一種基于mgs的qrd結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種基于MGS的QRD結(jié)構(gòu)，包括第一模塊CORE_GEQRT和第二模塊CORE_TTQRT，所述第一模塊CORE_GEQRT用來對輸入的2×2矩陣[a1,a2]通過MGS算法進(jìn)行QR分解輸出q1,r11,r22,sign(f(A)),r12,q2，其中[q1,q2]為Q矩陣、r11,r12,r22組成上三角矩陣R、sign(f(A))＝(a21a12?a11a22)/r11；將得到的兩個R矩陣作為第二模塊CORE_TTQRT的輸入與[1,0；01]、[0,0；0,0]共同組成矩陣[a11,a12,1,0；0,a22,0,1；a31,a32,0,0；0,a42,0,0]，最終得到4×2的矩陣。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、能夠提高整體性能等優(yōu)點。
【專利說明】
-種基于MGS的QRD結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明主要設(shè)及到大規(guī)模多天線技術(shù)領(lǐng)域，特指一種基于改進(jìn)的斯密特正交化 (Modified Gram Schmidt,MGS)算法的新型2X2瓦片QR分解（QR Decomposition,QRD)結(jié) 構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 大規(guī)模多天線技術(shù)(multiple input multiple output,MIMO)是下一代通信技術(shù) (5G)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，基站端配備有上百根天線，可同時服務(wù)幾十個 用戶（簡單起見，每個用戶只具有1根天線）。運與傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)中4根基站天線，服務(wù)4個 單天線用戶（簡稱4X4MIM0系統(tǒng)）的情況相比，更多的天線提供了更多的復(fù)用增益和分集增 益。而且，在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，簡單的線性信號處理過程就可W達(dá)到近似最優(yōu)性能。
[0003] 在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，通過在基站裝備大量的天線W提供更大的自由度來容納更 多的信息。因此，大規(guī)模MIMO相比傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)能更好的提高頻譜利用率、信道容量和連 接可靠性。與傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)相比，大規(guī)模MIMO的基帶信號處理算法的矩陣維數(shù)幾倍甚至 幾十倍。尤其是當(dāng)算法設(shè)及到矩陣逆運算和QR分解等。為了克服大規(guī)模矩陣復(fù)雜度瓶頸，需 要設(shè)計一種新的結(jié)構(gòu)來加速關(guān)鍵的矩陣算法單元。
[0004] QRD在MIMO系統(tǒng)中取得廣泛的運用，并且在一些已知的工作中，QRD在發(fā)送端成為 了一個必不可少的組件。一般來說，QRD被用來分解信道響應(yīng)矩陣H成為一個酉矩陣Q和一個 上=角矩陣R。在大規(guī)模MIMO中，用戶的數(shù)目和基站的天線數(shù)在一個很大的范圍內(nèi)變化。H的 維數(shù)在一個很大的范圍內(nèi)變化，它需要QRD硬件結(jié)構(gòu)來分解運個多維的矩陣。就目前而言， 在無線通信領(lǐng)域中已存在的QRD硬件結(jié)構(gòu)主要集中在一個或幾個固定維數(shù)的矩陣。因此，靈 活的QRD硬件結(jié)構(gòu)對將來無線通信系統(tǒng)具有十分重大的意義。
[000引如圖1和圖2所示，傳統(tǒng)的MGS算法硬件結(jié)構(gòu)主要分為DP、TP兩個模塊。其中DP模塊 主要用來廣生Qj和rjj ,TP板塊主要用來廣生更新的矩降婷和rji ,DMP主要用來廣生Qj Jjj， 。,'。'印。
[0006] 在DP模塊中對輸入的矩陣列向量a^，首先，將其每個元素分別輸入到平方模塊Ml、 平方模塊M2、平方模塊M3、平方模塊M4中，得到的結(jié)果存入Bufferl。然后，將得到的結(jié)果分 別輸入到加法器Ml、加法器M2中，得到的結(jié)果分別輸入到加法器M3中，加法器M3得到的結(jié)果 存入Buffers中。Buffers中得到的結(jié)果，輸入到開更號模塊Ml中得到結(jié)果rjjoBufferS中得 到的結(jié)果作為除數(shù)，叫作為被除數(shù)其每個元素分別輸入到除法器Ml、除法器M2、除法器M3、 除法器M4中得到結(jié)果Qj存入Buff er4中。
