一种基于mgs的qrd结构的制作方法
【专利摘要】一种基于MGS的QRD结构，包括第一模块CORE_GEQRT和第二模块CORE_TTQRT，所述第一模块CORE_GEQRT用来对输入的2×2矩阵[a1,a2]通过MGS算法进行QR分解输出q1,r11,r22,sign(f(A)),r12,q2，其中[q1,q2]为Q矩阵、r11,r12,r22组成上三角矩阵R、sign(f(A))＝(a21a12?a11a22)/r11；将得到的两个R矩阵作为第二模块CORE_TTQRT的输入与[1,0；01]、[0,0；0,0]共同组成矩阵[a11,a12,1,0；0,a22,0,1；a31,a32,0,0；0,a42,0,0]，最终得到4×2的矩阵。本发明具有结构简单、能够提高整体性能等优点。
【专利说明】
-种基于MGS的QRD结构
技术领域
[0001] 本发明主要设及到大规模多天线技术领域，特指一种基于改进的斯密特正交化 (Modified Gram Schmidt,MGS)算法的新型2X2瓦片QR分解（QR Decomposition,QRD)结 构。
【背景技术】
[0002] 大规模多天线技术(multiple input multiple output,MIMO)是下一代通信技术 (5G)的关键技术之一。在大规模MIMO系统中，基站端配备有上百根天线，可同时服务几十个 用户（简单起见，每个用户只具有1根天线）。运与传统的MIMO系统中4根基站天线，服务4个 单天线用户（简称4X4MIM0系统）的情况相比，更多的天线提供了更多的复用增益和分集增 益。而且，在大规模MIMO系统中，简单的线性信号处理过程就可W达到近似最优性能。
[0003] 在大规模MIMO系统中，通过在基站装备大量的天线W提供更大的自由度来容纳更 多的信息。因此，大规模MIMO相比传统的MIMO系统能更好的提高频谱利用率、信道容量和连 接可靠性。与传统的MIMO系统相比，大规模MIMO的基带信号处理算法的矩阵维数几倍甚至 几十倍。尤其是当算法设及到矩阵逆运算和QR分解等。为了克服大规模矩阵复杂度瓶颈，需 要设计一种新的结构来加速关键的矩阵算法单元。
[0004] QRD在MIMO系统中取得广泛的运用，并且在一些已知的工作中，QRD在发送端成为 了一个必不可少的组件。一般来说，QRD被用来分解信道响应矩阵H成为一个酉矩阵Q和一个 上=角矩阵R。在大规模MIMO中，用户的数目和基站的天线数在一个很大的范围内变化。H的 维数在一个很大的范围内变化，它需要QRD硬件结构来分解运个多维的矩阵。就目前而言， 在无线通信领域中已存在的QRD硬件结构主要集中在一个或几个固定维数的矩阵。因此，灵 活的QRD硬件结构对将来无线通信系统具有十分重大的意义。
[000引如图1和图2所示，传统的MGS算法硬件结构主要分为DP、TP两个模块。其中DP模块 主要用来广生Qj和rjj ,TP板块主要用来广生更新的矩降婷和rji ,DMP主要用来广生Qj Jjj， 。,'。'印。
[0006] 在DP模块中对输入的矩阵列向量a^，首先，将其每个元素分别输入到平方模块Ml、 平方模块M2、平方模块M3、平方模块M4中，得到的结果存入Bufferl。然后，将得到的结果分 别输入到加法器Ml、加法器M2中，得到的结果分别输入到加法器M3中，加法器M3得到的结果 存入Buffers中。Buffers中得到的结果，输入到开更号模块Ml中得到结果rjjoBufferS中得 到的结果作为除数，叫作为被除数其每个元素分别输入到除法器Ml、除法器M2、除法器M3、 除法器M4中得到结果Qj存入Buff er4中。
[0007] 在TP模块中对输入的矩阵列向量ai和Qj，其中i依次递增（i< = 3)且每一个Qj对应 ao、曰1、曰2、曰3，ai依次作为输入，与Qj分别输入到乘法器Ml、乘法器M2、乘法器M3、乘法器M4，得 到的结果存入Buf f er 1中。从Buf f er 1中读出结果分别存入到加法器M4、加法器M5得到的结 果存入输入到加法器M6,得到的结果存入Buffers中。从Buffers中得到的结果和输入的列 向量qj中的每个元素分别输入到乘法器M5、乘法器M6、乘法器M7、乘法器M8,得到的结果存 入到Buffers中。将Buffers中得到的结果作为减数ai作为被减数分别输入到减法器Ml、减 法器M2、减法器M3、减法器M4，得到结果婷。
