一种基于量子计算的最小均方误差检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于量子计算的最小均方误差检测方法，包括以下步骤：S1：根据基站天线和用户之间的链路距离设定阈值，稀疏化信道矩阵，进而得到稀疏的需求逆矩阵；S2：将基站天线接收的传统信号制备成特定的量子态信号，将量子态信号输入到量子线性运算系统中，得到贮存线性方程解的量子纠缠态；S3：将线性方程解从量子纠缠态中提取出来。本发明专利技术针对大规模通信系统中传统的最小均方误差检测方法涉及的大规模矩阵求逆问题，采用量子线性系统算法以及量子读取技术，降低了传统最小均方误差检测方法求解大规模矩阵求逆问题的复杂度，从而得到更稳定的检测性能，能更好的适用于如大规模MIMO系统在内的应用场景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子计算的最小均方误差检测方法
本专利技术涉及通信领域，特别是涉及一种基于量子计算的最小均方误差检测方法。
技术介绍
1982年，Feynman描述了量子计算的巨大潜力，并且建议在量子力学原理的基础上构造量子计算机，以此来挖掘量子计算的潜力。进一步的，1994年Shor提出素数因子分解和离散对数问题的多项式时间量子算法；1995年Grover提出了在没有结构的搜索空间上进行搜索的量子算法。这些量子计算算法都展示了量子计算的特殊潜力，对传统的算法提供了加速。另一方面，随着技术和需求的增加，通信系统发展迅速，特别是大规模多输入多输出系统(MassiveMIMO：MassiveMultiple-InputMultiple-Output)系统作为移动通信领域的关键技术之一，现如今越来越受到青睐。由于大规模MIMO系统的研究存在大量基站天线来联合服务于多个用户的现象，因此这类研究涉及了很多高计算复杂度的问题，并且其中一部分至今也没有较好的处理方式。例如最小均方误差(MMSE：MinimumMeanSquareError)检测方法在大规模MIMO系统中有较多的应用，但为了避免复杂度为O(N3)的大规模矩阵求逆问题，研究人员只好牺牲部分检测性能来降低计算复杂度。近期，一些研究人员提出了基于诺伊曼级数的近似矩阵求逆，将大规模矩阵求逆的计算复杂度降到了O(N2)，但该计算复杂度对于大规模MIMO系统来说仍略显不足。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种基于量子计算的最小均方误差检测方法，将传统最小均方误差检测方法求解大规模矩阵求逆问题的复杂度降低至O(NlogN)，从而更加适用于大规模多用户系统应用场景中并且得到更快的运算速度。技术方案：为达到此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术所述的基于量子计算的最小均方误差检测方法，包括以下步骤：S1：根据基站天线和用户之间的链路距离设定阈值，稀疏化信道矩阵，进而得到稀疏的需求逆矩阵；S2：将基站天线接收的传统信号制备成特定的量子态信号，将量子态信号输入到量子线性运算系统中，得到贮存线性方程解的量子纠缠态；S3：将线性方程解从量子纠缠态中提取出来。进一步，所述步骤S1中，稀疏化信道矩阵之后得到稀疏的信道矩阵为的第n行、第k列的元素为根据式(1)得到：式(1)中，Hn，k为未稀疏化的信道矩阵的第n行、第k列的元素，bn，k为基站上第n根天线至第k个用户之间的链路距离，b0为设定的阈值。进一步，所述步骤S1中，稀疏的需求逆矩阵为根据式(2)得到：式(2)中，D是一个K×K的对角矩阵，K为用户个数，D中对角线上的系数为慢衰系数；N0为用户发射信噪比的倒数，I为N阶单位矩阵，Γ根据式(3)得到：式(3)中，为的第j列，为的第j列，Dj为D的对角线上的第j个元素，为快衰信道矩阵，H中的元素Hn，k表示基站上第n根天线到第k个用户的快衰系数，N为天线的个数。