[0007] 在TP模塊中對輸入的矩陣列向量ai和Qj，其中i依次遞增（i< = 3)且每一個Qj對應(yīng) ao、曰1、曰2、曰3，ai依次作為輸入，與Qj分別輸入到乘法器Ml、乘法器M2、乘法器M3、乘法器M4，得 到的結(jié)果存入Buf f er 1中。從Buf f er 1中讀出結(jié)果分別存入到加法器M4、加法器M5得到的結(jié) 果存入輸入到加法器M6,得到的結(jié)果存入Buffers中。從Buffers中得到的結(jié)果和輸入的列 向量qj中的每個元素分別輸入到乘法器M5、乘法器M6、乘法器M7、乘法器M8,得到的結(jié)果存 入到Buffers中。將Buffers中得到的結(jié)果作為減數(shù)ai作為被減數(shù)分別輸入到減法器Ml、減 法器M2、減法器M3、減法器M4，得到結(jié)果婷。
[0008] 在上述傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，大規(guī)模MIMO矩陣維數(shù)較大，導(dǎo)致設(shè)及QRD算法時極大的增加了 基站的運算復(fù)雜度，

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于:針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一 種結(jié)構(gòu)簡單、能夠提高整體性能的基于MGS的QRD結(jié)構(gòu)。
[0010] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案：
[0011] 一種基于MGS的Q畑結(jié)構(gòu)，包括第一模塊C0RE_GEQRT和第二模塊C0RE_TTQRT，所述 第一模塊C0RE_GEQRT用來對輸入的2 X 2矩陣[ai，曰2]通過MGS算法進(jìn)行QR分解輸出qi，m， 。2,3；[即（^4))，1'12,92，其中[91，92]為0矩陣、1'11，1'12，做組成上；角矩陣1?、3；[即（^4))= (a2iai2-aiia22)rii;將得到的兩個R矩陣作為第二模塊C0RE_TTQRT的輸入與[1，0;01]、[0,0; 0,0]共同組成矩陣[曰11，曰12，1，0;0，曰22,0山曰31，曰32,0,0;0，曰42,0,0]，最終得到4乂2的矩陣。
[0012] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述第一模塊C0RE_GEQRT包括：
[OOU]首先將輸入的2 X 2矩陣存入bufferl，通過選擇器將存入的矩陣向量ai的元素 ail 作為乘法器1的兩個輸入、321作為乘法器2的兩個輸入。將得到的兩個輸出4和扁作為加法 器1的輸入端，加法器1得到結(jié)果請存入buffed;將加法器1得到的結(jié)果從buffers中讀出輸 入進(jìn)行開根號模塊1，將開根號運算得到的結(jié)S
存入buffer4。將 向量ai作除法器的被除數(shù)、m作為除數(shù)分別輸入到除法器1和除法器2中，得到的結(jié)果qi存 入buffer5;
[0014] 當(dāng)向量輸入到bufferl后，從buffer 1讀出向量ai的同時讀出向量日2,首先將ail變 為-ail，然后將數(shù)據(jù)-ail，ai2，曰21，曰22存入buffer2;當(dāng)請輸入到開根號模塊1時，ai2，曰21作為乘 法器1的輸入、曰22，-曰11作為乘法器2的輸入，將得到的兩個輸出作為加法器1的輸入，最終將 得到的輸出f (A)存入buf fer3中；將f (A)從buf fer3中讀出進(jìn)行取絕對值運算，得到的值輸 入至化Uffer4中；同時，取f (A)的符號作為輸出Sign的值，將If (A) I與m從buffer4中讀出輸 入除法模塊3中，將運算結(jié)果r22存入buffers;
[001引當(dāng)f(A)計算完成后，將元素 aii，ai2輸入到乘法器1，將元素日21，日22輸入乘法器2,將 得到的輸出作為加法器1的輸入，加法器1得到的結(jié)果存入buffer4;將加法器1得到的結(jié)果 從buff er4中取出來與rii共同接入到除法模塊4的輸入端，得到結(jié)果ru存入buffers;
[0016] 當(dāng)?shù)玫絨i與Sign(f(A))后，將其輸入到輸入到選擇器2中，其中Sign(f(A))作為條 件信號。當(dāng)5;[即（^4))為正時921 = 912,922 = -911，當(dāng)5;[即（^4))為負(fù)時921 = -912,922 = 911。 得到的Q2作為輸出。