[0008] 在上述传统结构中，大规模MIMO矩阵维数较大，导致设及QRD算法时极大的增加了 基站的运算复杂度，
【发明内容】
[0009] 本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一 种结构简单、能够提高整体性能的基于MGS的QRD结构。
[0010] 为解决上述技术问题，本发明采用W下技术方案：
[0011] 一种基于MGS的Q畑结构，包括第一模块C0RE_GEQRT和第二模块C0RE_TTQRT，所述 第一模块C0RE_GEQRT用来对输入的2 X 2矩阵[ai，曰2]通过MGS算法进行QR分解输出qi，m， 。2,3；[即（^4))，1'12,92，其中[91，92]为0矩阵、1'11，1'12，做组成上；角矩阵1?、3；[即（^4))= (a2iai2-aiia22)rii;将得到的两个R矩阵作为第二模块C0RE_TTQRT的输入与[1，0;01]、[0,0; 0,0]共同组成矩阵[曰11，曰12，1，0;0，曰22,0山曰31，曰32,0,0;0，曰42,0,0]，最终得到4乂2的矩阵。
[0012] 作为本发明的进一步改进:所述第一模块C0RE_GEQRT包括：
[OOU]首先将输入的2 X 2矩阵存入bufferl，通过选择器将存入的矩阵向量ai的元素 ail 作为乘法器1的两个输入、321作为乘法器2的两个输入。将得到的两个输出4和扁作为加法 器1的输入端，加法器1得到结果请存入buffed;将加法器1得到的结果从buffers中读出输 入进行开根号模块1，将开根号运算得到的结S
存入buffer4。将 向量ai作除法器的被除数、m作为除数分别输入到除法器1和除法器2中，得到的结果qi存 入buffer5;
[0014] 当向量输入到bufferl后，从buffer 1读出向量ai的同时读出向量日2,首先将ail变 为-ail，然后将数据-ail，ai2，曰21，曰22存入buffer2;当请输入到开根号模块1时，ai2，曰21作为乘 法器1的输入、曰22，-曰11作为乘法器2的输入，将得到的两个输出作为加法器1的输入，最终将 得到的输出f (A)存入buf fer3中；将f (A)从buf fer3中读出进行取绝对值运算，得到的值输 入至化Uffer4中；同时，取f (A)的符号作为输出Sign的值，将If (A) I与m从buffer4中读出输 入除法模块3中，将运算结果r22存入buffers;
[001引当f(A)计算完成后，将元素 aii，ai2输入到乘法器1，将元素日21，日22输入乘法器2,将 得到的输出作为加法器1的输入，加法器1得到的结果存入buffer4;将加法器1得到的结果 从buff er4中取出来与rii共同接入到除法模块4的输入端，得到结果ru存入buffers;
[0016] 当得到qi与Sign(f(A))后，将其输入到输入到选择器2中，其中Sign(f(A))作为条 件信号。当5;[即（^4))为正时921 = 912,922 = -911，当5;[即（^4))为负时921 = -912,922 = 911。 得到的Q2作为输出。
[0017] 作为本发明的进一步改进:所述第二模块CORE_TTQRT包括:包括第S模块QR和第 四模块Column update;所述第S模块QR是全流水结构，在第一个时钟周期先对其输入矩阵 A_1 = [ an，1;曰31，0 ]进行QR操作，在第二个时钟周期对其输入矩阵A_2 =[曰22，1;曰42，0 ]进行 QR操作；首先，将输入的2 X 2矩阵存入buff erl，通过选择器将存入的矩阵向量ai的元素 ail 作为乘法器3的两个输入、曰21作为乘法器4的两个输入，同时，取曰21的符号作为输出Sign;将 得到的两个输出瑞和4作为加法器2的输入端，加法器I得到结果请存入buffers;将加法 器2得到的结果输入进行开根号模块2,将开根号运算得到的结果
