CN105871503B - 多输入多输出无线通信系统及其通道分解方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多输入多输出无线通信系统及其通道分解方法。无线通信系统包括预编码单元、通道估测单元、通道分解单元及量化单元。预编码单元接收多个传输数据流及无线通道信息，以提供多个传输符元至无线通道。通道估测单元用以估测无线通道以提供通道矩阵。通道分解单元通过矩阵旋转及矩阵分解使通道矩阵对角线上的元素为相同的实数元素，并且通过矩阵旋转对应地旋转第一单位矩阵及第二单位矩阵以取得通道状态信息。量化单元依据通道状态信息提供无线通道信息。该多输入多输出无线通信系统及其通道分解方法，可降低分解通道矩阵的运算复杂度且均化天线的功率。

Description

多输入多输出无线通信系统及其通道分解方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信系统，尤其涉及一种多输入多输出无线通信系统及其通道分解方法。

背景技术

无线通信系统的组态可为单输入单输出(Single Input Single Output，简称：SISO)或多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，简称：MIMO)，其中MIMO系统可使用空间多工(Spatial Multiplexing，简称：SM)，且其使MIMO系统能由不同的天线组发送不同的信号，也就是MIMO系统通常能提供更高的吞吐量(Throughput)。

然而，当使用空间多工来传送信号时，同时传送的信号会在无线通道中衰减及受到干扰，进而会影响数据传输速率。因此，基于通道状态信息(Channel StateInformation，简称：CSI)进行预编码的技术被发展出来，但从无线通道的通道矩阵中分解出通道状态信息是一个复杂的运算动作，也就是运算器的硬件设计的复杂度较高。因此，如何降低分解通道矩阵的复杂度则成为发展多输入多输出无线通信系统的一个重点。

发明内容

本发明提供一种多输入多输出无线通信系统及其通道分解方法，可降低分解通道矩阵的运算复杂度且均化天线的功率。

本发明的多输入多输出无线通信系统包括预编码单元、通道估测单元、通道分解单元及量化单元。预编码单元接收多个传输数据流及量化的无线通道信息，以提供多个传输符元(symbol)至无线通道。通道估测单元用以估测无线通道以提供具有多个复数元素的通道矩阵。通道分解单元用以分解通道矩阵后提供通道状态信息。通道分解单元将通道矩阵通过第一矩阵旋转使其对角线的这些复数元素转换为多个实数元素且依据对角线的这些实数元素的数量决定是否将这些实数元素分为多个运算部分。当这些实数元素未分为多个运算部分时，通道分解单元通过奇异值分解、矩阵分解及元素交换均衡这些实数元素。当实数元素分为多个部分时，该些部分的其中之一通过奇异值分解、矩阵分解及元素交换均衡这些实数元素，其余部分通过奇异值分解及第二矩阵旋转旋转这些实数元素至等于对角线几何平均值。通道分解单元依据这些复数元素进行第一矩阵旋转、第二矩阵旋转、奇异值分解、矩阵分解及元素交换的多个旋转角度逐行旋转第一单位矩阵及逐列旋转第二单位矩阵以取得通道状态信息。量化单元依据通道状态信息提供无线通道信息。

本发明的多输入多输出无线通信系统的通道分解方法，包括下列步骤。通过通道估测单元估测无线通道以提供具有多个复数元素的通道矩阵。通过通道分解单元分解通道矩阵后提供通道状态信息，包括：通过通道分解单元将通道矩阵通过第一矩阵旋转使其对角线的这些复数元素转换为多个实数元素；通过通道分解单元且依据对角线的这些实数元素的数量决定是否将这些实数元素分为多个运算部分；当实数元素未分为多个运算部分时，通道分解单元通过奇异值分解、矩阵分解及元素交换均衡这些实数元素；当实数元素分为多个运算部分时，这些运算部分的其中之一通过奇异值分解、矩阵分解及元素交换均衡这些实数元素，其余运算部分通过奇异值分解及第二矩阵旋转旋转这些实数元素至等于对角线几何平均值；通过这通道分解单元依据这些复数元素进行第一矩阵旋转、第二矩阵旋转、奇异值分解、矩阵分解及元素交换的多个旋转角度逐行旋转第一单位矩阵及逐列旋转第二单位矩阵以取得通道状态信息。通过量化单元依据通道状态信息提供无线通道信息。以及，通过预编码单元依据多个传输数据流及无线通道信息提供多个传输符元至无线通道。

基于上述，本发明实施例的多输入多输出无线通信系统及其通道分解方法，在通过矩阵旋转及矩阵分解将通道矩阵分解为三个相乘的矩阵，并且均衡中间矩阵的对角线的元素。因此，可降低分解通道矩阵所要的存储器空间及运算复杂度，并且可均化天线的功率。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明一实施例的多输入多输出无线通信系统的系统示意图；

