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高洪元 著

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出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121288142

商品编码：29491651088

包装：平装

出版时间：2016-06-01

基本信息

书名：量子群智能及其在通信技术中的应用

定价：48.00元

作者：高洪元

出版社：电子工业出版社

出版日期：2016-06-01

ISBN：9787121288142

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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本书共分9章，主要内容包括量子粒子群、量子蛙跳算法、量子蜂群、量子细菌觅食、量子神经网络、量子文化算法、量子文化群智能、量子膜群算法、多目标量子膜群算法、多用户检测、频谱分配、决策引擎、频谱感知、冲击噪声测向、非圆信号测向等通信技术中的热点和难点问题。 本书可使读者在了解和学习量子群智能和通信技术*科研成果的同时，在量子群智能和通信技术两个方向得到启发，也可作为相关学科的教材和科研用书。

目录

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目 录

章 绪论1
1.1 量子群智能计算简介1
1.2 单目标和多目标优化问题3
1.2.1 单目标优化问题的数学模型5
1.2.2 单目标约束优化问题的求解方法5
1.2.3 多目标优化问题的数学模型7
1.2.4 多目标优化方法简介9
1.3 智能计算在通信技术中的应用11
1.3.1 简介11
1.3.2 展望15
1.4 本书内容和结构安排17
参考文献19
第2章 用于离散优化问题的量子群智能计算29
2.1 量子粒子群算法30
2.1.1 双链编码的量子粒子群算法30
2.1.2 单链编码的量子粒子群算法32
2.1.3 性能测试34
2.2 量子蜂群算法37
2.2.1 双链编码的量子蜂群算法37
2.2.2 单链编码的量子蜂群算法40
2.2.3 性能测试42
2.3 量子细菌觅食算法43
2.3.1 双链编码的量子细菌觅食算法44
2.3.2 量子细菌觅食算法的收敛性分析47
2.3.3 性能测试49
2.4 小结50
参考文献50
第3章 用于连续优化问题的量子群智能计算52
3.1 量子蛙跳算法53
3.1.1 混合蛙跳算法53
3.1.2 量子蛙跳算法55
3.1.3 性能测试58
3.2 量子文化蛙跳算法60
3.2.1 量子规范知识60
3.2.2 量子文化蛙跳算法的实现61
3.2.3 性能测试64
3.3 量子细菌觅食算法65
3.3.1 细菌觅食算法66
3.3.2 量子细菌觅食优化算法69
3.3.3 性能测试71
3.4 小结73
参考文献74
第4章 基于量子智能算法的多用户检测76
4.1 多用户检测的数学模型78
4.1.1 噪声模型78
4.1.2 高斯噪声下的多用户检测数学模型79
4.2 高斯噪声环境的典型多用户检测方法83
4.2.1 传统检测器83
4.2.2 优多用户检测器84
4.2.3 Hopfield神经网络多用户检测器86
4.3 基于免疫克隆量子算法的多用户检测87
4.3.1 神经网络制备疫苗的方法框架88
4.3.2 基于免疫克隆量子算法的多用户检测器89
4.3.3 试验仿真93
4.4 量子HOPFIELD神经网络的多用户检测设计95
4.4.1 量子Hopfield神经网络96
4.4.2 基于量子神经网络的多用户检测98