[0017] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述第二模塊CORE_TTQRT包括:包括第S模塊QR和第 四模塊Column update;所述第S模塊QR是全流水結(jié)構(gòu)，在第一個時鐘周期先對其輸入矩陣 A_1 = [ an，1;曰31，0 ]進(jìn)行QR操作，在第二個時鐘周期對其輸入矩陣A_2 =[曰22，1;曰42，0 ]進(jìn)行 QR操作；首先，將輸入的2 X 2矩陣存入buff erl，通過選擇器將存入的矩陣向量ai的元素 ail 作為乘法器3的兩個輸入、曰21作為乘法器4的兩個輸入，同時，取曰21的符號作為輸出Sign;將 得到的兩個輸出瑞和4作為加法器2的輸入端，加法器I得到結(jié)果請存入buffers;將加法 器2得到的結(jié)果輸入進(jìn)行開根號模塊2,將開根號運算得到的結(jié)果
作為輸出；將向量ai作除法器5的被除數(shù)、rii作為除數(shù)輸入到除法器6,得到的結(jié)果qi作為輸 出。其中ri2 = qii，r22 = qi2;
[001引得到Sign與qi后，將Sign與qi作為選擇器的輸入，其中Sign作為選擇信號。當(dāng)Sign 為正時輸出為921 = 912,922 = -911，當(dāng)51邑11為負(fù)時輸出為921 = -912,922 = 911;得到的92作為輸 出；
[0019] 得到A_1的Q矩陣后，對日12，日3通過Column update進(jìn)行列更新操作；將aii，qi2作為 乘法器5的輸入曰21，Q22輸入乘法器6，將ail，qii輸入乘法器7，將曰21，Q21輸入乘法器8;乘法器5 和乘法器6得到的結(jié)果輸入加法器3得到結(jié)果咕，乘法器7和乘法器8得到的結(jié)果輸入加法器 2得到結(jié)果。L;得到矩陣4i+,Lk。取矩陣4說，沖子矩降[4,席如誠]進(jìn)行與A_1同樣的操作 后，對向劃如，0贓行更新操作，得到2 X 2的R矩陣。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[00別]本發(fā)明的基于MGS的QRD結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、能夠提高整體性能，解決了大規(guī)模MIMO矩 陣維數(shù)較大，導(dǎo)致設(shè)及QRD算法時極大的增加了基站的運算復(fù)雜度運一問題。由于QRD瓦片 算法十分適用于未來無線通信系統(tǒng)，而其瓶頸在于2 X 2瓦片的計算，因此，本發(fā)明所提出的 2 X 2瓦片結(jié)構(gòu)十分具有意義。
【附圖說明】
[0022]圖1是傳統(tǒng)MGS算法中DP的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。
[002引圖2是傳統(tǒng)MGS算法中TP的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖3是本發(fā)明在具體應(yīng)用實例中C0RE_GEQRT的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖4是本發(fā)明在具體應(yīng)用實例中C0RE_TTQRT的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】：
[0026] W下將結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0027] 本發(fā)明的MGS結(jié)構(gòu)包括:C0RE_GEQRT和C0RE_TTQRT，其中C0RE_GEQRT用來對輸入的 2 X 2矩陣[曰1，曰2 ]通過MGS算法進(jìn)行QR分解輸出qi，rii，T22，Sign(f (A))，ru，Q2，其中[qi，Q2] 為Q矩陣、rii，ri2，r22組成上S角矩陣R、si即（f (A)) = (a2iai2-aiia22)rii。將得到的兩個R矩 陣作為C0RE_TTQRT的輸入與[1，0;01]、[0,0;0,0]共同組成矩陣[ail，日12，1，0;0，日22,0，1; 日31，日32,0,0;0，日42,0,0]，最終得到4X2的矩陣。
[002引在具體應(yīng)用實例中，如圖3所示，C0RE_GEQRT的硬件組成為：
[0029]首先將輸入的2 X 2矩陣存入bufferl，通過選擇器將存入的矩陣向量ai的元素 ail 作為乘法器1的兩個輸入、321作為乘法器2的兩個輸入。將得到的兩個輸出堿和4作為加法 器1的輸入端，加法器1得到結(jié)果/I 2I存入buffers。將加法器1得到的結(jié)果從buffed中讀出輸 入進(jìn)行開根號模塊1，將開根號運算得到的結(jié)勇