图2A至图2Q为本发明的一实施例的通道矩阵分解示意图；

图3为本发明一实施例的通道矩阵的对角线均衡示意图；

图4为本发明一实施例的多输入多输出无线通信系统的通道分解方法的流程图。

附图标记说明：

100：无线通信系统；

110：预编码单元；

120：无线通道；

130：解码单元；

140：通道估测单元；

150：通道分解单元；

160：量化单元；

310、320、330、340、350、360、370：子矩阵；

ET：元素；

H：通道矩阵；

PE1：第一区块；

PE2：第二区块；

PI：虚数部分；

PR：实数部分；

Q、R、P：矩阵；

S：无线通道信息矩阵；

T：解码参考矩阵；

V1：通道状态信息；

W1～Wi：传输数据流；

X1～Xi：传输符元；

Y1～Yi：接收符元；

Z1～Zi：接收数据流；

S410、S420、S421、S423、S425、S427、S429、S430、S440：步骤。

具体实施方式

图1为本发明一实施例的多输入多输出无线通信系统的系统示意图。请参照图1，在本实施例中，无线通信系统100包括预编码单元110、解码单元130、无线通道120、通道估测单元140、通道分解单元150及量化单元160。预编码单元110接收多个传输数据流(如W1～Wi，其中i为正整数)及量化后的无线通道信息矩阵S，以提供多个传输符元(symbol)(如X1～Xi)至无线通道120，其中传输符元X(即传输符元X1～Xi的集合)可定义为X＝S·W，W例如为传输数据流W1～Wi的集合。

传输符元X1～Xi经无线通道120后，会受到噪声干扰及对应传送距离而衰减，因此会形成接收符元Y1～Yi，其中接收符元Y(即接收符元Y1～Yi的集合)可定义为Y＝HX+n，H为通道矩阵，n为白色高斯噪声(Additive White Gaussian Noise，简称：AWGN)。解码单元130在接收到接收符元Y1～Yi后，会依据解码参考矩阵T对接收符元Y1～Yi进行解码而输出接收数据流Z1～Zi，其中接收数据流向量Z(即接收数据流Z1～Zi的集合)可定义为Z＝T·Y，Y例如为接收符元Y1～Yi的集合。

通道估测单元140用以估测无线通道120，以提供具有多个复数元素的通道矩阵H。通道分解单元150用以分解通道矩阵H后提供通道状态信息V1及解码参考矩阵T。量化单元160依据通道状态信息V1提供无线通道信息矩阵S。

在本实施例中，通道分解单元150将通过第一矩阵旋转与第二矩阵旋转及矩阵分解的至少其一将通道矩阵H分解为三个相乘的矩阵Q、R、P，其中矩阵Q和矩阵P为复数酉矩阵(complex unitary matrix)，矩阵R为对角线上数值相等的上三角实数矩阵。此外，矩阵Q、矩阵R和矩阵P的矩阵大小彼此相同，上述第一矩阵旋转例如为吉文斯旋转(Givensrotation)，第二矩阵旋转例如为平面旋转(Planar rotation)，矩阵分解例如为几何平均分解(Geometric Mean Decomposition，简称：GMD)，并且上述矩阵旋转可通过坐标旋转数字计算机(coordinate rotation digital computer，简称：CORDIC)来执行，坐标旋转数字计算机可包含加减法器及移位器，而所旋转的角度例如由可通过坐标旋转数字计算机来计算出。

图2A至图2Q为本发明的一实施例的通道矩阵分解示意图。请参照图1及图2A至图2Q，在本实施例中，矩阵Q、矩阵R和矩阵P是以5X5的矩阵为例，在本发明其他实施例不以此为限。矩阵Q和矩阵P会先初始化为单位矩阵(identity matrix)，并且矩阵R会初始化为H矩阵，其中水平轴为行数，垂直轴为列数。在图2A中，各个元素ET包括实数部分PR及虚数部分PI，也就是元素ET为复数元素，并且矩阵R会沿其对角线分割为包含对角线的第一区块PE1及未包含对角线的第二区块PE2。

在图2B中，会通过矩阵旋转将矩阵R中第1行的元素ET都转换为实数元素(也就是元素ET中的虚数PI部分的值为0)。进一步来说，首先，矩阵R中第1行第1列的元素ET，标示为元素R(1,1)，会通过矩阵旋转将其虚数部分PI的值转移至其实数部分PR，其旋转角度dR(1,1)可通过坐标旋转数字计算机来计算，也就是将元素R(1,1)的实数部分PR的值及虚数部分PI的值输入坐标旋转数字计算机取得旋转角度dR(1,1)。此时，不分第一区块PE1及第二区块PE2，矩阵R中第1列的所有元素ET都会依据旋转角度dR(1,1)而自其虚数部分PI向其实数部分PR旋转；并且，为了维持矩阵的一致性，矩阵Q中第5行的所有元素ET都会依据旋转角度dR(1,1)而自其虚数部分PI向其实数部分PR旋转。

