问题 对空间信道矩阵H的秩进行估计，理论上可以通过高斯消元法实现，但是算法本身不具有鲁棒性；特别是空间信道矩阵的元素为复数的情况下，算法实现过于复杂，而且算法的鲁棒性不理想。
针对双接收天线的情况，目前多采用二元一次方程求解的方法，先求空间信道矩阵H的相关矩阵H*HH，然后使用传统求特征值的方法进行求解得到相关矩阵的特征值，最后，通过判断特征值的条件数，得到通信中的有效秩。但是，这种方法也是相对比较复杂的，同时，也涉及到特征值的行列式方程的求解。
因此发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在如下问题预编码过程中，对秩进行估算所采用的算法的复杂度较高，影响了系统的性能；其中一些算法对系统不具有比较强的鲁棒性、稳定性和准确性，从而影响了算法在实际中的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于双接收天线的信道矩阵秩的估算方法、装置和系统，用于实现在减少终端UE对信道的秩RI进行估算的复杂度，同时提升系统的性能。
一种基于双接收天线的信道矩阵秩的估算方法，包括获取二阶信道矩阵H的相关矩阵；对所述相关矩阵进行相似变换，获取所述相关矩阵对应的二阶实对称矩阵；对所述二阶实对称矩阵进行雅克比旋转，得到所述二阶实对称矩阵的对角矩阵，获取该对角矩阵的特征值；根据所述特征值获取所述相关矩阵的条件数，根据所述条件数获取所述二阶信道矩阵的秩。
一种基于双接收天线对信道矩阵秩进行估算的装置，包括相关矩阵单元，用于计算二阶信道矩阵H的相关矩阵R；矩阵变换单元，用于对所述相关矩阵R进行相似变换，计算所述相关矩阵R对应的二阶实对称矩阵；雅克比旋转单元，用于对所述二阶实对称矩阵进行雅克比旋转，得到所述二阶实对称矩阵的对角矩阵；矩阵秩估算单元，用于计算该对角矩阵的特征值，根据所述特征值计算所述相关矩阵R的条件数，根据所述条件数计算所述二阶信道矩阵的秩。
一种基于双接收天线对信道矩阵秩进行估算的系统，包括移动终端、基站；所述移动终端接收到来自基站的信道状态信息之后；所述移动终端计算二阶信道矩阵H的相关矩阵R；对所述相关矩阵R进行酉矩阵的相似变换，计算所述R对应的二阶实对称矩阵；对所述二阶实对称矩阵进行雅克比旋转，得到所述二阶实对称矩阵的对角矩阵，计算该对角矩阵的特征值；根据所述特征值计算所述相关矩阵R的条件数，根据所述条件数计算所述二阶信道矩阵的秩。
本发明的实施例具有以下有益效果，只需要通过矩阵相乘将一个相关矩阵(二阶共轭复数矩阵)相似变换成为一个二阶实数对称矩阵，然后求对角矩阵，这个过程可以直接计算得到相关矩阵的两个特征值，从而得到最后的有效秩。在对双接收天线的二阶信道矩阵的秩进行有效估计的过程中，通过改进算法减少了运算复杂度，因而降低了系统设计的复杂度，而且算法本身具有很强的鲁棒性。
图1为本发明实施例方法流程示意图一； 图2为本发明实施例方法流程示意图二； 图3为本发明实施例方法流程示意图三； 图4为本发明实施例装置结构示意图； 图5为本发明实施例仿真比较三种算法求条件数过程中的准确性示意图； 图6为本发明实施例仿真比较三种算法求条件数过程中的鲁棒性示意图； 图7为本发明实施例仿真比较三种算法求条件数过程中抗扰动性示意图。
具体实施例方式 为使本发明的目的、技术特征和实施效果更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细描述。本发明提供的实施例中，提供了对双接收天线信道矩阵的秩进行估算的技术。
