一种确定信道矩阵的秩的方法及装置与流程

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种确定信道矩阵的秩的方法及装置。

背景技术：
在多天线通信系统中，无线信道能够同时并行传输数据流的个数取决于信道矩阵中线性无关的向量的个数，即信道矩阵的秩的大小。当无线信道传输的独立数据流的个数大于信道矩阵的秩时，接收端很难获得较好的检测性能；反之，当无线信道传输的独立数据流的个数小于信道矩阵的秩时，有可能会造成空间信道资源的浪费。因此，对信道矩阵的秩的准确判断，是保证多天线无线通信系统能够获得较好的传输性能，并充分利用空间信道资源的重要的辅助手段。目前，一般采用基于特征值分解的方法以确定信道矩阵的秩，该方法通过对信道相关矩阵的特征值分解，以获得信道相关矩阵的多个特征值，再通过对多个特征值的数值特性分析，从而确定信道矩阵的秩。具体包括如下步骤：步骤1、根据信道矩阵H(其中信道矩阵H为Nr×Nt维矩阵，Nr表示接收天线的数目，Nt表示发送天线的数目)，计算信道相关矩阵Rxx，其中Rxx＝HHH；步骤2、对信道相关矩阵Rxx进行特征值分解，获取M个特征值λ1,λ2,…,λM，其中λ1＞λ2＞…＞λM，M＝min{Nr,Nt}；步骤3、对特征值λ1,λ2,…,λM的数值大小进行分析：从i＝1开始进行迭代，迭代公式为：ratioi＝λi/λi+1，其中，i＝1,…,M；若ratioi＞ratio_th，则确定信道矩阵的秩为当前的i，其中ratio_th为设定的门限值；若ratioi≤ratio_th，则i＝i+1，并继续迭代。综上所述，采用基于特征值分解的方法确定信道矩阵的秩，需要对信道相关矩阵进行预处理，增加了运算量；由于信道相关矩阵的特征值分解的复杂度较高，并且由于每确定一个特征值都需要经过多次迭代操作，使得获取的特征值的精度不可控，从而使确定的信道矩阵的秩的可靠性低。

技术实现要素：
本发明实施例提供了一种确定信道矩阵的秩的方法及装置，用于解决现有确定信道矩阵的秩的方法存在运算量大，且确定的秩的可靠性低的问题。本发明实施例提供了一种确定信道矩阵的秩的方法，包括：对信道矩阵进行QR分解处理，获取QR分解后得到的上三角矩阵R的主对角线元素的值；根据所述主对角线元素的值，确定所述信道矩阵的秩。本发明实施例提供了一种确定信道矩阵的秩的装置，包括：分解模块，用于对信道矩阵进行QR分解处理，获取QR分解后得到的上三角矩阵R的主对角线元素的值；确定模块，用于根据所述主对角线元素的值，确定所述信道矩阵的秩。本发明实施例对信道矩阵进行QR分解处理，并根据获取QR分解后得到的上三角矩阵R的主对角线元素的值，确定该信道矩阵的秩；由于信道矩阵的QR分解相比于信道矩阵的相关矩阵的特征值分解，复杂度较低，从而减少了运算量；本发明实施例通过QR分解输出的R矩阵的主对角线元素，因此不会出现现有的特征值分解输出的特征值的精度不可控的问题，因此采用本发明实施例的方法确定的信道矩阵的秩的可靠性更高。附图说明图1为本发明实施例确定信道矩阵的秩的方法流程图；图2为本发明实施例对信道矩阵进行QR分解处理的实施过程的流程图；图3为本发明实施例确定信道矩阵的秩的装置的结构示意图。具体实施方式本发明通过本发明实施例对信道矩阵进行QR分解处理，并根据获取QR分解后得到的上三角矩阵R的主对角线元素的值，确定该信道矩阵的秩；从而解决了现有确定信道矩阵的秩的方法运算量大，且确定的秩的可靠性低的问题。