接着，矩阵R中第1行第2列的元素R(1,2)，会通过矩阵旋转将其虚数部分PI的值转移至其实数部分，其旋转角度为dR(1,2)。此时，不分第一区块PE1及第二区块PE2，矩阵R中第2列的所有元素ET都会依据旋转角度dR(1,2)而自其虚数部分PI向其实数部分PR旋转；并且，为了维持矩阵的一致性，矩阵Q中第4行的所有元素ET都会依据旋转角度dR(1,2)而自其虚数部分PI向其实数部分PR旋转。

矩阵R中第1行中其余的元素ET的处理方式可参照上述，并且矩阵R及矩阵Q中的元素ET都会依据对应的旋转角度而自其虚数部分PI向其实数部分PR旋转，其中矩阵R中的元素ET的处理方向为由下至上(以图示方向为例)，而矩阵Q中的元素ET的处理方向为由右至左(以图示方向为例)。并且矩阵R中的元素ET的旋转角度为正向(也就是正角度旋转)，矩阵Q中的元素ET的旋转角度为负向(也就是负角度旋转)。在实数部分PR的值为0及虚数部分PI的值为0的元素ET中，在经过矩阵旋转后仍不会改变其数值。

在图2C中，会通过矩阵旋转将矩阵R中第1行中元素R(1,5)外的元素ET都无效化(也就是元素ET中的实数部分PR的值及虚数部分PI的值都为0)。进一步来说，矩阵R中第1行第1列的元素R(1,1)的实数部分PR的值会通过矩阵旋转转移至元素R(1,2)的实数部分的值，其旋转角度dxR(1,1)可通过坐标旋转数字计算机来计算，也就是将元素R(1,1)及R(1,2)的实数部分PR的值输入坐标旋转数字计算机取得旋转角度dxR(1,1)。

此时，不分第一区块PE1及第二区块PE2，矩阵R中第1列的所有元素ET都会依据旋转角度dxR(1,1)而自其实数部分PR向上方(即第2列)的元素ET的实数部分PR旋转以及自其虚数部分PI向上方(即第2列)的元素ET的虚数部分PI旋转；并且，为了维持矩阵的一致性，矩阵Q中第5行的所有元素ET都会依据旋转角度dxR(1,1)而自其实数部分PR向左方(即第4行)的元素ET的实数部分PR旋转以及自其虚数部分PI向左方(即第4行)的元素ET的虚数部分PI旋转。

接着，矩阵R中第1行第2列的元素R(1,2)的实数部分PR的值会通过矩阵旋转转移至元素R(1,3)的实数部分的值，其旋转角度为dxR(1,2)。此时，不分第一区块PE1及第二区块PE2，矩阵R中第2列的所有元素ET都会依据旋转角度dxR(1,2)而自其实数部分PR向上方(即第3列)的元素ET的实数部分PR旋转以及自其虚数部分PI向上方(即第3列)的元素ET的虚数部分PI旋转；并且，为了维持矩阵的一致性，矩阵Q中第4行的所有元素ET都会依据旋转角度dxR(1,2)而自其实数部分PR向左方(即第3行)的元素ET的实数部分PR旋转以及自其虚数部分PI向左方(即第3行)的元素ET的虚数部分PI旋转。

矩阵R中第1行中其余的元素ET的处理方式可参照上述，矩阵R的所有元素ET都会依据对应的旋转角度而自其实数部分PR向上方的元素ET的实数部分PR旋转以及自其虚数部分PI向上方的元素ET的虚数部分PI旋转，并且矩阵Q中的所有元素ET都会依据对应的旋转角度而自其实数部分PR向左方的元素ET的实数部分PR旋转以及自其虚数部分PI向左方的元素ET的虚数部分PI旋转，其中矩阵R中的元素ET的处理方向同样为由下至上(以图示方向为例)，而矩阵Q中的元素ET的处理方向同样为由右至左(以图示方向为例)。并且，矩阵R中的元素ET的旋转角度为正向(也就是正角度旋转)，矩阵Q中的元素ET的旋转角度为正向(也就是正角度旋转)。在两相邻元素ET中实数部分PR的值都为0及虚数部分的值都为0时，在经过矩阵旋转后仍不会改变其数值为0的状态。

