本发明属于无线通信，具体的说，涉及一种可伸缩的基于幂迭代算法的波束赋形向量计算电路。
背景技术：
1、在当代的第五代移动通信(the 5th generation，5g)和将来的第六代移动通信(the 6th generation，6g)中广泛采用的大规模毫米波多输入多输出(multi-inputmulti-output，mimo)通信系统中，波束赋形技术可以将信号的辐射或接收增益被集中到用户的具体方向上，从而在目标位置实现增强的信号强度和覆盖范围，进而提高系统性能。
2、波束赋形可以通过不同的方法实现，主要分为数字波束赋形、模拟波束赋形和混合波束赋形。这三种波束赋形的一个主要区别是射频链数量的不同。射频链是连接天线和数字信号处理器的关键组件，包括放大器、混频器、滤波器和数模/模数转换器等。数字波束赋形系统中，每一个天线都需要配备一个射频链，而大规模mimo系统中的天线数量成百上千，因此射频链的开销较高。现在的研究常常聚焦于只需要一个射频链的模拟波束赋形和射频链数量少于天线数量的混合波束赋形。
3、此外，毫米波mimo的信道是稀疏的，也就是说，只有直达径(los径)和少数几个一阶反射路径具有足够大的能量进行传输，而其他反射径的能量过于小，不便于进行信号传输。因此，在采用毫米波mimo信道时，只同时传输少量的数据。
4、基于上述射频链数量和毫米波信道稀疏性的限制，考虑通信系统一次只传输一个数据流。y.-p.lin的文章"hybrid mimo-ofdm beamforming for wideband mmwavechannels without instantaneous feedback,"in ieee transactions on signalprocessing,vol.66,no.19,pp.5142-5151,1oct.1,2018中提出一种适用于这种通信系统的最佳波束赋形向量：信道协方差矩阵的主特征向量(最大幅值特征值对应的特征向量)。传统的硬件实现计算特征向量的方法有qr分解和jacobi方法等，而这些方法一次性计算出矩阵的所有特征向量，会造成硬件的浪费。
技术实现思路
1、针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可伸缩的基于幂迭代算法的波束赋形向量计算电路；本发明考虑的通信系统一次只传输一个数据流，波束赋形方法中所需要的只有主特征向量，因此，本发明采用只计算主特征向量的幂迭代算法以降低硬件开销；本发明适用于128×128、256×256、512×512和1024×1024四种大小的信道协方差矩阵，满足当前大规模毫米波mimo通信系统对延迟、能耗、精度等性能的要求。
2、本发明的技术方案具体介绍如下。
3、本发明提供一种可伸缩的基于幂迭代算法的波束赋形向量计算电路，其包括矩阵随机存取存储器ram、控制器和运算单元；其中：
4、矩阵ram，用于存储信道协方差矩阵对角线及其上方的2×2的矩阵块信息；矩阵ram有四块，分别存储每个矩阵块中左上方、右上方、左下方和右下方四个元素的位置；
5、控制器，用于根据矩阵大小控制数据的流通，实现计算的可伸缩性；控制器包括用于存储当前处理矩阵块的列数的s计数器、用于存储当前处理矩阵块的行数的r计数器以及地址控制位生成器，地址控制位生成器生成ram读地址和判断所需读取的矩阵是否被存储在ram中的控制位cb，以便于矩阵块读出后，对其数据进行共轭对称转换；
6、运算单元，用于实现包括矩阵向量分块乘法、溢出检测和移位操作的幂迭代算法；假设信道协方差矩阵为σ，幂迭代算法中，首先随机初始向量v0，第k次迭代中由矩阵向量乘法
7、
8、和移位
9、
10、两步操作构成，其中βk是为防止溢出而设置的移位位数，为乘积向量，再进行若干次迭代后，迭代所得到的结果向量vk逼近σ的主特征向量；
11、采用分块矩阵与分块向量相乘的方法来进行矩阵向量乘积；假设矩阵的大小是n×n,将其切分为n×n个2×2的矩阵块，其中n＝n/2；相应地，将向量分为n个2×1的向量块；对于(r,s)位置上的矩阵块，完成的块矩阵向量乘法运算是
12、
13、其中σx,y是σ在(x,y)位置上的元素，vx是vk的第x个元素，是的第x个元素的第s个部分和，即
14、
15、本发明中，地址控制位生成器读取(r,s)位置上的矩阵块的ram读地址addrr,s由递推公式
16、addrr,0＝r (5)
17、和
18、
19、产生；
20、控制位cb的生成公式为
21、
22、如果控制位为1，则根据信道协方差矩阵的共轭对称特性，将读取矩阵块的右上角元素和左下角元素相互替换，并取各元素的共轭作为读取的矩阵块元素。
23、和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
24、本发明利用幂迭代算法，将信道协方差矩阵和向量进行分块乘法迭代计算，可以直接得到信道协方差矩阵的主特征向量而不是所有的特征向量，从而进行波束赋形，大大降低了硬件的开销。同时本发明利用信道协方差矩阵的共轭对称特性，在ram中只存储大约一半的矩阵数据，大大降低了ram的面积。同时本发明将传统幂迭代算法中每一次迭代的归一化操作改进为硬件友好的移位操作，大大降低了硬件复杂度。
1.一种可伸缩的基于幂迭代算法的波束赋形向量计算电路，其特征在于，其包括矩阵随机存取存储器ram、控制器和运算单元；其中：
2.根据权利要求1所述的可伸缩的基于幂迭代算法的波束赋形向量计算电路，其特征在于，地址控制位生成器读取(r,s)位置上的矩阵块的ram读地址addrr,s由递推公式
3.根据权利要求1所述的可伸缩的基于幂迭代算法的波束赋形向量计算电路，其特征在于，运算单元包括向量寄存器、2×2乘法器、累加器、先进先出缓冲器fifo、溢出检测模块和移位更新模块；运算单元实现幂迭代算法的步骤如下：
4.根据权利要求3所述的可伸缩的基于幂迭代算法的波束赋形向量计算电路，其特征在于，2×2乘法器中的乘加模块由4个流水线实数乘法器、2个减法或加法器和1个加法器组成。
5.根据权利要求3所述的可伸缩的基于幂迭代算法的波束赋形向量计算电路，其特征在于，βk生成器通过多路选择器的级联实现。
6.根据权利要求3所述的可伸缩的基于幂迭代算法的波束赋形向量计算电路，其特征在于，对于乘积向量设置p＝log2n+1位保护位，该向量的数据结构为：bp+qbp-1+q…b1+q|bqbq-1…b1，其中竖线左边的为p位保护位，竖线右边的为q位数据位；保护位数据bp+qbp-1+q…b1+q与移位位数βk之间的关系如下：数据为000…00，βk为0；数据为000…01，βk为1；数据为000…1x，βk为2，依此类推，数据为001…xx，βk为p-1；数据为01x…xx，βk为p；数据为1xx…xx，βk为p+1。
7.根据权利要求1所述的可伸缩的基于幂迭代算法的波束赋形向量计算电路，其特征在于，适用于128×128、256×256、512×512和1024×1024四种大小的信道协方差矩阵。