字入buffer4。將 向量ai作除法器的被除數(shù)、rii作為除數(shù)分別輸入到除法器I和除法器2中，得到的結(jié)果qi存 入buffer5。
[0030] 當(dāng)向量輸入到buf f er 1后，從buf f er 1讀出向量ai的同時讀出向量日2，首先將ail變 為-ail，然后將數(shù)據(jù)-ail，曰12，曰21，曰22存入buf f er2。當(dāng)巧巧俞入到開根號模塊1時，曰12，曰21作為乘 法器1的輸入、曰22，-曰11作為乘法器2的輸入，將得到的兩個輸出作為加法器1的輸入，最終將 得到的輸出f (A)存入buffed中。將f (A)從buffed中讀出進(jìn)行取絕對值運算，得到的值輸 入到buffer4中；同時，取f (A)的符號作為輸出Si即的值，將I f (A) I與rii從buffer4中讀出輸 入除法模塊3中，將運算結(jié)果K2存入buf f er5。
[0031] 當(dāng)f(A)計算完成后，將元素 aii，ai2輸入到乘法器1，將元素曰21，曰22輸入乘法器2,將 得到的輸出作為加法器1的輸入，加法器1得到的結(jié)果存入buffer4。將加法器1得到的結(jié)果 從buffer4中取出來與rii共同接入到除法模塊4的輸入端，得到結(jié)果存入buffers。
[0032] 當(dāng)?shù)玫絨i與Sign(f(A))后，將其輸入到輸入到選擇器2中，其中Sign(f(A))作為條 件信號。當(dāng)5;[即（^4))為正時921 = 912,922 = -911，當(dāng)5;[即（^4))為負(fù)時921 = -912,922 = 911。 得到的Q2作為輸出。
[0033] 如圖4所示，在具體應(yīng)用實例中，C0RE_TTQRT包括QR和Column update兩個模塊。QR
模塊是全流水結(jié)構(gòu)，在第一個時鐘周期先對其輸入矩陣4_1 =[日11，1;日31，0]進(jìn)行91?操作，在 第二個時鐘周期對其輸入矩陣4_2=[曰22山曰42,0]進(jìn)行91?操作。首先，將輸入的2乂2矩陣存 入buff erl，通過選擇器將存入的矩陣向量ai的元素 ail作為乘法器3的兩個輸入、曰21作為乘 法器4的兩個輸入，同時，取曰21的符號作為輸出Sign。將得到的兩個輸出省和喊作為加法器 2的輸入端，加法器1得到結(jié)穿r 2左> '心*n、>±W2得到的結(jié)果輸入進(jìn)行開根號模塊 2,將開根號運算得到的結(jié)果 F為輸出。將向量ai作除法器5的被 除數(shù)、rii作為除數(shù)輸入到除fe帯b，巧判的結(jié)巧qi化刃綱出。其中ri2 = qii，T22 = qi2。
[0034] 得到Sign與qi后，將Sign與qi作為選擇器的輸入，其中Sign作為選擇信號。當(dāng)Sign 為正時輸出為921 = 912,922 = -911，當(dāng)51邑11為負(fù)時輸出為921 = -912,922 = 911。得到的92作為輸 出。
[003引得到A_1的Q矩陣后，對ai2，曰32通過Colu皿update進(jìn)行列更新操作。將ail，qi2作為 乘法器5的輸入曰21，Q22輸入乘法器6，將ail，qii輸入乘法器7，將曰21，Q21輸入乘法器8。乘法器5 和乘法器6得到的結(jié)果輸入加法器3得到結(jié)果aI。，乘法器7和乘法器8得到的結(jié)果輸入加法器 2得到結(jié)果"L。得到矩陣4+。,*。取矩陣4,。,*中子矩陣["L炸堿，堿]進(jìn)行與A_1同樣的操作 后，對向量|>山。〇]進(jìn)行更新操作。得到2X2的R矩陣。
[0036] W上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例， 凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護 范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種基于MGS的QRD結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括第一模塊CORE_GEQRT和第二模塊CORE_ TTQRT，所述第一模塊CORE_GEQRT用來對輸入的2 X 2矩陣[ai，曰2 ]通過MGS算法進(jìn)行QR分解輸 出qi,;rii,r22，si即（f (A)) ,；Ti2，q2,其中[qi，q2]為Q矩陣、rii，:ri2，r22組成上S角矩陣R、si即 (f(A)) = (a2iai2-aiia22)/rii;將得到的兩個R矩陣作為第二模塊CORE_TTQRT的輸入與[1，0; 01]、[0,0;0,0]共同組成矩陣[an，日12，1，0;0，日22,0，1;日31，日32,0,0;0，日42，0,0]，最終得到4 X 2的矩陣。