在图2D中，会通过矩阵旋转将矩阵R的第二区块PE2中第5列的元素ET都转换为实数元素(也就是元素ET中的虚数PI部分的值为0)。进一步来说，第二区块PE2中第5行第5列的元素R(5,5)，会通过矩阵旋转将其虚数部分PI的值转移至其实数部分PR，其旋转角度为dR(5,5)。此时，不分第一区块PE1及第二区块PE2，矩阵R中第5列的所有元素ET都会依据旋转角度dR(5,5)而自其虚数部分PI向其实数部分PR旋转；并且，为了维持矩阵的一致性，矩阵P中第1列的所有元素ET都会依据旋转角度dR(5,5)而自其虚数部分PI向其实数部分PR旋转。

接着，第二区块PE2中第4行第5列的元素R(4,5)，会通过矩阵旋转将其虚数部分PI的值转移至其实数部分，其旋转角度为dR(4,5)。此时，不分第一区块PE1及第二区块PE2，矩阵R中第4行的所有元素ET都会依据旋转角度dR(4,5)而自其虚数部分PI向其实数部分PR旋转；并且，为了维持矩阵的一致性，矩阵P中第2列的所有元素ET都会依据旋转角度dR(4,5)而自其虚数部分PI向其实数部分PR旋转。

第二区块PE2中第5列中其余的元素ET的处理方式可参照上述，并且矩阵R及P中的元素ET都会依据对应的旋转角度而自其虚数部分PI向其实数部分PR旋转，其中矩阵R中的元素ET的处理方向为由右至左(以图示方向为例)，而矩阵P中的元素ET的处理方向为由下至上(以图示方向为例)。并且，矩阵R中的元素ET的旋转角度为正向(也就是正角度旋转)，矩阵P中的元素ET的旋转角度为负向(也就是负角度旋转)。在实数部分PR的值为0及虚数部分PI的值为0的元素ET中，在经过矩阵旋转后仍不会改变其数值。

在图2E中，会通过矩阵旋转将第二区块PE2中第5列中元素R(2,5)外的元素ET都无效化(也就是元素ET中的实数部分PR的值及虚数部分PI的值都为0)。进一步来说，第二区块PE2中第5行第5列的元素R(1,1)的实数部分PR的值会通过矩阵旋转转移至元素R(4,5)的实数部分的值，其旋转角度为dxR(5,5)。此时，不分第一区块PE1及第二区块PE2，矩阵R中第1列的所有元素ET都会依据旋转角度dxR(5,5)而自其实数部分PR向左方(即第4行)的元素ET的实数部分PR旋转以及自其虚数部分PI向左方(即第4行)的元素ET的虚数部分PI旋转；并且，为了维持矩阵的一致性，矩阵P中第1列的所有元素ET都会依据旋转角度dxR(5,5)而自其实数部分PR向上方(即第2列)的元素ET的实数部分PR旋转以及自其虚数部分PI向上方(即第2列)的元素ET的虚数部分PI旋转。

接着，第二区块PE2中第4行第5列的元素R(4,5)的实数部分PR的值会通过矩阵旋转转移至元素R(3,5)的实数部分的值，其旋转角度为dxR(4,5)。此时，不分第一区块PE1及第二区块PE2，矩阵R中第2列的所有元素ET都会依据旋转角度dxR(4,5)而自其实数部分PR向左方(即第3行)的元素ET的实数部分PR旋转以及自其虚数部分PI向左方(即第3行)的元素ET的虚数部分PI旋转；并且，为了维持矩阵的一致性，矩阵P中第2列的所有元素ET都会依据旋转角度dxR(4,5)而自其实数部分PR向上方(即第3列)的元素ET的实数部分PR旋转以及自其虚数部分PI向上方(即第3列)的元素ET的虚数部分PI旋转。

第二区块PE2中第5列中其余的元素ET的处理方式可参照上述，矩阵R的所有元素ET都会依据对应的旋转角度而自其实数部分PR向左方的元素ET的实数部分PR旋转以及自其虚数部分PI向左方的元素ET的虚数部分PI旋转，并且矩阵P中的所有元素ET都会依据对应的旋转角度而自其实数部分PR向上方的元素ET的实数部分PR旋转以及自其虚数部分PI向上方的元素ET的虚数部分PI旋转，其中矩阵R中的元素ET的处理方向同样为由右至左(以图示方向为例)，而矩阵P中的元素ET的处理方向同样为由下至上(以图示方向为例)。在两相邻元素ET中实数部分PR的值都为0及虚数部分的值都为0时，在经过矩阵旋转后仍不会改变其数值为0的状态。

图2F至图2Q的元素处理方式类似于图2B至图2E的处理方式，在此则不再赘述。因此，由于矩阵Q、矩阵R和矩阵P的矩阵大小相同，因此可降低分解通道矩阵H所要的存储器空间及运算复杂度。