本发明实施例中信道矩阵可以通过对信道情况进行信道估计获得，以LTE(LongTermEvolution，长期演进)系统为例，UE(UserEquipment，用户设备)可以通过小区公共导频(CRS)或者信道信息测量导频(CSIRS)进行信道估计，在一定的物理资源范围内获得信道矩阵。下面结合说明书附图对本发明实施例作进一步详细描述。如图1所示，本发明实施例确定信道矩阵的秩的方法，包括以下步骤：步骤101、对信道矩阵进行QR分解处理，获取QR分解后得到的上三角矩阵R的主对角线元素的值；其中，信道矩阵H为Nr×Nt维矩阵，其中Nr表示接收天线的数目，Nt表示发送天线的数目，对信道矩阵H进行QR分解后，得到酉矩阵Q和上三角矩阵R；步骤102、根据R矩阵中主对角线元素的值，确定信道矩阵的秩。在具体实施过程中，步骤102中确定信道矩阵H的秩包括以下两种方式：方式一：根据R矩阵中主对角线元素的值与设定的门限值，确定信道矩阵的秩；其中门限值为经验值，可根据需要设定；在具体实施过程中，确定信道矩阵的秩包括：确定R矩阵主对角线元素中值大于设定的门限值的主对角线元素的个数；将确定的主对角线元素的个数作为信道矩阵的秩。假设门限值为r_th，信道矩阵H经过QR分解后，得到的R矩阵中主对角元素为ri,i，其中i∈{1,…,Nt}，则从i＝1开始，逐个判断ri,i的值是否大于门限值r_th，直至i＝Nt；若判断的结果为：有N个主对角元素得值大于门限值r_th，则确定信道矩阵H的秩为N；优选的，步骤102中在确定信道矩阵的秩之前，还包括：将R矩阵的主对角线元素的值进行排序处理。在具体实施过程中，若对主对角线元素的值进行降序排列，则从第一个主对角线元素开始，依次确定降序排列后的主对角线元素的值是否大于设定的门限值，在确定第一个不大于门限值的主对角线元素的值后，确定位于该主对角线元素之前的所有主对角线元素的个数的值作为信道矩阵的秩；假设Nt＝4，经过步骤101后得到的R矩阵的主对角线元素分别为：r1,1、r2,2、r3,3和r4,4，将r1,1、r2,2、r3,3和r4,4的值进行降序排列，使r1,1、r2,2、r3,3和r4,4的值满足：r1,1＞r2,2＞r3,3＞r4,4，经判断后，若r1,1>r_th，r2,2>r_th，r3,3<r_th，则不需要在判断r4,4的值与r_th的关系，确定信道矩阵H的秩为2；若对主对角线元素的值进行升序排列，则从第一个主对角线元素开始，依次确定升序排列后的主对角线元素的值是否大于门限值，在确定第一个大于门限值的主对角线元素的值后，确定包括该主对角线元素及位于该主对角线元素之后的所有主对角线元素的个数的值作为信道矩阵的秩；假设Nt＝4，经过步骤101后得到的R矩阵的主对角线元素分别为：r1,1、r2,2、r3,3和r4,4，将r1,1、r2,2、r3,3和r4,4的值进行升序排列，使r1,1、r2,2、r3,3和r4,4的值满足：r1,1＜r2,2＜r3,3＜r4,4，经判断后，若r1,1<r_th，r2,2>r_th，则不需要在判断r3,3及r4,4的值与r_th的关系，确定信道矩阵H的秩为3。方式二、将R矩阵的主对角线元素的值进行排序处理，根据排序处理后相邻两个主对角线元素的值的比值及设定的该相邻两个主对角线元素对应的阈值，确定信道矩阵的秩；在具体实施过程中，若对R矩阵的主对角线元素的值进行降序排列，则从第一个主对角线元素r1,1开始，依次确定当前主对角线元素的值与相邻的下一主对角线元素的值的比值，即Ratioi＝ri,i/ri+1,i+1，在确定的比值Ratioi大于该相邻两个主对角线元素对应的阈值Ratio_thi时，确定信道矩阵H的秩为当前主对角线元素ri,i的位置标号i，其中任意相邻的两个主对角线元素都对应一个阈值Ratio_thi，该阈值为经验值，可根据需要设定；需要说明的是，若所有的Ratioi都大于对应的阈值Ratio_thi，则确定信道矩阵H的秩为Nt。