4.4.3 基于量子神经网络的多用户检测器仿真99
4.5 量子蜂群算法的鲁棒多用户检测100
4.5.1 鲁棒多用户检测器101
4.5.2 新量子蜂群算法102
4.5.3 基于量子蜂群算法的鲁棒多用户检测104
4.5.4 试验仿真105
4.6 小结107
参考文献107
第5章 基于量子群智能的认知无线电决策引擎112
5.1 认知无线电决策引擎模型和三种典型的决策引擎114
5.1.1 智能计算的认知决策引擎114
5.1.2 基于智能计算的认知决策引擎方法117
5.2 单目标膜量子蜂群算法及其在决策引擎上的应用123
5.2.1 膜结构简介123
5.2.2 膜量子蜂群优化算法124
5.2.3 膜量子蜂群优化算法的性能测试128
5.2.4 基于膜量子蜂群算法的认知无线电决策引擎130
5.2.5 决策引擎试验仿真131
5.3 基于量子细菌觅食算法的绿色认知无线电参数调整134
5.3.1 绿色认知无线电参数调整模型135
5.3.2 量子细菌觅食算法的绿色认知无线电参数调整137
5.3.3 试验仿真138
5.4 小结141
参考文献142
第6章 基于量子群智能的频谱分配146
6.1 频谱分配模型147
6.1.1 图论着色模型147
6.1.2 单目标频谱分配149
6.1.3 多目标频谱分配150
6.2 基于量子粒子群算法的单目标频谱分配151
6.2.1 基于单链量子粒子群算法的认知无线电频谱分配151
6.2.2 仿真结果分析152
6.3 基于多目标膜量子蜂群的多目标频谱分配155
6.3.1 膜量子蜂群的基本演进规则156
6.3.2 膜量子蜂群的膜框架158
6.3.3 基于多目标膜量子蜂群算法的多目标频谱分配技术161
6.3.4 频谱分配实验仿真163
6.4 小结167
参考文献168
第7章 量子群智能的频谱感知技术171
7.1 线性协作频谱感知模型172
7.2 合作式频谱感知的基本算法174
7.2.1 基于修正偏差因子的频谱感知方法174
7.2.2 基于粒子群算法的频谱感知175
7.2.3 计算机仿真177
7.3 基于连续量子细菌觅食算法的频谱感知技术178
7.3.1 量子细菌觅食算法的频谱感知178
7.3.2 计算机仿真181
7.4 小结184
参考文献184
第8章 基于量子智能计算的DOA估计187
8.1 经典DOA估计模型和算法188
8.1.1 DOA估计模型188
8.1.2 经典测向算法189
8.1.3 基于量子蛙跳算法的测向方法190
8.1.4 试验仿真191
8.2 基于高阶累积量和文化量子算法的测向方法192
8.2.1 基于高阶累积量的广义加权子空间拟合算法193
8.2.2 文化量子算法196
8.2.3 基于文化量子算法的广义高阶加权信号子空间拟合测向199
8.2.4 试验仿真200
8.3 基于量子文化蛙跳算法的非圆信号DOA估计203
8.3.1 非圆极大似然算法203
8.3.2 基于量子文化蛙跳算法的极大似然测向204
8.3.3 试验仿真206
8.4 小结207
参考文献208
第9章 冲击噪声环境下的量子智能计算DOA估计211
9.1 冲击噪声环境下的测向模型212
9.1.1 三种低阶矩212
9.1.2 三种低阶矩的对比213
9.2 基于量子文化细菌觅食算法的无穷范数大似然测向方法215
9.2.1 量子文化细菌觅食算法215
9.2.2 量子文化细菌觅食算法的无穷范数极大似然测向218
9.2.3 试验仿真221
9.3 基于量子粒子群的动态测向方法225
9.3.1 冲击噪声下的动态测向模型225
9.3.2 连续量子粒子群优化算法226
9.3.3 量子粒子群优化算法的动态测向方法228
9.3.4 试验仿真229
9.4 小结231
参考文献232