依据上述，通道分解单元150将第一区块PE1中的第一复数元素ET通过第一矩阵旋转后使对角线上的第一复数元素ET为实数元素但其他第一复数元素ET的值为零，并且依据上述第一复数元素进行第一矩阵旋转的旋转角度逐行旋转第一单位矩阵(也就是矩阵Q)。此外，第二区块PE2中的第二复数元素ET通过第一矩阵旋转后使贴近对角线上的第二复数元素ET为实数元素但其他第二复数元素ET的值为零，并且依据第二复数元素ET进行第一矩阵旋转的旋转角度逐列旋转第二单位矩阵(也就是矩阵P)。

进一步来说，通道分解单元150将各个第一复数元素ET的虚数部分PI(即第一虚数部分)通过第一矩阵旋转转移至各个第一复数元素ET的实数部分PR(即第一实数部分)而归零，接着第一复数元素ET的实数部分PR通过第一矩阵旋转转移至相邻的第一复数元素ET的实数部分PR而归零。并且，通道分解单元150将各个第二复数元素ET的虚数部分PI(即第二虚数部分)通过矩阵旋转转移至各个第二复数元素ET的实数部分PR(即第二实数部分)而归零，接着第二复数元素ET的实数部分PR通过第一矩阵旋转转移至相邻的第二复数元素ET的实数部分PR而归零。

在本实施例中，当各个第一复数元素ET的虚数部分PI通过第一矩阵旋转转移至各个第一复数元素ET的实数部分PR，同一列的第一复数元素ET及第二复数元素ET同步地进行第一矩阵旋转的上述转移动作。当第一复数元素ET的实数部分PR通过矩阵旋转转移至相邻的第一复数元素ET的实数部分PR，同列的第一复数元素ET及第二复数元素ET同步地进行第一矩阵旋转的上述转移动作。当各个第二复数元素ET的虚数部分PI通过第一矩阵旋转转移至各个第二复数元素ET的实数部分PR，同一行的第一复数元素ET及第二复数元素ET同步地进行第一矩阵旋转的上述转移动作。当第二复数元素ET的实数部分PR通过第一矩阵旋转转移至相邻的第二复数元素ET的实数部分PR，同列的第一复数元素ET及第二复数元素ET同步地进行第一矩阵旋转的上述转移动作。

图3为本发明一实施例的通道矩阵的对角线均衡示意图。请参照图2A至图2Q及图3，在取得图2Q所示矩阵R后，可均衡对角线上的元素ET，以均化传送端的能量分布，也就是均衡天线的传送功率。在均衡方法中，会先判断对角线的数量以决定对角线的实数元素的处理方式。图2Q所示矩阵R为5×5，也就是对角线的实数元素的数量为5(不等于2的幂次倍)，因此矩阵R会大致分为两个运算部分，其中一个运算部分的对角线的元素ET的数量会等于2的幂次倍。在此，元素R(1,5)区分为一个运算部分，元素R(2,4)、R(3,3)、R(4,2)及R(5,1)为另一运算部分(此为2的幂次倍)，其中元素R(1,5)会先进行处理。

接着，会先判断元素R(1,5)及R(2,4)是否可以进行平面旋转(Planar rotation)，也就是判断元素R(1,5)、R(2,4)、R(3,3)、R(4,2)及R(5,1)的对角线几何平均值是否位于元素R(1,5)及R(2,4)的实数值之间，也就是判断元素R(1,5)及R(2,4)的实数值是否包夹元素R(1,5)、R(2,4)、R(3,3)、R(4,2)及R(5,1)的对角线几何平均值。

当元素R(1,5)及R(2,4)的实数值包夹元素，则对元素R(1,5)及R(2,4)进行平面旋转，以使元素R(1,5)的实数值等于对角线几何平均值；当元素R(1,5)及R(2,4)的实数值未包夹元素时，则通过元素交换(permutation)使的元素R(3,3)、R(4,2)及R(5,1)依序与元素R(1,5)相邻，并且依序比较元素R(1,5)及相邻元素ET的实数值是否包夹元素。在进行元素交换时，会选取一个2×2的子矩阵(如子矩阵310)，以交换对角线上相邻的元素ET(如元素R(2,4)及R(3,3))，其中元素交换的方程式可参照下列：

其中，并且，当子矩阵310上的元素ET旋转时，与子矩阵310所在位置的两行及两列的元素ET都会依据θ_P进行旋转，并且矩阵Q上对应行的元素ET及矩阵P上对应列的元素ET也会依据θ_P进行旋转。

进行平面旋转时，同样会选取一个2×2的子矩阵(如子矩阵320)，并且对选取的子矩阵(如子矩阵320)先进行奇异值分解。接着，再对分解后的子矩阵(如子矩阵320)在进行平面旋转时，以使上方元素ET的实数值旋转至等于对角线几何平均值，其中奇异值分解的方程式可参照下列：