本实施例中，提供一种基于双接收天线的信道矩阵秩的估算方法，如图1所示，包括 步骤101.计算二阶信道矩阵H的相关矩阵R； 步骤102.对所述相关矩阵R进行相似变换，计算所述R对应的二阶实对称矩阵； 步骤103.对所述二阶实对称矩阵进行雅克比(Jacobi)旋转得到所述二阶实对称矩阵的对角矩阵，计算该对角矩阵的特征值； 步骤104.根据所述特征值获取所述相关矩阵的条件数，对所述条件数进行判定得到所述二阶信道矩阵的秩。
应用本实施例提供的技术，只需要通过矩阵相乘将一个相关矩阵(二阶共轭复数矩阵)相似变换成为一个二阶实数对称矩阵，然后求对角矩阵，这个过程可以直接计算得到相关矩阵的两个特征值，从而得到最后的有效秩。在对双接收天线的二阶信道矩阵的秩进行有效估计的过程中，通过改进算法减少了运算复杂度，因而降低了系统设计的复杂度，而且算法本身具有很强的鲁棒性。
为帮助本领域技术人员更好的实现本发明实施例的技术，以下对其优选实施例进行介绍，如图2所示，具体步骤包括 步骤201.存在一个二阶信道矩阵H，求该二阶信道矩阵H的相关矩阵R即，R＝H*HH， 其中，HH表示矩阵H的共轭转置，在R中，r12＝r21，k12＝-k21。
步骤202.对R进行相似变换，具体采用酉矩阵对R进行相似变换，酉矩阵如下 由此可以算出二阶实对称矩阵A (3)，其中|a12|＝|a21|，且|a12|，|a21|分别是a12和a21的绝对值。
步骤203.对A进行双边Jacobi旋转，求对应的对角矩阵A(2)，该对角矩阵是一个实正交矩阵，其中 sin2θ+cos2θ＝1(4)其中θ满足0≤θ≤π/2，使得sinθ以及cosθ均为小于1的正数； 则对角矩阵A(2) 雅可比旋转是用来计算实对称矩阵A的全部特征值及其相应特征向量的一种变换方法。Jacobi方法的基本思想是通过至少一次正交变换，将A中的一对非零的非对角元素化成零并且使得非对角元素的平方和在旋转之后减小。为方便技术人员的理解，本步骤中仅描述了对A只进行一次双边Jacobi旋转。
步骤204.计算得到相关矩阵R＝H*HH的特征值。
应用本实施例提供的方法，先利用酉矩阵对相关矩阵R(一个共轭复数矩阵)进行相似变换，使其变换成一个二阶实对称矩阵A，然后对该二阶实对称矩阵进行双边Jacobi旋转把该二阶实对称矩阵变换成为一个二阶对角矩阵，根据该二阶对角矩阵获得特征值。
本实施例中，对所提供的技术方案中，如何对二阶实对称矩阵A进行双边Jacobi旋转作进一步的优化，如图3所示，包括 步骤301.根据二阶信道矩阵H计算其相关矩阵R； 其计算结果如式(1)。
步骤302.计算相关矩阵R＝H*HH中，元素r12的绝对值c； 步骤303.根据双边Jacobi旋转算法的原理，计算所需参数labat，t的值 labta＝(r22-r11)/(2c) 步骤304.计算相关矩阵R＝H*HH的特征值 a11＝r11-c×t a22＝r22-c×t(7) 步骤305.计算相关矩阵R＝H*HH的条件数 cond_num＝max(a11，a22)/min(a11，a22)(8) 步骤306.根据通信系统的不同要求，对条件数设置一个门限值ξ，对二阶信道矩阵H的秩进行判断，如下 if(cond_num)＞ξ rank＝1； else rank＝2；(9) 通过上述方法，得到相关矩阵R的特征值，并根据特征值计算出相关矩阵R的条件数，进一步根据条件数得到二阶信道矩阵的秩。
与方法对应地，本发明实施例还提供了一种基于双接收天线对信道矩阵秩进行估算的装置，如图4所示，包括 相关矩阵单元401，用于计算二阶信道矩阵H的相关矩阵R； 矩阵变换单元402，用于对所述相关矩阵R进行相似变换，计算所述R对应的二阶实对称矩阵； 雅克比旋转单元403，用于对所述二阶实对称矩阵进行雅克比旋转，得到所述二阶实对称矩阵的对角矩阵； 矩阵秩估算单元404，用于计算该对角矩阵的特征值，根据所述特征值计算所述相关矩阵R的条件数，根据所述条件数计算所述二阶信道矩阵的秩。