作为输出；将向量ai作除法器5的被除数、rii作为除数输入到除法器6,得到的结果qi作为输 出。其中ri2 = qii，r22 = qi2;
[001引得到Sign与qi后，将Sign与qi作为选择器的输入，其中Sign作为选择信号。当Sign 为正时输出为921 = 912,922 = -911，当51邑11为负时输出为921 = -912,922 = 911;得到的92作为输 出；
[0019] 得到A_1的Q矩阵后，对日12，日3通过Column update进行列更新操作；将aii，qi2作为 乘法器5的输入曰21，Q22输入乘法器6，将ail，qii输入乘法器7，将曰21，Q21输入乘法器8;乘法器5 和乘法器6得到的结果输入加法器3得到结果咕，乘法器7和乘法器8得到的结果输入加法器 2得到结果。L;得到矩阵4i+,Lk。取矩阵4说，冲子矩降[4,席如诚]进行与A_1同样的操作 后，对向劃如，0赃行更新操作，得到2 X 2的R矩阵。
[0020]与现有技术相比，本发明的优点在于：
[00別]本发明的基于MGS的QRD结构，结构简单、能够提高整体性能，解决了大规模MIMO矩 阵维数较大，导致设及QRD算法时极大的增加了基站的运算复杂度运一问题。由于QRD瓦片 算法十分适用于未来无线通信系统，而其瓶颈在于2 X 2瓦片的计算，因此，本发明所提出的 2 X 2瓦片结构十分具有意义。
【附图说明】
[0022]图1是传统MGS算法中DP的硬件结构示意图。
[002引图2是传统MGS算法中TP的硬件结构示意图。
[0024] 图3是本发明在具体应用实例中C0RE_GEQRT的硬件结构示意图。
[0025] 图4是本发明在具体应用实例中C0RE_TTQRT的硬件结构示意图。
【具体实施方式】：
[0026] W下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0027] 本发明的MGS结构包括:C0RE_GEQRT和C0RE_TTQRT，其中C0RE_GEQRT用来对输入的 2 X 2矩阵[曰1，曰2 ]通过MGS算法进行QR分解输出qi，rii，T22，Sign(f (A))，ru，Q2，其中[qi，Q2] 为Q矩阵、rii，ri2，r22组成上S角矩阵R、si即（f (A)) = (a2iai2-aiia22)rii。将得到的两个R矩 阵作为C0RE_TTQRT的输入与[1，0;01]、[0,0;0,0]共同组成矩阵[ail，日12，1，0;0，日22,0，1; 日31，日32,0,0;0，日42,0,0]，最终得到4X2的矩阵。
[002引在具体应用实例中，如图3所示，C0RE_GEQRT的硬件组成为：
[0029]首先将输入的2 X 2矩阵存入bufferl，通过选择器将存入的矩阵向量ai的元素 ail 作为乘法器1的两个输入、321作为乘法器2的两个输入。将得到的两个输出碱和4作为加法 器1的输入端，加法器1得到结果/I 2I存入buffers。将加法器1得到的结果从buffed中读出输 入进行开根号模块1，将开根号运算得到的结勇
字入buffer4。将 向量ai作除法器的被除数、rii作为除数分别输入到除法器I和除法器2中，得到的结果qi存 入buffer5。
[0030] 当向量输入到buf f er 1后，从buf f er 1读出向量ai的同时读出向量日2，首先将ail变 为-ail，然后将数据-ail，曰12，曰21，曰22存入buf f er2。当巧巧俞入到开根号模块1时，曰12，曰21作为乘 法器1的输入、曰22，-曰11作为乘法器2的输入，将得到的两个输出作为加法器1的输入，最终将 得到的输出f (A)存入buffed中。将f (A)从buffed中读出进行取绝对值运算，得到的值输 入到buffer4中；同时，取f (A)的符号作为输出Si即的值，将I f (A) I与rii从buffer4中读出输 入除法模块3中，将运算结果K2存入buf f er5。