作者介绍

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高洪元，博士后,工学博士，硕士生导师，副教授；IEEE会员，中国计算机学会会员； IWSIS2012、IWSIS2013国际会议分会主席；是《Journal of Communications and Networks》、《International Journal of Electronics and Communications》、《Information Sciences》、 《Circuits, Systems & Signal Processing》、《Computer Methods and Programs in Biomedicine》和《Computational Intelligence》等SCI国际期刊审稿人。

文摘

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序言

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开启信息传递的全新维度：基于量子互联网络的通信范式变革 在数字时代洪流滚滚向前、信息爆炸式增长的今天，我们对通信技术的需求已不再局限于速度与容量的简单提升。数据安全、隐私保护、资源利用效率以及应对日益复杂的网络攻击，都成为制约通信技术发展的关键瓶颈。传统的基于经典比特的信息编码与传输方式，在这些挑战面前，正逐渐显露出其固有的局限性。然而，一股颠覆性的力量正在悄然兴起，它将目光投向了微观世界的奥秘——量子力学，并在此基础上构筑起一种前所未有的通信范式。 本书深入探讨的是一种基于量子力学原理的全新信息处理与传输模式——量子互联网络（Quantum Interconnected Network，简称QIN）。它并非对现有通信网络的简单升级，而是一场从根本上的重塑，旨在利用量子叠加、量子纠缠以及量子隧道效应等独特的量子现象，构建一个能够实现前所未有的计算能力、通信安全性和信息处理效率的网络基础设施。QIN将把“比特”的概念延伸至“量子比特”（qubit），一个量子比特能够同时代表0和1，甚至处于0和1的任意叠加态。这种根本性的差异，赋予了量子信息处理和传输无限的可能性。 量子叠加态：信息表达的指数级跃升 设想一下，当我们利用经典比特来存储信息时，一个比特只能表示0或1。若要表示N个状态，就需要N个比特。而量子比特的叠加态，意味着一个量子比特本身就能同时表达2的N次方个状态。当我们将量子比特构建成网络，并通过量子门操作进行协同计算时，其信息处理能力将呈指数级增长。在QIN中，这种指数级的表达能力将直接转化为信息编码和传输的巨大优势。传统的通信协议在处理海量数据时，需要耗费大量的带宽和计算资源进行编码、解码和纠错。而QIN则能够利用量子叠加态，在一次传输中编码和处理比经典网络多得多的信息。这不仅意味着更高的信息密度，更意味着在处理复杂信息模式时，能够实现前所未有的并行计算和协同处理能力。想象一下，在大数据分析、复杂的模拟计算或高性能计算集群之间进行数据交换时，QIN能够提供远超现有网络的效率，为科学研究、金融建模、天气预报等领域带来革命性的突破。 量子纠缠：瞬时关联与超光速通信的可能 量子纠缠是量子力学中最令人着迷的现象之一。当两个或多个量子比特处于纠缠态时，无论它们相距多远，其中一个量子比特的状态变化都会瞬时地影响到其他纠缠在一起的量子比特。这种“幽灵般的超距作用”，为我们理解信息传递提供了全新的视角。在QIN中，量子纠缠可以被视为一种强大的“关联信道”。通过预先建立的纠缠对，我们可以实现信息在空间上瞬间的“传递”或“共享”，尽管这并非传统意义上的物质传输。更重要的是，这种纠缠特性为实现信息的高度安全和可靠性奠定了基础。 信息安全的新基石：量子密钥分发（QKD） 在当前的网络环境中，信息安全面临着前所未有的挑战。加密算法的破解、数据泄露的风险以及对隐私的侵犯，时刻威胁着个人和组织的数字资产。而QIN将为信息安全提供一个坚不可摧的基石——量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）。QKD利用量子力学的基本原理，确保了密钥分发的绝对安全性。任何试图窃听密钥的第三方，都会不可避免地引起量子态的变化，从而被通信双方即时察觉。这使得QKD成为一种“窃听即被发现”的安全机制，其安全性不依赖于数学算法的复杂性，而是源于物理定律本身。本书将深入剖析QKD的多种协议，例如BB84、E91等，并探讨如何将QKD技术集成到QIN的骨干网络中，构建从物理层到应用层的全方位安全防护体系。