应用本实施例提供的技术，先将一个二阶共轭复数矩阵A通过相似变换成为一个二阶实数对称矩阵，该步骤只需要计算矩阵相乘的结果R；然后求对角矩阵，这个过程可以直接计算得到相关矩阵H*HH的两个特征值，从而得到最后的有效秩。通过对双接收天线的二阶信道矩阵H进行有效估计，通过改进算法推导和演化的过程，减少系统对秩算法运算复杂度，降低了系统设计的复杂度，而且算法本身具有很强的鲁棒性、实用性。
在装置中，所述矩阵变换单元402具体为一酉矩阵变换单元，用于以酉矩阵T对所述相关矩阵R进行相似变换； 其中，所述(1)，且r12＝r21，k12＝-k21 所述酉矩阵(2)，则经过所述相似变换后，得到 二阶实对称矩阵 在装置中，雅克比旋转单元403具体为，雅克比一次旋转单元，用于使用sin2θ+cos2θ＝1(4) 对所述二阶实对称矩阵进行一次旋转，得到所述对角矩阵 在装置中，矩阵秩估算单元404包括 条件数模块，用于计算所述相关矩阵R＝H*HH的条件数 cond_num＝max(a11，a22)/min(a11，a22)(8)； 秩判定模块，用于根据不同的预定要求，对所述条件数设置一个门限值ξ，则对二阶信道矩阵H的秩进行判定 if(cond_num)＞ξ rank＝1；，其中，所述rank表示二阶信道 else rank＝2；(9) 矩阵H的秩，在实际工程技术中，其结果与该二阶信道矩阵H的秩一致。
与本发明实施例所提供的一种基于双接收天线对信道矩阵秩进行估算的装置对应地，还提供了一种基于双接收天线对信道矩阵秩进行估算的系统，包括移动终端、基站； 所述移动终端接收到来自基站的信道状态信息之后； 所述移动终端计算二阶信道矩阵H的相关矩阵R；对所述相关矩阵R进行相似变换，计算所述R对应的二阶实对称矩阵；对所述二阶实对称矩阵进行雅克比旋转，得到所述二阶实对称矩阵的对角矩阵，计算该对角矩阵的特征值；根据所述特征值计算所述相关矩阵R的条件数，根据所述条件数计算所述二阶信道矩阵的秩。
其中，所述移动终端使用酉矩阵 对所述相关矩阵(1)进行相似变换，且r12＝r21，k12＝-k21；则经过所述相似变换后， 二阶实对称矩阵 使用 对所述二阶实对称矩阵进行一次旋转，得到所述对角矩阵 计算所述相关矩阵R＝H*HH的条件数 cond_num＝max(a11，a22)/min(a11，a22)(8)； 根据不同的预定要求，对所述条件数设置一个门限值ξ，则对二阶信道矩阵H的秩进行判定 if(cond_num)＞ξ rank＝1；，其中，所述rank表示二阶信道 else rank＝2；(9) 矩阵H的秩，在实际工程技术中，且与该二阶信道矩阵H的秩一致。
为充分说明本发明实施例所提供的技术方案的显著的技术效果，将其与解二元一次方程法和传统求条件数的方法进行算法准确性、鲁棒性以及抗扰动性等三个方面进行性能比较，具体包括 如图5所示，通过仿真比较三种算法求条件数过程中的准确性，对于一个随机生成的2*2的复数矩阵信道，仿真总的遍历次数为10000次；横坐标为遍历次数，纵坐标为三种方法求得的条件数。其中，星号表示本发明实施例方法，三角号为解二元一次方程的方法，圆为传统常用的求条件数的方法。
由图中可以看出，在准确性方面，本发明实施例提供的技术与其他两种求解条件数方法在准确性方面基本一致，即，本发明实施例提供的方法完全能够满足相应的工业标准。
如图6所示，通过仿真比较三种算法计算条件数过程中的鲁棒性。
对于一个随机生成的2*2的复数矩阵信道，仿真总的遍历次数为10000次；横坐标为遍历次数，纵坐标为三种方法求得的条件数。其中，星号表示本发明方法，三角号为解二元一次方程的方法，圆为传统常用的求条件数的方法。