进一步，所述步骤S2中，制备得到的特定的量子态信号为：其中，将和在的本征矢量基上分解可得为存入了第二个量子寄存器中的在计算基上分解为在计算基上分解为为存入第二个量子寄存器中的为y的相位，y为输入信号，Cy≤1/max(yj)，yj为的幅度，为存入了第二个量子寄存器中的μj为第j个本征矢量基，N为天线的个数；量子线性运算系统包括七个量子寄存器，贮存线性方程解的量子纠缠态通过以下方法获得：S2.1：对量子态信号进行酉操作和量子傅里叶变换操作，得到初始量子态如式(4)所示；式(4)中，λj为的第j个特征值，t0＝O(k1/ε)，k1为条件数，ε为量子线性运算系统中算法的精度阈值，为存入了第一个量子寄存器中的为存入了第三个量子寄存器中的为存入了第三个量子寄存器中的S2.2：对初始量子态进行量子受控旋转操作，该操作受控于第一个量子寄存器的状态，使得初始量子态变为中间量子态如式(5)所示；式(5)中，C＝O(1/k1)，k1为条件数，为存入了第四个量子寄存器中的为存入了第四个量子寄存器中的S2.3：实施逆相位估计操作，不计算第一个量子寄存器，并且只关注第三个量子寄存器和第四个量子寄存器同时为1时的量子纠缠态，通过式(6)得到该量子纠缠态式(6)中，进一步，所述步骤S3具体包括以下步骤：S3.1：制备特定量子态Cm≤1/max(mj)，mj是的幅度，在计算基上分解为为的相位，在计算基上分解为重写量子态其中，下角标“5”表示第五个量子寄存器，下角标“6”表示第六个量子寄存器；融合量子纠缠态和初始化为0状态的第七个量子寄存器，根据式(7)得到式(7)中，sinφs＝sinφysinφxsinφm，为存入了第二个量子寄存器中的x为解向量，为存入了第五个量子寄存器中的为存入了第三个量子寄存器中的为存入了第四个量子寄存器中的为存入了第六个量子寄存器中的为存入了第七个量子寄存器中的S3.2：运用一次Hadamard门于第七个量子寄存器，在第二个量子寄存器与第五个量子寄存器之间运用一次受控量子交换操作，该交换操作由第七个量子寄存器状态为1时触发，最终再运用一次Hadamard门于第七个量子寄存器，将变换成：式(8)中，为存入了第二个量子寄存器中的为存入了第五个量子寄存器中的为存入了第七个量子寄存器中的S3.3：将划分成两部分：其中x||为x中与M平行的部分，x⊥为x中与M垂直的部分，M||为M中与x平行的部分，M⊥为M中与x垂直的部分；由此变换成由两部分组成，如式(9)所示：式(9)中，为存入了第二个量子寄存器中的为存入了第五个量子寄存器中的为存入了第五个量子寄存器中的为存入了第二个量子寄存器中的为存入了第三个量子寄存器中的为存入了第四个量子寄存器中的为存入了第六个量子寄存器中的为存入了第七个量子寄存器中的S3.4：根据式(10)得到式(10)中，sin4φx通过sin2φx取平方得到，sin2φx通过误差为ε的幅度估计方法估计得到，是在的单位上的幅度，为在计算基上的归一化幅度，P1110为第三个量子寄存器、第四个量子寄存器和第六个量子寄存器状态同时为1并且第七个量子寄存器状态为0的检测概率，P1110＝sin2φs(|x|||2+|x⊥|2/2)，P1111为第三个量子寄存器、第四个量子寄存器、第六个量子寄存器和第七个量子寄存器状态同时为1的检测概率，P1111＝sin2φs|x⊥|2/2；令计算出解向量的第j个维度值经过N次迭代后，获得最终的线性方程解其中，为稀疏的需求逆矩阵，为输入信号。有益效果：本专利技术公开了一种基于量子计算的最小均方误差检测方法，针对大规模通信系统中传统的最小均方误差检测方法涉及的大规模矩阵求逆问题，采用量子线性系统算法以及量子读取技术，降低了传统最小均方误差检测方法求解大规模矩阵求逆问题的复杂度，从而得到更稳定的检测性能，能更好的适用于如大规模MIMO系统在内的应用场景。