假设Nt＝4，经过步骤101后得到的R矩阵的主对角线元素分别为：r1,1、r2,2、r3,3和r4,4，将r1,1、r2,2、r3,3和r4,4的值进行降序排列，使r1,1、r2,2、r3,3和r4,4的值满足：r1,1＞r2,2＞r3,3＞r4,4，相邻的r1,1与r2,2对应的阈值为Ratio_th1，相邻的r2,2与r3,3对应的阈值为Ratio_th2，相邻的r3,3与r4,4对应的阈值为Ratio_th3，则通过以下过程确定信道矩阵H的秩：令i＝1，计算Ratio1＝r1,1/r2,2；若Ratio1≤Ratio_th1，则计算Ratio2＝r2,2/r3,3；若Ratio1＞Ratio_th1，则确定信道矩阵H的秩为1；若Ratio1≤Ratio_th1且Ratio2≤Ratio_th2，则计算Ratio3＝r3,3/r4,4；若Ratio1≤Ratio_th1且Ratio2＞Ratio_th2，则确定信道矩阵H的秩为2；若Ratio1≤Ratio_th1，且Ratio2≤Ratio_th2，且Ratio3≤Ratio_th3，则确定信道矩阵H的秩为4；若Ratio1≤Ratio_th1，且Ratio2≤Ratio_th2，且Ratio3＞Ratio_th3，则确定信道矩阵H的秩为3。若对R矩阵的主对角线元素的值进行升序排列，则从最后一个主对角线元素开始，依次确定当前主对角线元素的值与相邻的上一主对角线元素的值的比值Ratioi＝ri,i/ri-1,i-1，在确定的比值Ratioi大于对应的阈值Ratio_thi时，确定信道矩阵的秩为R矩阵中主对角线元素的数目Nt与上一主对角线元素ri-1,i-1的位置标号i-1的差值，即信道矩阵H的秩为：Nt-(i-1)。在具体实施过程中，步骤101中对信道矩阵进行QR分解处理包括下列步骤：针对Q矩阵与R矩阵中第i列向量，根据Q矩阵中当前第i列到第Nt列向量的模值，对Q矩阵与R矩阵中当前第i列向量进行重排序处理，其中i＝1,…,Nt，Nt为发送天线的数目；根据重排序处理后的Q矩阵中当前第i列到第Nt列向量中元素的值与R矩阵中当前第i行向量中元素的值，确定Q矩阵中第i列到第Nt列向量中各元素的值，并替换Q矩阵中当前第i列到第Nt列向量中各元素的值，及确定R矩阵中第i行向量中各元素的值，并替换R矩阵中当前第i行向量中各元素的值。在具体实施过程中，步骤101中对Q矩阵和R矩阵中当前第i列向量进行重排序处理，包括下列步骤：确定Q矩阵中当前第i列到第Nt列向量对应的模值；将Q矩阵中当前第i列向量与最大的模值对应的列向量进行交换处理，及将确定R矩阵中与Q矩阵中最大的模值对应的列向量位置相同的列向量，并将R矩阵中当前第i列向量与确定的列向量进行交换处理。下面结合附图2对本发明实施例步骤101中对信道矩阵H进行QR分解处理的实施过程进行详细说明。