由图中可以看出，在鲁棒性方面，本发明实施例提供的技术与其他两种求解条件数方法在鲁棒性方面基本一致，即，本发明实施例提供的方法完全能够满足相应的工业标准。
如图7所示，通过仿真比较三种算法的抗扰动性。
对于一个随机生成的2*2的复数矩阵信道，仿真总的遍历次数为10000次；横坐标为遍历次数，纵坐标为三种方法求得的条件数。其中，星号表示本发明方法，三角号为解二元一次方程的方法，圆为传统常用的求条件数的方法。
由图中可以看出，在抗扰动性方面，三种不同的方法基本一致，即，本发明实施例提供的方法完全能够满足相应的工业标准。
由图5、6和7可以看出，本发明实施例提供的技术方案具有很强的鲁棒性、准确性和抗扰动性。
以上从鲁棒性、准确性和抗扰动性三个方面，将本发明实施例提供的基于双接收天线的信道矩阵秩的估算方法与解二元一次方程的方法，以及传统方法进行了比较，技术效果显示，采用本发明实施例所提供的技术方案计算相关矩阵的秩，其鲁棒性、准确性和抗扰动性完全能够满足相应的工业标准。
为进一步揭示本发明实施例的技术效果，将所提供的技术方案与现有技术的计算复杂度进行比较；如表1所示，计算量与目前最简单解二元一次方程的方法进行比较，其计算复杂度与下表所示 表1比较本发明实施例方法与解二元一次方程方法的计算复杂度 现有技术中，通过二元一次方程求解矩阵的秩的计算复杂度是比较小的，但通过上述比较可以发现，使用本发明实施例中所提供的技术方案，与通过二元一次方程求解矩阵的秩相比，进一步降低了计算量。
本发明的实施例具有以下有益效果，通过本发明对双接收天线信道矩阵有效估计，一方面，通过从数学上对本发明所提到的方法进行理论上推导，从而保证本发明算法正确性，另一方面，从算法工程可实现的角度，对算法进行更进一步的优化和简化，在算法鲁棒性、可控性的条件下，从而大大降低算法的复杂度。
应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，所有的参数取值可以根据实际情况调整，且在该权利保护范围内。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种基于双接收天线的信道矩阵秩的估算方法，其特征在于，包括
获取二阶信道矩阵H的相关矩阵；
对所述相关矩阵进行相似变换，获取所述相关矩阵对应的二阶实对称矩阵；
对所述二阶实对称矩阵进行雅克比旋转，得到所述二阶实对称矩阵的对角矩阵，获取该对角矩阵的特征值；
根据所述特征值获取所述相关矩阵的条件数，对所述条件数进行判定得到所述二阶信道矩阵的秩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述相关矩阵进行相似变换，获取所述相关矩阵对应的二阶实对称矩阵，进一步包括
酉矩阵T对所述相关矩阵R＝H*HH进行酉矩阵相似变换；
其中，所述且r12＝r21，k12＝-k21
所述酉矩阵则经过所述相似变换后，
二阶实对称矩阵且|a12|，|a21|分别是a12和a21的绝对值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述二阶实对称矩阵进行雅克比旋转，进一步包括
其中θ满足0≤θ≤π/2，
通过一次雅克比旋转得到所述对角矩阵
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述相关矩阵R＝H*HH的条件数cond_num
cond_num＝max(a11，a22)/min(a11，a22)；
根据所述条件数计算所述二阶信道矩阵的秩，进一步包括
根据不同的预定要求，对所述条件数设置一个门限值ξ，则对二阶信道矩阵H的秩进行判定
其中，所述rank表示二阶信道矩阵H的秩。