这将极大地提升金融交易、政府通信、军事指挥等对安全性要求极高的场景下的信息保障能力。 量子通信协议与网络架构 构建一个高效、可靠的QIN，需要全新的通信协议和网络架构。与经典网络中的TCP/IP等协议不同，QIN的协议将充分利用量子比特的特性。例如，在量子信息传输过程中，需要设计能够有效管理量子比特状态、纠缠对分发与维护、量子纠错以及量子态的可靠读取的协议。本书将探讨现有的量子通信协议的进展，例如量子态传输协议、量子隐形传态协议等，并展望未来可能出现的更高级的量子通信协议。 在网络架构方面，QIN将不仅仅是连接“量子计算机”的简单网络。它将是一个多层次、异构化的系统，能够无缝地融合量子节点（如量子计算机、量子传感器）与经典节点。其中，量子中继器（quantum repeater）将扮演至关重要的角色，它能够克服量子信号在传输过程中的衰减和退相干问题，实现长距离的量子信息传输。此外，QIN还需要设计高效的量子资源调度机制，以优化量子比特和纠缠对的分配，确保网络的整体性能。本书将深入剖析QIN的网络拓扑结构、量子路由算法以及量子网络协议栈的设计思路，为读者描绘出未来量子互联网络的蓝图。 QIN在通信技术中的颠覆性应用 QIN的潜力远不止于理论探讨，它将深刻地改变我们对通信技术的认知，并催生出一系列颠覆性的应用： 超安全通信网络： 构建完全抵抗经典计算机破解的加密通信网络，实现真正意义上的“不可窃听”和“不可篡改”。这将彻底改变当前的密码学格局，为敏感信息的传输提供前所未有的安全保障。 分布式量子计算： 将分布在不同地点的量子计算机连接起来，形成一个强大的分布式量子计算平台。用户无需拥有昂贵的量子硬件，即可通过QIN访问和利用全球的量子计算资源，加速科学发现和技术创新。 量子传感器网络： 构建高精度的量子传感器网络，实现对环境、生物信号、地质运动等的超高精度监测。这些数据可以通过QIN进行高效的传输和分析，为精准医疗、环境监测、灾害预警等领域提供强大的支持。 量子互联网： 最终目标是构建一个全球性的量子互联网，连接全球的量子设备，实现量子信息的自由流通。这将为跨地域的量子计算、量子通信和量子传感提供基础，开启一个全新的信息时代。 增强现实与虚拟现实的下一代体验： 量子纠缠的瞬时关联特性，有望为增强现实（AR）和虚拟现实（VR）带来突破性的体验。例如，通过量子关联，可以在不同的物理位置同步生成高度逼真的虚拟场景，减少延迟，提供更沉浸式的交互感受。 更高效的物联网（IoT）通信： 随着物联网设备数量的爆炸式增长，对低延迟、高安全性、低功耗的通信需求也日益迫切。QIN能够通过更高效的量子编码和更安全的密钥分发，优化物联网设备的通信效率和安全性。 量子智能系统： 将量子计算与人工智能相结合，可以构建出更强大、更高效的量子智能系统。QIN将为这些量子智能系统提供高速、安全的通信通道，支持其在全球范围内进行数据交互和协同工作。 挑战与展望 尽管QIN的愿景令人振奋，但其实现仍面临着巨大的挑战。量子比特的稳定性和相干时间的延长、量子存储器的研发、量子网络的规模化部署以及量子通信协议的标准化等，都是亟待解决的技术难题。此外，构建和维护这样一个全新的网络基础设施，也需要巨大的投入和跨学科的合作。 本书并非仅仅是对量子互联网络概念的介绍，更是一次对未来通信技术发展方向的深度探索。它将带领读者穿越量子世界的奇妙景象，理解量子力学如何赋能信息传递，并描绘出QIN将如何重塑我们的通信格局，开启一个更加安全、高效、智能的信息时代。对于任何对通信技术前沿、量子计算、信息安全以及未来科技发展感兴趣的读者来说，本书都将是一份不可或缺的指南。它将激发读者对量子技术的无限想象，并为投身于这一革命性领域的研究与开发提供深刻的洞见与启迪。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙事节奏把握得非常巧妙，它不像传统的技术专著那样平铺直叙，而是采用了一种螺旋上升的结构。从最基础的理论概念出发，逐渐深入到复杂的系统架构设计，然后再回过头来，用更成熟的视角重新审视最初的那些假设。这种写作手法使得读者的知识体系能够得到稳固的构建，不会因为某一个环节的理解偏差而导致后续内容的迷失。我特别喜欢作者在章节过渡时所做的总结和展望，它们有效地起到了承上启下的作用，帮助我梳理了刚刚学到的知识点，并为即将到来的新内容建立起预期的联系。尤其是在讨论到大规模系统集成时，作者对不同技术模块之间潜在的冲突与协同效应进行了细致的剖析，这让我意识到，未来的通信技术发展，必然是跨界融合和系统优化的综合产物。这本书成功地将一个前沿、高深的议题，转化成了一场引人入胜的探索之旅，让人欲罢不能。