[0031] 当f(A)计算完成后，将元素 aii，ai2输入到乘法器1，将元素曰21，曰22输入乘法器2,将 得到的输出作为加法器1的输入，加法器1得到的结果存入buffer4。将加法器1得到的结果 从buffer4中取出来与rii共同接入到除法模块4的输入端，得到结果存入buffers。
[0032] 当得到qi与Sign(f(A))后，将其输入到输入到选择器2中，其中Sign(f(A))作为条 件信号。当5;[即（^4))为正时921 = 912,922 = -911，当5;[即（^4))为负时921 = -912,922 = 911。 得到的Q2作为输出。
[0033] 如图4所示，在具体应用实例中，C0RE_TTQRT包括QR和Column update两个模块。QR
模块是全流水结构，在第一个时钟周期先对其输入矩阵4_1 =[日11，1;日31，0]进行91?操作，在 第二个时钟周期对其输入矩阵4_2=[曰22山曰42,0]进行91?操作。首先，将输入的2乂2矩阵存 入buff erl，通过选择器将存入的矩阵向量ai的元素 ail作为乘法器3的两个输入、曰21作为乘 法器4的两个输入，同时，取曰21的符号作为输出Sign。将得到的两个输出省和喊作为加法器 2的输入端，加法器1得到结穿r 2左> '心*n、>±W2得到的结果输入进行开根号模块 2,将开根号运算得到的结果 F为输出。将向量ai作除法器5的被 除数、rii作为除数输入到除fe帯b，巧判的结巧qi化刃綱出。其中ri2 = qii，T22 = qi2。
[0034] 得到Sign与qi后，将Sign与qi作为选择器的输入，其中Sign作为选择信号。当Sign 为正时输出为921 = 912,922 = -911，当51邑11为负时输出为921 = -912,922 = 911。得到的92作为输 出。
[003引得到A_1的Q矩阵后，对ai2，曰32通过Colu皿update进行列更新操作。将ail，qi2作为 乘法器5的输入曰21，Q22输入乘法器6，将ail，qii输入乘法器7，将曰21，Q21输入乘法器8。乘法器5 和乘法器6得到的结果输入加法器3得到结果aI。，乘法器7和乘法器8得到的结果输入加法器 2得到结果"L。得到矩阵4+。,*。取矩阵4,。,*中子矩阵["L炸碱，碱]进行与A_1同样的操作 后，对向量|>山。〇]进行更新操作。得到2X2的R矩阵。
[0036] W上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例， 凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护 范围。
【主权项】
1. 一种基于MGS的QRD结构，其特征在于，包括第一模块CORE_GEQRT和第二模块CORE_ TTQRT，所述第一模块CORE_GEQRT用来对输入的2 X 2矩阵[ai，曰2 ]通过MGS算法进行QR分解输 出qi,;rii,r22，si即（f (A)) ,；Ti2，q2,其中[qi，q2]为Q矩阵、rii，:ri2，r22组成上S角矩阵R、si即 (f(A)) = (a2iai2-aiia22)/rii;将得到的两个R矩阵作为第二模块CORE_TTQRT的输入与[1，0; 01]、[0,0;0,0]共同组成矩阵[an，日12，1，0;0，日22,0，1;日31，日32,0,0;0，日42，0,0]，最终得到4 X 2的矩阵。2. 