一种基于量子禁忌搜索算法的波束赋形码本搜索方法技术

本发明专利技术公开了一种基于量子禁忌搜索算法的波束赋形码本搜索方法，根据分别储存有模拟型预编码器和组合器的两个码本P和C，设定量子禁忌搜索算法所需的量子矩阵Q(t)，并对量子矩阵Q(t)进行初始化操作；通过量子测量得到相邻解集合N，对集合中每个超出范围的解进行修剪操作，并计算每个解对应的目标函数值；检测算法循环过程中是否陷入局部最优解，并对已陷入局部最优解的算法运用量子非门X操作，跳出局部最优解；在相邻解集合N中确定最优解s

A search method of beamforming codebook based on quantum tabu search algorithm

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子禁忌搜索算法的波束赋形码本搜索方法
本专利技术涉及通信领域，特别是涉及一种基于量子禁忌搜索算法的波束赋形码本搜索方法。
技术介绍
毫米波大规模MIMO技术作为5G无线通信系统中的一项关键技术，受到了学术界和工业界的广泛关注。由于毫米波大规模MIMO系统可以在频谱效率和可用带宽上提供数量级的提高。一方面，与毫米波相关的非常短的波长使得在相同的空间范围内可以获得更多的天线单元。另一方面，大型天线阵列可以产生足够的天线增益，以补偿空间传输中毫米波信号严重的路径损耗。模拟波束赋形通常是在毫米波大规模MIMO系统中进行的，因为它是一种从大量天线中产生更高波束赋形增益的有效方法，而发射信号或接收信号仅由成本较低的移相器网络控制。在基站和用户中，模拟波束赋形所需的射频链数均低于传统数字波束赋形所需的射频链数。这意味着模拟波束赋形降低了毫米波大规模MIMO系统的硬件复杂度。在模拟波束赋形中，基于码本的波束赋形是一种比较流行的方法，它可以在预先定义的码本中搜索最优的模拟预编码器和模拟组合器配对，而不需要精确的信道状态信息。初始搜索方案为全搜索波束赋形。然而，随着到达和离开方位角的量化二进制位的增加，全搜索波束赋形的复杂度呈指数级增长。在传统通信环境下，提出了乒乓搜索等降低搜索复杂度的方案，然而，这些方案涉及实际系统的过高开销或局部最优解的干扰。
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禁忌搜索算法的波束赋形码本搜索方法，采用量子禁忌搜索算法以及量子非门操作，降低了传统的基于码本的波束赋形方法搜索预编码器、组合器最优配对问题的复杂度，并且使陷入局部最优解的算法跳出局部最优解，从而得到更稳定的检测性能，能更好的适用于如毫米波大规模MIMO系统在内的应用场景。技术方案：为达到此目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于量子禁忌搜索算法的波束赋形码本搜索方法，包括以下步骤：S1：根据分别储存有模拟型预编码器和组合器的两个码本P和C，设定量子禁忌搜索算法所需的量子矩阵Q(t)，并对量子矩阵Q(t)进行初始化操作；S2：通过量子测量得到量子矩阵Q(t)的相邻解集合N，对集合N中每个超出范围的解进行修剪操作，并计算每个解对应的目标函数值；S3：检测算法循环过程中是否陷入局部最优解，并对已陷入局部最优解的算法运用量子非门X操作，跳出局部最优解；S4：在相邻解集合N中确定最优解sb和最差解sw，对两矩阵间相异处运用量子旋转门R(Δθ)，使集合N里的解向最优解收敛。进一步地，所述步骤S1中，本专利技术涉及的模拟预编码器P和模拟组合器矩阵C分别储存在码本P和C中，P和C根据式(1)、(2)得到：式(1)、(2)中，分别为发送端射频链路数量、接收端射频链路数量；分别为发送天线阵列响应向量、接收天线阵列响应向量，根据式(3)、(4)得到：式(3)、(4)中，j表示复数中的虚数单位；λ是信号的波长，d表示天线的间隔；Nt代表基站处发送天线的数量，Nr代表用户处接收天线的数量；是发送端第l条路径上离开的方位角，是接收端第l条路径上到达的方位角。进一步地，所述步骤S1中，方位角分别由个二进制位来表示，即根据式(5)、(6)得到：式(5)中，因此码本P和C中分别有个模拟预编码器和个模拟组合器；由此可看出模拟预编码器、模拟组合器矩阵由nt,nr的值确定。