附图说明图1为本专利技术具体实施方式中的方法流程图；图2为本专利技术具体实施方式中的应用场景图；图3为本专利技术具体实施方式中步骤S2和S3的流程图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术的技术方案作进一步的介绍。本具体实施方式公开了一种基于量子计算的最小均方误差检测方法，如图1所示，包括以下步骤：S1：根据基站天线和用户之间的链路距离设定阈值，稀疏化信道矩阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于量子计算的最小均方误差检测方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：根据基站天线和用户之间的链路距离设定阈值，稀疏化信道矩阵，进而得到稀疏的需求逆矩阵；S2：将基站天线接收的传统信号制备成特定的量子态信号，将量子态信号输入到量子线性运算系统中，得到贮存线性方程解的量子纠缠态；S3：将线性方程解从量子纠缠态中提取出来。

【技术特征摘要】
1.一种基于量子计算的最小均方误差检测方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：根据基站天线和用户之间的链路距离设定阈值，稀疏化信道矩阵，进而得到稀疏的需求逆矩阵；S2：将基站天线接收的传统信号制备成特定的量子态信号，将量子态信号输入到量子线性运算系统中，得到贮存线性方程解的量子纠缠态；S3：将线性方程解从量子纠缠态中提取出来。2.根据权利要求1所述的基于量子计算的最小均方误差检测方法，其特征在于：所述步骤S1中，稀疏化信道矩阵之后得到稀疏的信道矩阵为的第n行、第k列的元素为根据式(1)得到：式(1)中，Hn，k为未稀疏化的信道矩阵的第n行、第k列的元素，bn，k为基站上第n根天线至第k个用户之间的链路距离，b0为设定的阈值。3.根据权利要求2所述的基于量子计算的最小均方误差检测方法，其特征在于：所述步骤S1中，稀疏的需求逆矩阵为根据式(2)得到：式(2)中，D是一个K×K的对角矩阵，K为用户个数，D中对角线上的系数为慢衰系数；N0为用户发射信噪比的倒数，I为N阶单位矩阵，Γ根据式(3)得到：式(3)中，为的第j列，为的第j列，Dj为D的对角线上的第j个元素，为快衰信道矩阵，H中的元素Hn，k表示基站上第n根天线到第k个用户的快衰系数，N为天线的个数。4.根据权利要求1所述的基于量子计算的最小均方误差检测方法，其特征在于：所述步骤S2中，制备得到的特定的量子态信号为：其中，将和在的本征矢量基上分解可得为存入了第二个量子寄存器中的在计算基上分解为在计算基上分解为为存入第二个量子寄存器中的为y的相位，y为输入信号，Cy≤1/max(yj)，yj为的幅度，为存入了第二个量子寄存器中的μj为第j个本征矢量基，N为天线的个数；量子线性运算系统包括七个量子寄存器，贮存线性方程解的量子纠缠态通过以下方法获得：S2.1：对量子态信号进行酉操作和量子傅里叶变换操作，得到初始量子态如式(4)所示；式(4)中，λj为的第j个特征值，t0＝O(k1/ε)，k1为条件数，ε为量子线性运算系统中算法的精度阈值，为存入了第一个量子寄存器中的为存入了第三个量子寄存器中的为存入了第三个量子寄存器中的S2.2：对初始量子态进行量子受控旋转操作，该操作受控于第一个量子寄存器的状态，使得初始量子态变为中间量子态如式(5)所示；式(5)中，C＝O(1/k1)，k1为条件数，为存入了第四个量子寄存器中的为存入了第四个量子寄存器中的S2.3：实施逆相位估计操作，不计算第...

【专利技术属性】
技术研发人员：余旭涛，赵杰，张旭，张在琛，王霄峻，孟凡旭，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32