其中，σ_k及σ_k+1为对角线上两相邻元素ET的实数值，平面旋转的方程式可参照下列：

其中，*为任意值，δ为对角线几何平均值， 综合奇异值分解及平面旋转的处理方式，子矩阵320转换的方程式可参照下列：

其中，左旋角度dlp＝(θ₁+θ₅)，用以旋转矩阵Q中对应的两行的元素ET，并且用以旋转子矩阵320所在位置的两列元素ET。右旋角度drp＝(θ₂+θ₆)，用以旋转矩阵P中对应的两列元素ET，并且用以旋转子矩阵320所在位置的两行元素ET。

在处理完元素R(1,5)后，其余的元素(如R(2,4)、R(3,3)、R(4,2)及R(5,1))会同时处理。同样地，由于上述元素会为2的幂次倍，因此可分为多个2×2的子矩阵(如子矩阵330及子矩阵340)，以同时对这些子矩阵进行奇异值分解及几何平均分解，其中奇异值分解可参照上述，几何平均分解的方程式可参照下列。

其中，*为任意值，δ为对角线几何平均值， 综合奇异值分解及几何平均分解的处理方式，子矩阵320转换的方程式可参照下列：

在本实施例中，左旋角度drg＝(θ₁+θ₃)，用以旋转矩阵Q中对应的两行的元素ET，并且用以旋转子矩阵330及子矩阵340各别所在位置的两列元素ET。右旋角度drg＝(θ₂+θ₄)，用以旋转矩阵P中对应的两列元素ET，并且用以旋转子矩阵320及子矩阵340各别所在位置的两行元素ET。

在经过奇异值分解及几何平均分解处理后，会将子矩阵320及子矩阵340在对角线上的元素通过元素交换进行交换(也就是对子矩阵350进行元素交换)，并且在交换后会再进行一次奇异值分解及几何平均分解(也就是对子矩阵360及子矩阵370进行奇异值分解及几何平均)，以经由多次的奇异值分解及几何平均分解使对角线上的元素R(2,4)、R(3,3)、R(4,2)及R(5,1)自然呈现均衡。由于对角线上的元素ET的几何平均值会维持相同，因此经过不同的处理方式仍会保持相同。

在本发明的一实施例中，旋转角度可能过大而影响矩阵的处理，因此当旋转角度是否过大时，则将旋转角度减去90度后带入对应的三角函数，例如sin(-90)＝-cos(θ)，cos(θ-90)＝sin(θ)。并且，对矩阵Q及R进行矩阵旋转的时间不同于对矩阵R及无线通道信息矩阵S进行矩阵旋转的时间，因此可利用同一套硬件来执行矩阵旋转(例如坐标旋转数字计算机)，以致于硬件成本及电力消耗不会大幅增加。

在本实施例中，在矩阵R的对角线上的元素ET均衡后，其同步旋转后的矩阵P可提供作为通道状态信息V1，其同步旋转后的矩阵Q可提供作为解码参考矩阵T。并且，上述实施例是假设对角线的元素ET的数量不等于2的幂次倍，但在对角线的元素ET的数量等于2的幂次倍时，其处理方式相似于对元素R(2,4)、R(3,3)、R(4,2)及R(5,1)的处理方式，可参照上述实施例所述，在此则不再赘述。换言之，本发明实施例可应用于任意数的M×M的矩阵，其中M为任意整数。

在本实施例中，元素R(1,5)、R(2,4)、R(3,3)、R(4,2)及R(5,1)的对角线几何平均 值为元素R(1,5)、R(2,4)、R(3,3)、R(4,2)及R(5,1)的实数值的相乘后的乘积开根N次方，其 中对角线几何平均值可表示为N为对角线上元素ET的数量(在此为5)，并且δ_X为对角 线上元素ET相乘的乘积。在本实施例中，可表示为也就是将对角线上 实数元素相乘后的乘积以指数函数及自然对数表示。接着，lnδ_X可进一步表示为也就是可进一步表示为 因此，可经由坐标旋转数字计算机计算出对角线几何平均值

在某些实施例中，坐标旋转数字计算机是通过递回运算求出结果，输入的数值可能过大或过小，以致于可能造成运算上的误差。因此，当输入的数值过大时，则通过位移将数值缩小，再补回常数修正，例如右移X+1个位，则补回ln(2^X+1)；当输入的数值过小时，则通过位移先放大，再补回常数修正，例如左移X+1个位，则补回-ln(2^X+1)。另一方面，当指数的数值部分是负数或太小的时候，可能会以具有大的正值的指数与具有大的负值的指数相加来趋近，但上述运算方式会影响运算的精确度。因此当指数的数值部分是负数或太小时，可加上任意常数y，最后再利用规范符号编码(Canonical Signed Digit，简称：CSD)补上常数e^-y。