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MGS的QRD結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一模塊CORE_GEQRT包 括： 首先將輸入的2 X 2矩陣存入bufferl，通過選擇器將存入的矩陣向量ai的元素 ail作為 乘法器1的兩個輸入、321作為乘法器2的兩個輸入;將得到的兩個輸出4和α盞作為加法器1 的輸入端，加法器1得到結(jié)果存入buffers;將加法器1得到的結(jié)果從buffers中讀出輸入 進(jìn)行開根號模塊1，將開根號運算得到的結(jié)果存入buffer4;將向 量ai作除法器的被除數(shù)、m作為除數(shù)分別輸入到除法器1和除法器2中，得到的結(jié)果qi存入 buffers； 當(dāng)向量輸入到buff erl后，從buff er 1讀出向量ai的同時讀出向量日2，首先將ail變?yōu)? all，然后將數(shù)據(jù)-all，al2，a2l，a22存入buffer2;當(dāng)請輸入到開根號模塊l時，al2，a2l作為乘法 器1的輸入、曰22，-曰11作為乘法器2的輸入，將得到的兩個輸出作為加法器1的輸入，最終將得 到的輸出f(A)存入buffed中；將f(A)從buffers中讀出進(jìn)行取絕對值運算，得到的值輸入 到buffer4中；同時，取f (A)的符號作為輸出Si即的值，將I f (A) I與rii從buffer4中讀出輸入 除法模塊3中，將運算結(jié)果?2存入buffers; 當(dāng)f(A)計算完成后，將元素 aii，ai2輸入到乘法器1，將元素日21，日22輸入乘法器2,將得到 的輸出作為加法器1的輸入，加法器1得到的結(jié)果存入buff er4;將加法器1得到的結(jié)果從 buff er4中取出來與rii共同接入到除法模塊4的輸入端，得到結(jié)果存入buffers; 當(dāng)?shù)玫絨i與Sign(f(A))后，將其輸入到輸入到選擇器2中，其中Sign(f(A))作為條件信 號；當(dāng)51邑11(^4))為正時921 = 912,922 = -911，當(dāng)51邑]1(^4))為負(fù)時921 = -912,922 = 911，得到 的Q2作為輸出。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于MGS的QRD結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二模塊CORE, TTQRT包括:包括第Ξ模塊QR和第四模塊Column update;所述第Ξ模塊QR是全流水結(jié)構(gòu)，在 第一個時鐘周期先對其輸入矩陣A_1 = [ail，1;日31，0]進(jìn)行QR操作，在第二個時鐘周期對其 輸入矩陣4_2 =[曰22，1;曰42，0]進(jìn)行QR操作;首先，將輸入的2 X 2矩陣存入buf f er 1，通過選擇 器將存入的矩陣向量ai的元素 ail作為乘法器3的兩個輸入、321作為乘法器4的兩個輸入，同 時，取曰21的符號作為輸出Sign;將得到的兩個輸出瑞和4作為加法器2的輸入端，加法器1 得到結(jié)果苗存入buff er2;將加法器2得到的結(jié)果輸入進(jìn)行開根號模塊2，將開根號運算得到 的結(jié)勇'乍為輸出；將向量ai作除法器5的被除數(shù)、rii作為除數(shù)輸入 到除法器6，得到的結(jié)果qi作為輸出；其中= qii，做=qi2; 得到Sign與qi后，將Sign與qi作為選擇器的輸入，其中Sign作為選擇信號；當(dāng)Sign為正 時輸出為Q21 = qi2，Q22 = -qil，當(dāng)Sign為負(fù)時輸出為Q21 = -qi2，Q22 = qil;得到的Q2作為輸出； 得到A_1的Q矩陣后，對日12，日32通過Column update進(jìn)行列更新操作；將aii，qi2作為乘法 器5的輸入曰21，Q22輸入乘法器6，將ail，qii輸入乘法器7，將曰21，Q21輸入乘法器8;乘法器5和乘 法器6得到的結(jié)果輸入加法器3得到結(jié)果αι?;，乘法器7和乘法器8得到的結(jié)果輸入加法器2得 至峭果。L;得到矩陣4+心,取矩陣4+。,*中子矩陣[誠化4,4]進(jìn)行與A_1同樣的操作后， 對向量進(jìn)行更新操作，得到2 X 2的R矩陣。
【文檔編號】H04L25/02GK105847194SQ201610172198
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月24日
【發(fā)明人】邢座程, 危樂, 劉蒼, 唐川, 原略超, 張洋, 王慶林, 王 鋒, 呂朝, 董永旺, 劉丹, 陳禮銳
【申請人】中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)