步骤201、对Q矩阵和R矩阵进行初始化，初始Q矩阵为信道矩阵H，初始R矩阵为Nt×Nt维的零矩阵，设定一个1×Nt维向量k＝[1,1,…1]；步骤202、针对Q矩阵中第i列向量与R矩阵中第i列向量，判断i是否小于Nt，其中i＝1,…,Nt，Nt为发送天线的数目；若是，则执行步骤203；若否，则结束流程，并输出R矩阵的主对角线元素；步骤203、根据公式1，计算Q矩阵中第i列～第Nt列向量的功率值Pj，其中j∈{i,…,Nt}，将各功率值Pj存储到向量E中，即E＝[P1,P2,…PNt]，并令向量E中的第1个到第(i-1)个元素的值设置为-inf(负无穷)；Pj＝||Q(:,j)||2公式1；其中，Q(:,j)表示Q矩阵中第j列向量，||Q(:,j)||表示Q矩阵中第j列向量的模值，j∈{i,…,Nt}；若i＝1，则计算Q矩阵中第1列～第Nt列向量的功率值Pj，即向量E中没有被设置为-inf的元素；步骤204、对向量E中的各元素的值进行排序，从中选取值最大的元素对应的标号j，并令向量k中的第i个元素k(i)＝j；步骤205、将Q矩阵的第i列向量与第k(i)列向量进行交换，将R矩阵的第i列向量与第k(i)列向量进行交换；步骤206、根据Q矩阵的第i列向量的元素的值，按照公式2计算R矩阵中第i个主对角线元素的值ri,i，ri,i＝||Q(:,i)||公式2；其中，Q(:,i)表示Q矩阵中第i列向量，||Q(:,i)||表示Q矩阵中第i列向量的模值；步骤207、根据确定的R矩阵中第i个主对角线元素的值ri,i及Q矩阵的当前第i列向量的元素的值，按照公式3计算Q矩阵的第i列向量各元素的值并替换当前第i列向量各元素的值；Q(m,i)＝Q(m,i)/ri,i公式3；其中，Q(m,i)表示Q矩阵中第m行第i列元素的值，m∈{1,…,Nr}，Nr表示接收天线的数目；步骤208、根据Q矩阵各元素的值，按照公式4计算矩阵R中第i行中第i+1列到第Nt列的元素的值，并替换矩阵R中当前第i行中第i+1列到第Nt列的元素的值；ri,n＝Q(:,i)HQ(:,n)/||Q(:,i)||2公式4；其中，Q(:,i)H表示Q矩阵中第i列向量进行共轭转置后的向量，Q(:,n)表示Q矩阵中第n列向量，n∈{i+1,…,Nt}；步骤209、根据R矩阵中第i行中第i+1列到第Nt列的元素的值及Q矩阵中当前第i+1列到第Nt列向量的元素值，按照公式5计算Q矩阵中第i+1列到第Nt列向量的元素值，并替换Q矩阵中当前第i+1列到第Nt列向量的元素值；Q(:,n)＝Q(:,n)-ri,n·Q(:,i)公式5；其中，Q(:,n)表示Q矩阵中第n列向量，ri,n表示R矩阵中第i行第n列的元素值，Q(:,i)表示Q矩阵中第i列向量；步骤210、令i＝i+1，并执行步骤202到步骤209。需要说明的是，本发明实施例对信道矩阵进行QR分解，并根据QR分解后得到的R矩阵的主对角线元素的值确定信道矩阵的秩，其中对信道矩阵进行的QR分解可采用现有的QR分解的方法以获取R矩阵的主对角线元素，也可以采用本发明实施例中在QR分解过程中对信道矩阵的列进行重排序，以使获取R矩阵的主对角线元素的值尽量满足降序排列，使根据R矩阵的主对角线元素的值确定的信道矩阵的秩的可靠性更高。在实际通信系统中，基站和终端通常采用发送天线的数目为2、4、8的配置，相比于2根发送天线的情况，在4根发送天线和8根发送天线的情况下，采用本发明实施例的方法确定信道矩阵的秩的复杂度的降低更加明显。基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种确定信道矩阵的秩的装置，由于该装置解决问题的原理与上述确定信道矩阵的秩的方法相似，因此该装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。如图3所示，本发明实施例确定信道矩阵的秩的装置，包括：分解模块30，用于对信道矩阵进行QR分解处理，获取QR分解后得到的上三角矩阵R的主对角线元素的值；确定模块31，用于根据R矩阵的主对角线元素的值，确定信道矩阵的秩。