[发明专利]一种基于量子禁忌搜索算法的波束赋形码本搜索方法

说明书

本发明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^b和最差解s^w，对两矩阵间相异处运用量子旋转门R(Δθ)。本发明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。

技术领域

本发明涉及通信领域，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。

背景技术

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。

发明内容

发明目的：本发明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，本发明采用以下技术方案：

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_codebook和C_codebook，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，对相邻解集合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s^b和最差解s^w，对两矩阵间相异处运用量子旋转门R(Δθ)，使相邻解集合N里的解向最优解收敛。

进一步地，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_codebook和C_codebook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：