[发明专利]量子回溯搜索优化的CCFD-Massive MIMO系统功率分配方法

说明书

本发明提供一种量子回溯搜索优化的CCFD‑Massive MIMO系统功率分配方法，包括：建立系统模型；初始化量子种群及系统参数，经映射规则，得到量子个体的映射态；计算量子个体的适应值，将量子种群中适应值最大的量子个体记为全局最优解；通过进化和交叉策略生成新的量子个体；根据映射规则得到新生成的量子个体的映射态，计算适应值，经贪婪选择，更新量子种群及全局最优解；如果迭代次数小于预先设定的最大迭代次数，返回第四步；否则，终止迭代，输出全局最优解，得到最佳功率分配方案。本发明有效提高了频谱利用率，充分考虑了基站和用户的自干扰、互干扰，很大程度上提高了系统的保密容量，为复杂系统的功率分配问题提供了一种新的解决方法。

技术领域

本发明涉及一种量子回溯搜索优化的CCFD-Massive MIMO系统功率分配方法，具体是一种基于量子回溯搜索优化的同时同频全双工Massive MIMO系统功率分配方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

Massive MIMO作为5G关键技术之一，与传统的MIMO技术相比，其基站装备大规模的天线，可同时服务于更多的用户，能够有效提高系统容量。在通信系统中，传统的双工通信方式主要是时分双工(TDD)和频分双工(FDD)，用以避免发射机信号对接收机信号在时域和频域上的干扰。为了满足频谱效率更高、速率更快、容量更大的通信需求，新兴的同时同频全双工(Co-time Co-frequency Full Duplex,CCFD)技术突破了现有的TDD和FDD模式，采用干扰消除的方法，减少了传统双工模式中时隙和频谱资源的开销，从而达到提高频谱效率的目的。与现有的TDD和FDD方式相比，CCFD技术能够将无线频谱资源的使用效率提升近一倍，因此成为5G潜在的关键技术之一。

在Massive MIMO系统中，各用户通信时均会受到来自其他用户的干扰，而窃听器的存在往往会降低系统的保密性。近年来，Massive MIMIO系统的安全通信问题受到越来越多的关注。Lingxiang Li等在《IEEE Transactions on Information Forensics andSecurity》(2017,Vol.12,No.10,pp.2387-2401)上发表的“MIMO Secret CommunicationsAgainst an Active Eavesdropper”考虑了有窃听器存在的下行系统中，接收机通过一部分天线接收信号，另一部分天线发送干扰信号的方式来干扰窃听器获取有效信息的能力，但仅考虑了所有节点的功率为同一值的情况，没有进行功率分配，此外，也没有考虑多个用户同时同频全双工的场景。Danda B.Rawat等在《IEEE Internet of Things Journal》(2017,Vol.4,No.6,pp.1987-1993)上发表的“EvaluatingSecrecy Outage of PhysicalLayer Security in Large-Scale MIMO Wireless Communications for Cyber-PhysicalSystems”考虑了Massive MIMO上行系统中，窃听器和干扰器共存的场景，各用户需要根据收到的干扰信号，得到干扰矩阵的最小特征值对应的特征向量来更新其发送的信号，以提高接收机的干信噪比。但这种方法的计算量太大，很难满足实时通信的需求。Chuang Du等在《IET Communications》(2017,Vol.11,No.1,pp.10–16)上发表的“Energy-EfficientOptimization for Secrecy Wireless Information and Power Transfer in MassiveMIMO Relaying Systems”中给出了有窃听器存在时的系统保密能效的表达式，并利用拉格朗日数乘法得到系统保密能效最大的功率分配方案，但拉格朗日数乘法只适用于解等式约束的凸优化问题，对于不等式约束的问题，很难通过这种方法得到最优解。系统保密容量是衡量通信系统保密性的有效指标之一，而现有的功率分配方法多应用于较为简单的场景，在实际通信系统中很难得到较大的系统保密容量。因此，设计新的功率分配方案，提高系统的保密容量，具有重要的意义。本发明设计了一种基于量子回溯搜索优化的CCFD-MassiveMIMO系统功率分配方法。该方法利用量子计算与回溯搜索优化机制的优势来解决CCFD-Massive MIMO系统的功率分配这一复杂的连续非凸优化问题，具有搜索速度快、全局搜索能力强的优点。此外，本发明结合Massive MIMO和同时同频全双工技术，能有效降低窃听器对有用信息的截取能力，提高系统的保密性，节约频谱资源。