并且，由于通道矩阵H的分解及将矩阵P还原至单位矩阵是通过矩阵旋转，因此部分的硬件可共用(例如坐标旋转数字计算机)，因此硬件成本及电力消耗不会大幅增加。

图4为本发明一实施例的多输入多输出无线通信系统的通道分解方法的流程图。请参照图4，在本实施例中，通道分解方法至少包括下列步骤。会通过通道估测单元估测无线通道以提供具有多个复数元素的通道矩阵(步骤S410)，并且通过通道分解单元分解通道矩阵后提供一通道状态信息(步骤S420)。接着，通过量化单元依据通道状态信息提供一无线通道信息(步骤S430)，以及通过预编码单元依据多个传输数据流及无线通道信息提供多个传输符元至无线通道(步骤S440)。

并且，本实施例的步骤S420包括：通过通道分解单元将通道矩阵通过第一矩阵旋转使其一对角线的这些复数元素转换为多个实数元素(步骤S421)；依据对角线的这些实数元素的数量决定是否将这些实数元素分为多个运算部分(步骤S423)；当实数元素未分为多个运算部分时，也就是步骤S423的判断结果为“否”，则通道分解单元通过奇异值分解、矩阵分解及元素交换均衡这些实数元素(步骤S425)；当实数元素分为多个运算部分时，也就是步骤S423的判断结果为“是”，则运算部分的其中之一通过奇异值分解、矩阵分解及元素交换均衡这些实数元素，其余运算部分通过奇异值分解及第二矩阵旋转旋转这些实数元素至等于对角线几何平均值(步骤S427)；在步骤S425及S427之后，会通过通道分解单元依据这些复数元素进行第一矩阵旋转、第二矩阵旋转、奇异值分解、矩阵分解及元素交换的多个旋转角度逐行旋转一第一单位矩阵及逐列旋转一第二单位矩阵以取得通道状态信息(步骤S429)。其中，上述步骤S410、S420、S421、S423、S425、S427、S429、S430、S440的顺序为用以说明，本发明实施例不以此为限。并且上述步骤S410、S420、S421、S423、S425、S427、S429、S430、S440的细节可参照图1、图2A至2Q、图3的实施例所示，在此则不再赘述。

综上所述，本发明实施例的多输入多输出无线通信系统及其通道分解方法，在通过第一矩阵旋转将通道矩阵直接分解为三个矩阵，并且这三个矩阵的矩阵大小相同于通道矩阵。因此，可降低分解通道矩阵所要的存储器空间及运算复杂度。并且，可通过第二矩阵旋转及矩阵分解均衡对角线的元素的数值，以均化天线的功率值。此外，进行第二矩阵旋转和/或矩阵分解可使用相同的硬件可共用(例如坐标旋转数字计算机)，因此可降低硬件成本。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.一种多输入多输出无线通信系统，其特征在于，包括：

预编码单元，接收多个传输数据流及量化的无线通道信息，以提供多个传输符元至无线通道；

通道估测单元，用以估测该无线通道以提供具有多个复数元素的通道矩阵；

通道分解单元，用以分解该通道矩阵后提供通道状态信息，其中该通道分解单元将该通道矩阵通过第一矩阵旋转使其对角线的该些复数元素转换为多个实数元素且依据该对角线的该些实数元素的数量决定是否将该些实数元素分为多个运算部分，当该些实数元素未分为多个运算部分时，该通道分解单元通过奇异值分解、矩阵分解及元素交换均衡该些实数元素，当该些实数元素分为多个运算部分时，该些运算部分的其中之一通过该奇异值分解、该矩阵分解及该元素交换均衡对应部分的实数元素，该些运算部分的其余部分通过该奇异值分解及第二矩阵旋转旋转对应部分的实数元素至等于对角线几何平均值，该通道分解单元依据该些复数元素进行该第一矩阵旋转、该第二矩阵旋转、该奇异值分解、该矩阵分解及该元素交换的多个旋转角度逐行旋转第一单位矩阵及逐列旋转第二单位矩阵以取得该通道状态信息；以及

量化单元，依据该通道状态信息提供该无线通道信息。

2.根据权利要求1所述的多输入多输出无线通信系统，其特征在于，当该对角线的该些实数元素的数量为2的幂次倍时，将该对角线的该些实数元素分为多个子矩阵以分别通过该奇异值分解、该矩阵分解及该元素交换均衡该些实数元素，并且该对角线的该些实数元素的数量不等于2的幂次倍时，将该对角线的该些实数元素分为第一运算部分及第二运算部分，该第一运算部分的该些实数元素通过该奇异值分解及该第二矩阵旋转旋转至等于该对角线几何平均值，该第二运算部分分为多个子矩阵以分别通过该奇异值分解、该矩阵分解及该元素交换均衡该些实数元素，其中该第二运算部分包含的该些实数元素的数量为2的幂次。