进一步地，所述步骤S1中，设定的量子禁忌搜索算法所需的量子矩阵Q(t)根据式(7)得到：式(7)中，t表示当前迭代次数，和分别是用来表示方位角和的二进制位数，分别为发送端射频链路数量、接收端射频链路数量且虚线的左侧是模拟预编码器矩阵，右侧为模拟组合器矩阵，矩阵中每一行使用二进制编码来表示nt,nr的值；因此量子矩阵Q(t)中包含个量子比特，每一个都是叠加量子态，根据式(8)得到：式(8)中，|0＞＝[0,1]T，|1＞＝[1,0]T；系数|α|2和|β|2分别代表量子态测量后塌缩到0和1的概率，两者关系根据式(9)得到：|α|2+|β|2＝1.(9)接下来将量子矩阵Q(t)初始化为Q(0)，在Q(0)中，每个叠加态量子比特系数都设置为即量子态被测量后塌缩到0和1的概率都是进一步地，所述步骤S2中，在每次算法循环中，通过测量量子矩阵Q(t)构建相邻解集合N；通过设置一个和量子矩阵Q(t)同等大小的随机数矩阵，在该矩阵中，每个元素都是在[0,1]范围内；由于|β|2代表量子比特测量后塌缩到1状态的概率，故当随机数矩阵中的元素小于等于|β|2时，表示测量后的量子比特状态为1，否则状态为0；整个量子矩阵被测量过后，会得到一个解s，相邻解集合N中包含m个解，即相邻解集合大小为m；获得相邻解集合N之后，考察N中每个解是否超出范围，超出范围的解需要进行修剪；例如假设二进制编码表示的值范围为[20,23]＝[1,8]，如表2所示：第一行的值为10，超出了范围，因此修剪程序会随机选择一个为1的位来赋为0，直到满足范围为止；在相邻解集合N中所有的解都满足范围条件之后，每个解都要计算其目标函数值ψ(P,C)，ψ(P,C)由式(10)得到：式(10)中，P为模拟预编码器，C为模拟组合器矩阵；为Ns阶单位矩阵，Ns表示传输的数据流数量；Rn＝σ2CHC，μ表示接收方收到的平均能量；H根据式(11)得到：式(11)中，M表示散射传播路径数且M≤min(Nr,Nt)，Nt代表基站处发送天线的数量，Nr代表用户处接收天线的数量；表示第l条路径上包含路径损失的增益；分别是基站和用户处的天线阵列响应向量；分别是第l条路径上离开的方位角、到达的方位角。进一步地，所述步骤S3中，检测算法的循环过程是否陷入局部最优解中，本专利技术中我们认定最优解在连续的η次迭代过程中都未改变就视作陷入局部最优解；针对该情况，量子矩阵Q(t)的每一行都有概率τ1来运用量子非门X，X根据式(12)得到：量子非门X的作用根据式(13)得到：由式(13)可看出，量子非门X可交换量子比特的α、β系数，即代表在下一次迭代中该量子比特测量后塌缩到0或者1状态的概率交换了；由于二进制编码的高位状态变化引起整个n的值变动比低位大，所以本专利技术中设定最高位运用量子非门X的概率为τ2，从最高位到最低位呈线性下降趋势；根据权利要求1所述的基于量子禁忌搜索算法的波束赋形码本搜索方法，其特征在于：所述步骤S4中，通过之前的步骤S2计算出了相邻解集合N中所有解对应的目标函数值，因此可直接确定相邻解集合N中的最优解sb和最差解sw；最优解和最差解矩阵中量子比特状态相同处不需要变动，且在禁忌表中设置状态为真，与之相反的是，最优解和最差解矩阵中量子比特状态不同处，运用量子旋转门R(Δθ)，R(Δθ)根据式(14)得到：实施过量子旋转门R(Δθ)之后，量子比特的系数α、β向最优解收本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于量子禁忌搜索算法的波束赋形码本搜索方法，其特征在于：包括以下步骤：/nS1：根据分别储存有模拟型预编码器和组合器的两个码本P和C，设定量子禁忌搜索算法所需的量子矩阵Q(t)，并对量子矩阵Q(t)进行初始化操作；/nS2：通过量子测量得到量子矩阵Q(t)的相邻解集合N，对集合N中每个超出范围的解进行修剪操作，并计算每个解对应的目标函数值；/nS3：检测算法循环过程中是否陷入局部最优解，并对已陷入局部最优解的算法运用量子非门X操作，跳出局部最优解；/nS4：在相邻解集合N中确定最优解s