在具体实施过程中，确定模块31根据R矩阵的主对角线元素的值与设定的门限值，确定信道矩阵的秩。具体的，确定模块31确定R矩阵的主对角线元素中值大于设定的门限值的主对角线元素的个数，并将确定的主对角线元素的个数作为信道矩阵的秩。优选的，在确定信道矩阵的秩之前，确定模块31将获取R矩阵的主对角线元素的值进行排序处理。在具体实施过程中，若确定模块31对R矩阵的主对角线元素的值进行降序排列，则确定模块31从第一个主对角线元素开始，依次确定降序排列后的主对角线元素的值是否大于门限值，在确定第一个不大于门限值的主对角线元素的值后，确定位于该主对角线元素之前的所有主对角线元素的个数的值作为信道矩阵的秩；若确定模块31对R矩阵的主对角线元素的值进行升序排列，则确定模块31从第一个主对角线元素开始，依次确定升序排列后的主对角线元素的值是否大于门限值，在确定第一个大于门限值的主对角线元素的值后，确定包括该主对角线元素及位于该主对角线元素之后的所有主对角线元素的个数的值作为信道矩阵的秩。优选的，确定模块31在将R矩阵的主对角线元素的值进行排序处理后，还可以根据排序处理后相邻两个主对角线元素的值的比值及设定的该相邻两个主对角线元素对应的阈值，确定信道矩阵的秩。在具体实施过程中，若确定模块31对R矩阵的主对角线元素的值进行降序排列，则确定模块31从第一个主对角线元素开始，依次确定当前主对角线元素的值与相邻的下一主对角线元素的值的比值，在确定的比值大于对应的阈值时，确定信道矩阵的秩为当前主对角线元素的位置标号；若确定模块31对R矩阵的主对角线元素的值进行升序排列，则确定模块31从最后一个主对角线元素开始，依次确定当前主对角线元素的值与相邻的上一主对角线元素的值的比值，在确定的比值大于对应的阈值时，确定信道矩阵的秩为R矩阵中主对角线元素的数目与上一主对角线元素的位置标号的差值。优选的，分解模块30具体用于：针对Q矩阵与R矩阵中第i列向量，根据Q矩阵中当前第i列到第Nt列向量的模值，对Q矩阵与R矩阵中当前第i列向量进行重排序处理，其中i＝1,…,Nt，Nt为发送天线的数目；根据重排序处理后的Q矩阵中当前第i列到第Nt列向量中元素的值与R矩阵中当前第i行向量中元素的值，确定Q矩阵中第i列到第Nt列向量中各元素的值，并替换Q矩阵中当前第i列到第Nt列向量中各元素的值，及确定R矩阵中第i行向量中各元素的值，并替换R矩阵中当前第i行向量中各元素的值。具体实施过程中，针对Q矩阵和R矩阵中第i列向量，分解模块30确定Q矩阵中当前第i列到第Nt列向量对应的模值；将Q矩阵中当前第i列向量与第j列向量进行交换处理，并将R矩阵中当前第i列向量与第j列向量进行交换处理，其中Q矩阵中第j列向量为最大的模值对应的列向量，j∈{i,…,Nt}。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。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。本发明实施例对信道矩阵进行QR分解处理，并根据获取QR分解后得到的上三角矩阵R的主对角线元素的值，确定该信道矩阵的秩；由于信道矩阵的QR分解相比于信道矩阵的相关矩阵的特征值分解，复杂度较低，从而减少了运算量；本发明实施例通过QR分解输出的R矩阵的主对角线元素，因此不会出现现有的特征值分解输出的特征值的精度不可控的问题，因此采用本发明实施例的方法确定的信道矩阵的秩的可靠性更高。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。