根据权利要求1所述的基于MGS的QRD结构，其特征在于，所述第一模块CORE_GEQRT包 括： 首先将输入的2 X 2矩阵存入bufferl，通过选择器将存入的矩阵向量ai的元素 ail作为 乘法器1的两个输入、321作为乘法器2的两个输入;将得到的两个输出4和α盏作为加法器1 的输入端，加法器1得到结果存入buffers;将加法器1得到的结果从buffers中读出输入 进行开根号模块1，将开根号运算得到的结果存入buffer4;将向 量ai作除法器的被除数、m作为除数分别输入到除法器1和除法器2中，得到的结果qi存入 buffers； 当向量输入到buff erl后，从buff er 1读出向量ai的同时读出向量日2，首先将ail变为- all，然后将数据-all，al2，a2l，a22存入buffer2;当请输入到开根号模块l时，al2，a2l作为乘法 器1的输入、曰22，-曰11作为乘法器2的输入，将得到的两个输出作为加法器1的输入，最终将得 到的输出f(A)存入buffed中；将f(A)从buffers中读出进行取绝对值运算，得到的值输入 到buffer4中；同时，取f (A)的符号作为输出Si即的值，将I f (A) I与rii从buffer4中读出输入 除法模块3中，将运算结果?2存入buffers; 当f(A)计算完成后，将元素 aii，ai2输入到乘法器1，将元素日21，日22输入乘法器2,将得到 的输出作为加法器1的输入，加法器1得到的结果存入buff er4;将加法器1得到的结果从 buff er4中取出来与rii共同接入到除法模块4的输入端，得到结果存入buffers; 当得到qi与Sign(f(A))后，将其输入到输入到选择器2中，其中Sign(f(A))作为条件信 号；当51邑11(^4))为正时921 = 912,922 = -911，当51邑]1(^4))为负时921 = -912,922 = 911，得到 的Q2作为输出。3. 根据权利要求1或2所述的基于MGS的QRD结构，其特征在于，所述第二模块CORE, TTQRT包括:包括第Ξ模块QR和第四模块Column update;所述第Ξ模块QR是全流水结构，在 第一个时钟周期先对其输入矩阵A_1 = [ail，1;日31，0]进行QR操作，在第二个时钟周期对其 输入矩阵4_2 =[曰22，1;曰42，0]进行QR操作;首先，将输入的2 X 2矩阵存入buf f er 1，通过选择 器将存入的矩阵向量ai的元素 ail作为乘法器3的两个输入、321作为乘法器4的两个输入，同 时，取曰21的符号作为输出Sign;将得到的两个输出瑞和4作为加法器2的输入端，加法器1 得到结果苗存入buff er2;将加法器2得到的结果输入进行开根号模块2，将开根号运算得到 的结勇'乍为输出；将向量ai作除法器5的被除数、rii作为除数输入 到除法器6，得到的结果qi作为输出；其中= qii，做=qi2; 得到Sign与qi后，将Sign与qi作为选择器的输入，其中Sign作为选择信号；当Sign为正 时输出为Q21 = qi2，Q22 = -qil，当Sign为负时输出为Q21 = -qi2，Q22 = qil;得到的Q2作为输出； 得到A_1的Q矩阵后，对日12，日32通过Column update进行列更新操作；将aii，qi2作为乘法 器5的输入曰21，Q22输入乘法器6，将ail，qii输入乘法器7，将曰21，Q21输入乘法器8;乘法器5和乘 法器6得到的结果输入加法器3得到结果αι?;，乘法器7和乘法器8得到的结果输入加法器2得 至峭果。L;得到矩阵4+心,取矩阵4+。,*中子矩阵[诚化4,4]进行与A_1同样的操作后， 对向量进行更新操作，得到2 X 2的R矩阵。
【文档编号】H04L25/02GK105847194SQ201610172198
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】邢座程, 危乐, 刘苍, 唐川, 原略超, 张洋, 王庆林, 王 锋, 吕朝, 董永旺, 刘丹, 陈礼锐
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学