[发明专利]认知中继网络的量子化学反应优化多中继选择方法

权利要求书

1.一种认知中继网络的量子化学反应优化多中继选择方法，其特征是：

步骤一：根据不同的情况建立认知系统中继选择模型；

步骤二：初始化量子分子集合及系统参数；

步骤三：对集合中所有量子分子的势能进行评价，选择势能最小的量子分子的测量态作为全局最优解；

步骤四：将量子分子的动能从高到低排序，按不同的量子态演进规则分别进行分解反应、无效碰撞、合成反应；

步骤五：对新产生的量子分子的势能进行评价，若新产生的量子分子的势能最小值小于上一代势能最小值，则将其对应的测量态记为新的全局最优解；否则，保留原来的全局最优解；

步骤六：如果迭代次数小于预先设定的最大迭代次数，返回步骤四；否则，终止迭代，输出全局最优解，即为认知中继网络的最佳多中继选择方案；

步骤一具体包括：

认知中继网络由认知用户源节点s、目的节点d和L个放大-转发半双工中继组成，在有主用户约束条件下，认知用户源节点s、目的节点d和各中继r_i,i＝1,2,…,L与主用户接收机a共享带宽为W的授权频带，一帧分为两个时隙：TS1和TS2,任意两节点i′和j之间的信道衰落其中，χ_i′,j为节点i′和节点j之间的距离，κ为衰落系数，ξ为路径损耗指数,TS1中，认知用户源节点到第i个中继的信道衰落为到主用户接收机的信道衰落为h_s,a；TS2中，第i个中继到认知用户目的节点的信道衰落为到主用户接收机的信道衰落为

设所有接收的噪声服从均值为0，方差为σ²的复高斯分布,在TS1，认知用户源节点s以功率p_s发送单位能量信号x_s，则第i个中继r_i收到的信号为：

其中，表示中继节点r_i处的噪声,将y_i归一化，得：

当认知用户源节点以功率p_s发送信号时，采用如下简单的功率控制策略：

其中，min(·)表示取一组数中的最小值，I_th表示主用户接收机的干扰门限值；

在TS2，所有被选择的中继向认知用户目的节点d转发在TS1收到的信号,中继选择结果用变量b来表示：如果第i个中继r_i被选择，则令b_i＝1；如果第i个中继r_i未被选择，则令b_i＝0,认知用户目的节点d收到的信号为：

其中，表示中继r_i的发送功率，η_d表示目的节点d处的高斯白噪声,采用如下简单的功率控制策略：

其中，表示各中继的最大发送功率，M表示被选择中继的数目,故认知用户源节点s到目的节点d链路的吞吐量为：

在无主用户约束条件下，认知用户源节点s、目的节点d和各中继r_i的授权频带带宽仍为W,一帧分为两个时隙：TS1和TS2,在TS1，认知用户源节点向各中继发送信号；在TS2，被选择的中继向认知用户目的节点发送信号；

在TS1，认知用户源节点s以最大功率发送单位能量信号x′_s，则第i个中继r_i收到的信号为：

将y′_i归一化，得：

在TS2，所有被选择的中继以最大功率向认知用户目的节点d转发在TS1收到的信号,中继选择结果用变量b来表示：如果第i个中继r_i被选择，则令b_i＝1；如果第i个中继r_i未被选择，则令b_i＝0,认知用户目的节点d收到的信号为：

认知用户源节点s到目的节点d链路的吞吐量为：

步骤二具体包括：

设定集合中量子分子数目为N，维度为L，初始化量子分子动能KE，动能损失系数KELossRate，第t代集合的第n个量子分子可表示为其中，n＝1,2,...,N，l＝1,2,...,L，为了将量子分子映射为测量态采用如下规则，其测量规则为：

其中，为0～1之间均匀分布的随机数；

步骤三具体包括：

通过如下的势能评价函数对集合中所有量子分子的势能进行评价：

其中，第n个量子分子对应的测量态代表认知中继网络中第n种中继选择方案，若其第l维值为1，则代表第l个中继被选择；若其第l维值为0，则代表第l个中继未被选择，p_s、的取值视步骤一中的具体约束条件而定，对集合中所有量子分子的势能进行评价，选出势能最小值对应的测量态，即为全局最优解

步骤四具体包括：

分解反应由一个量子分子变为两个量子分子，合成反应由两个量子分子变为一个量子分子，将量子分子的动能从高到低排序，排序后的结果记为集合1，即其相应的测量态为令动能排在前20％的量子分子发生分解反应，排在后40％的量子分子发生合成反应，其余的量子分子发生无效碰撞；

定义一个新的集合2，用来存储集合1反应后生成的量子分子，为集合2存储的第k个量子分子，分别表示对应的分解反应、无效碰撞和合成反应；

1、经分解反应，集合1中第n个量子分子变为集合2中第k、k+1个量子分子，其中，n＝1,2,...,N₁，k＝1,3,...,2N₁-1，N₁＝0.2N，对于集合2中第k个量子分子，首先复制集合1中第n个量子分子的所有元素到中，然后从中随机选择L/2个元素，对选择的每一个元素都根据如下规则更新：

其中，是集合2中第k个量子分子的第l个量子旋转角，c₁为大于0的常数，和为[0,1]间的均匀随机数；对于集合2中第k+1个量子分子，复制集合1中第n个量子分子的所有元素到中，然后从中随机选择L/2个元素，对选择的每一个元素都根据如下规则更新：

其中，是集合2中第k+1个量子分子的第l个量子旋转角，c₂为大于0的常数，为[0,1]间的均匀随机数，分解反应后生成的量子分子的动能小于反应前量子分子的动能，令分解反应后生成的第k、k+1个量子分子的动能均为反应前第n个量子分子动能的e₁倍，e₁为与动能损失系数KELossRate有关的常数，令e₁＝(1-KELossRate)/2；

2、经无效碰撞，集合1中第n个量子分子变为集合2中第k个量子分子，其中，n＝N₁+1,N₁+2,...,3N₁，k＝2N₁+1,2N₁+2,...,4N₁，对集合1中所有量子分子的势能进行升序排序，排序后的结果存储为集合3；为集合3存储的按势能升序排序后集合1中量子分子的测量态，选择集合3中前10％的个体中的任意一个作为集合1中第n个量子分子的演进方向，按如下规则更新其第l个量子旋转角和量子位置：

其中，c₃、c₄均为大于0的常数，和为[0,1]间的均匀随机数，j为按势能升序排序后随机选中的量子分子的标号，无效碰撞后生成的量子分子的动能小于反应前量子分子的动能，令无效碰撞后生成的第k个量子分子的动能为反应前第n个量子分子动能的e₂倍，e₂为与动能损失系数KELossRate有关的常数，令e₂＝1-KELossRate；

3、经合成反应，集合1中第n、n+1个量子分子变为集合2中第k个量子分子，其中，n＝3N₁+1,3N₁+3,...,N-1，k＝4N₁+1,4N₁+2,...,N，集合2中存储的第k个量子分子中每一个元素按轮盘赌的方法依概率从中随机选取，概率1-Z_n从中随机选取，合成反应后生成的量子分子的动能小于反应前量子分子的动能，令合成反应后生成的第k个量子分子的动能为反应前第n、n+1个量子分子动能之和的e₃倍，e₃为与动能损失系数KELossRate有关的常数，令e₃＝1-KELossRate；

各反应均结束后，将集合2中存储的量子分子进行赋值操作，即其中，n＝1,2,...,N，k∈{1,2,...,N}，对量子分子进行测量得到其测量态其测量规则为：

其中，为0～1之间的均匀随机数。