评分☆☆☆☆☆

从一个学习者的角度来看，这本书的启发性是无可替代的。它不仅仅是传授知识，更重要的是提供了一种全新的思维框架。在阅读过程中，我发现自己开始下意识地用“非经典”的逻辑去审视日常接触到的信息处理问题。比如，过去我习惯于线性、确定性的思维模式，但这本书引导我思考，在高度不确定性的复杂网络环境中，如何通过概率性的、整体性的视角来优化资源分配和信息传递效率。这种思维模式的转变，其价值甚至超越了书本上教授的任何具体技术细节。书中对“信息”这一核心概念的重新定义，拓宽了我的认知边界。它不再仅仅是“0”和“1”的组合，而是与物理世界的相互作用紧密相连的复杂实体。这本书仿佛是打开了一扇通往“更高维度”思考的大门，让我对通信领域未来的发展方向充满了无限的遐想和探索的动力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计和排版真的给我留下了深刻的印象，那种深邃的蓝色调和抽象的几何图案，仿佛立刻就把我带入了一个充满未知与可能的未来世界。我本身对技术前沿的探索就抱有极大的热情，拿到这本书时，首先吸引我的就是它那种扑面而来的学术气息和设计感。虽然我对量子力学基础知识的掌握还停留在科普层面，但这本书的引言部分并没有一开始就抛出那些晦涩难懂的公式，而是用一种非常宏大且富有远见的视角，描绘了信息时代所面临的瓶颈以及突破这些瓶颈的理论基础。我尤其欣赏作者在构建理论体系时的那种严谨性，即使是初步介绍，也透露出深厚的功底。阅读过程中，我时常会停下来思考作者提出的那些大胆的设想，比如如何将量子纠缠的特性映射到网络拓扑结构的设计上。这种阅读体验更像是一场思想上的远足，让我对“智能”和“通信”这两个看似平行的概念，有了一种全新的、跨学科的理解。它不是那种只会堆砌概念的教科书，更像是一位经验丰富的向导，带着读者去探索一片未被充分开发的知识高地。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和插图设计也值得单独提出来称赞一番。虽然主题是高度抽象的理论，但作者团队显然在视觉传达上下了很大功夫。图表和示意图的质量非常高，它们并非简单地复刻公式推导，而是用直观的图形语言，将那些原本难以想象的物理过程和数学关系具象化。例如，那些用来解释信息编码和传输效率提升的动态流程图，清晰明了，极大地降低了理解难度。此外，全书的字体选择和行距处理都非常舒适，长时间阅读也不会感到视觉疲劳，这对于一本需要反复研读的专业书籍来说至关重要。作者在细节上的这种专注和匠心，体现了对读者的尊重，也间接说明了他们对自己所研究领域的专业态度。这本书不仅是一份知识的宝库，更是一次愉悦的阅读体验，让人愿意反复翻阅、细细品味。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书的内容深度感到有些惊讶，坦率地说，我在阅读过程中有好几次都不得不放慢速度，甚至需要查阅一些相关的背景资料才能完全跟上作者的思路。这本书在探讨具体应用层面时，展现出极强的工程实践导向性，这在很多理论物理背景的著作中是比较少见的。作者似乎非常注重理论如何落地，如何解决现实世界中高速、安全通信的难题。例如，书中对于后量子密码学的一些分析，不仅仅停留在理论上的脆弱性论述，而是深入到了具体算法结构上，对比了不同抗攻击路径的优劣。这种层次分明的论述方式，使得这本书的价值不仅仅局限于学术研究，对于正在从事网络安全或通信协议设计的工程师来说，也具有极高的参考性。不过，这也带来了挑战，对于非专业读者而言，部分章节的阅读门槛相对较高，需要读者有一定的数理基础和抽象思维能力来消化其中的复杂逻辑和推导过程。总体而言，这本书的深度和广度都达到了一个很高的水准。