5.一种基于双接收天线对信道矩阵秩进行估算的装置，其特征在于，包括
相关矩阵单元，用于计算二阶信道矩阵H的相关矩阵R；
矩阵变换单元，用于对所述相关矩阵R进行相似变换，计算所述相关矩阵R对应的二阶实对称矩阵；
雅克比旋转单元，用于对所述二阶实对称矩阵进行雅克比旋转，得到所述二阶实对称矩阵的对角矩阵；
矩阵秩估算单元，用于计算该对角矩阵的特征值，根据所述特征值计算所述相关矩阵R的条件数，根据所述条件数计算所述二阶信道矩阵的秩。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述矩阵变换单元具体为一酉矩阵变换单元，用于以酉矩阵T对所述相关矩阵R进行相似变换；
其中，所述且r12＝r21，k12＝-k21
所述酉矩阵则经过所述相似变换后，
二阶实对称矩阵且|a12|，|a21|分别是a12和a21的绝对值。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述雅克比旋转单元具体为，雅克比一次旋转单元，用于使用
其中θ满足0≤θ≤π/2
对所述二阶实对称矩阵进行一次旋转，得到所述对角矩阵
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述矩阵秩估算单元包括条件数模块，用于计算所述相关矩阵R＝H*HH的条件数cond_num
cond_num＝max(a11，a22)/min(a11，a22)；
秩判定模块，用于根据不同的预定要求，对所述条件数设置一个门限值ξ，则对二阶信道矩阵H的秩进行判定
其中，所述rank表示二阶信道矩阵H的秩。
9.一种基于双接收天线对信道矩阵秩进行估算的系统，其特征在于，包括移动终端、基站；
所述移动终端接收到来自基站的信道状态信息之后；
所述移动终端计算二阶信道矩阵H的相关矩阵R；对所述相关矩阵R进行相似变换，计算所述R对应的二阶实对称矩阵；对所述二阶实对称矩阵进行雅克比旋转，得到所述二阶实对称矩阵的对角矩阵，计算该对角矩阵的特征值；根据所述特征值计算所述相关矩阵R的条件数，根据所述条件数计算所述二阶信道矩阵的秩。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述移动终端使用酉矩阵
对所述相关矩阵进行相似变换，且r12＝r21，k12＝-k21；则经过所述相似变换后，
二阶实对称矩阵且|a12|，|a21|分别是a12和a21的绝对值；
使用
其中θ满足0≤θ≤π/2
对所述二阶实对称矩阵进行一次旋转，得到所述对角矩阵
计算所述相关矩阵R＝H*HH的条件数cond_num
cond_num＝max(a11，a22)/min(a11，a22)；
根据不同的预定要求，对所述条件数设置一个门限值ξ，则对二阶信道矩阵H的秩进行判定
其中，所述rank表示二阶信道矩阵H的秩。
全文摘要
本发明提供一种基于双接收天线的信道矩阵秩的估算方法、装置和系统，方法中，获取二阶信道矩阵的相关矩阵；对相关矩阵进行相似变换，获取相关矩阵所对应的二阶实对称矩阵；对二阶实对称矩阵进行雅克比旋转，得到二阶实对称矩阵的对角矩阵，从而获取该对角矩阵的特征值；根据特征值获取相关矩阵的条件数，根据条件数获取二阶信道矩阵的秩。本发明的实施例具有以下有益效果，在对双接收天线的二阶信道矩阵的秩进行有效估计的过程中，通过改进算法减少了运算复杂度，因而降低了系统设计的复杂度，而且算法本身具有很强的鲁棒性。
文档编号H04L1/06GK101645759SQ200910091608
公开日2010年2月10日 申请日期2009年8月26日 优先权日2009年8月26日
发明者冰 邓 申请人:北京天碁科技有限公司