【技术特征摘要】
1.一种基于量子禁忌搜索算法的波束赋形码本搜索方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：根据分别储存有模拟型预编码器和组合器的两个码本P和C，设定量子禁忌搜索算法所需的量子矩阵Q(t)，并对量子矩阵Q(t)进行初始化操作；
S2：通过量子测量得到量子矩阵Q(t)的相邻解集合N，对集合N中每个超出范围的解进行修剪操作，并计算每个解对应的目标函数值；
S3：检测算法循环过程中是否陷入局部最优解，并对已陷入局部最优解的算法运用量子非门X操作，跳出局部最优解；
S4：在相邻解集合N中确定最优解sb和最差解sw，对两矩阵间相异处运用量子旋转门R(Δθ)，使集合N里的解向最优解收敛。


2.根据权利要求1所述的基于量子禁忌搜索算法的波束赋形码本搜索方法，其特征在于：所述步骤S1中，本发明涉及的模拟预编码器P和模拟组合器矩阵C分别储存在码本P和C中，P和C根据式(1)、(2)得到：






式(1)、(2)中，分别为发送端射频链路数量、接收端射频链路数量；分别为发送天线阵列响应向量、接收天线阵列响应向量，根据式(3)、(4)得到：






式(3)、(4)中，j表示复数中的虚数单位；λ是信号的波长，d表示天线的间隔；Nt代表基站处发送天线的数量，Nr代表用户处接收天线的数量；是发送端第l条路径上离开的方位角，是接收端第l条路径上到达的方位角。


3.根据权利要求1所述的基于量子禁忌搜索算法的波束赋形码本搜索方法，其特征在于：所述步骤S1中，方位角分别由个二进制位来表示，即根据式(5)、(6)得到：






式(5)中，因此码本P和C中分别有个模拟预编码器和个模拟组合器；由此可看出模拟预编码器、模拟组合器矩阵由nt,nr的值确定。


4.根据权利要求1所述的基于量子禁忌搜索算法的波束赋形码本搜索方法，其特征在于：所述步骤S1中，设定的量子禁忌搜索算法所需的量子矩阵Q(t)根据式(7)得到：



式(7)中，t表示当前迭代次数，分别是用来表示方位角的二进制位数，分别为发送端射频链路数量、接收端射频链路数量且虚线的左侧是模拟预编码器矩阵，右侧为模拟组合器矩阵，矩阵中每一行使用二进制编码来表示nt,nr的值；因此量子矩阵Q(t)中包含个量子比特，每一个都是叠加量子态，根据式(8)得到：



式(8)中，|0>＝[0,1]T，|1>＝[1,0]T；系数|α|2和|β|2分别代表量子态测量后塌缩到0和1的概率，两者关系根据式(9)得到：
|α|2+|β|2＝1.(9)
接下来将量子矩阵Q(t)初始化为Q(0)，在Q(0)中，每个叠...

【专利技术属性】
技术研发人员：余旭涛，赵杰，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