3.根据权利要求2所述的多输入多输出无线通信系统，其特征在于，在第一运算部分中，当该对角线上各该些实数元素与该对角线上相邻的实数元素的实数值未包夹该对角线几何平均值时，通过该元素交换使该些实数元素的其余实数元素依序与各该些实数元素相邻，当该对角线上各该些实数元素与该对角线上相邻的实数元素的实数值包夹该对角线几何平均值时，通过该奇异值分解及该第二矩阵旋转旋转各该些实数元素与相邻的实数元素，以使各该些实数元素的数值等于该对角线几何平均值。

4.根据权利要求1所述的多输入多输出无线通信系统，其特征在于，该对角线几何平均值为该对角线上该些实数元素相乘后开根N次方，其中N等于该些实数元素的数量。

5.根据权利要求4所述的多输入多输出无线通信系统，其特征在于，该通道分解单元将该些实数元素相乘后的乘积以指数函数及自然对数表示，以通过坐标旋转数字计算器计算该对角线几何平均值。

6.根据权利要求1所述的多输入多输出无线通信系统，其特征在于，该第一矩阵旋转为吉文斯旋转，该第二矩阵旋转为平面旋转，该矩阵分解为几何平均分解。

7.一种多输入多输出无线通信系统的通道分解方法，其特征在于，包括：

通过通道估测单元估测无线通道以提供具有多个复数元素的通道矩阵；

通过通道分解单元分解该通道矩阵后提供通道状态信息，包括：

通过该通道分解单元将该通道矩阵通过第一矩阵旋转使其对角线的该些复数元素转换为多个实数元素；

通过该通道分解单元且依据该对角线的该些实数元素的数量决定是否将该些实数元素分为多个运算部分；

当该实数元素未分为多个运算部分时，该通道分解单元通过奇异值分解、矩阵分解及元素交换均衡该些实数元素；

当该实数元素分为多个运算部分时，该些运算部分的其中之一通过该奇异值分解、该矩阵分解及该元素交换均衡对应部分的实数元素，该些运算部分的其余运算部分通过该奇异值分解及第二矩阵旋转旋转对应部分的实数元素至等于对角线几何平均值；以及

通过该通道分解单元依据该些复数元素进行该第一矩阵旋转、该第二矩阵旋转、该奇异值分解、该矩阵分解及该元素交换的多个旋转角度逐行旋转第一单位矩阵及逐列旋转第二单位矩阵以取得该通道状态信息；

通过量化单元依据该通道状态信息提供无线通道信息；以及

通过预编码单元依据多个传输数据流及该无线通道信息提供多个传输符元至该无线通道。

8.根据权利要求7所述的多输入多输出无线通信系统的通道分解方法，其特征在于，还包括

当该对角线的该些实数元素的数量为2的幂次倍时，将该对角线的该些实数元素分为多个子矩阵以分别通过该奇异值分解、该矩阵分解及该元素交换均衡该些实数元素；以及

当该对角线的该些实数元素的数量不等于2的幂次倍时，将该对角线的该些实数元素分为第一运算部分及第二运算部分，该第一运算部分的该些实数元素通过该奇异值分解及该第二矩阵旋转旋转至等于该对角线几何平均值，该第二运算部分分为多个子矩阵以分别通过奇异值分解、该矩阵分解及元素交换均衡该些实数元素，其中该第二运算部分包含的该些实数元素的数量为2的幂次。

9.根据权利要求8所述的多输入多输出无线通信系统的通道分解方法，其特征在于，还包括：

当该第一运算部分中该对角线上各该些实数元素与该对角线上相邻的实数元素的实数值未包夹该对角线几何平均值时，通过该元素交换使该些实数元素的其余实数元素依序与各该些实数元素相邻；以及

当该对角线上各该些实数元素与该对角线上相邻的实数元素的实数值包夹该对角线几何平均值时，通过该奇异值分解及该第二矩阵旋转旋转各该些实数元素与相邻的实数元素，以使各该些实数元素的数值等于该对角线几何平均值。

10.根据权利要求7所述的多输入多输出无线通信系统的通道分解方法，其特征在于，该对角线几何平均值为该对角线上该些实数元素相乘后开根N次方，其中N等于该些实数元素的数量。

11.根据权利要求10所述的多输入多输出无线通信系统的通道分解方法，其特征在于，该通道分解单元将该些实数元素相乘后的乘积以指数函数及自然对数表示，以通过坐标旋转数字计算机计算该对角线几何平均值。

12.根据权利要求7所述的多输入多输出无线通信系统的通道分解方法，其特征在于，该第一矩阵旋转为吉文斯旋转，该第二矩阵旋转为平面旋转，该矩阵分解为几何平均分解。