[发明专利]大规模MIMO系统的联合多中继选择与时隙资源配置方法

说明书

本发明涉及一种大规模MIMO系统的联合多中继选择与时隙资源配置方法，发明结合量子优化机制与白蚁群优化机制的优势，利用量子白蚁群优化方法来解决Massive MIMO系统的多中继选择与时隙资源配置这一复杂的混合优化问题，具有搜索速度快、全局搜索能力强的优点。本发明结合无线能量采集技术，可显著减少Massive MIMO协作通信系统信息传输过程中的能量消耗，通过用户终端与干扰中继分别向窃听器发送干扰信号以降低窃听器的信干噪比，能够有效提高Massive MIMO系统的保密容量，保证通信系统的安全性与可靠性。

技术领域

本发明涉及一种大规模MIMO(Massive MIMO)系统的联合多中继选择与时隙资源配置方法，属于5G移动通信关键技术领域。

背景技术

随着信息技术的飞速发展，移动通信正以前所未有的方式推动社会变革。与4G网络相比，5G网络能满足更高的数据传输要求，具有更广的无线通信覆盖面、更好的通信质量，可构建万物互联的新景象。但随着5G通信的高速发展，移动通信所造成的温室气体排放以及能源消耗问题也会日趋严重，为实现可持续发展，绿色通信已成为5G通信的研究热点。作为5G关键技术之一，Massive MIMO能够显著降低能耗，其基站装备大量的天线，可同时服务于更多的终端，有效提高系统的频谱效率与能效，进一步提升系统容量。利用中继网络协助Massive MIMO系统的数据传输，可以扩大通信系统的覆盖范围，显著改善小区边缘用户的通信质量。由于不同的地理位置和信道衰落的影响，各中继对改善用户通信质量的能力存在差异，如何选择合适的中继协助小区边缘用户的数据传输对提升Massive MIMO系统容量有着重要的意义。

由于无线传输的开放性，窃听器的存在很容易截获通信系统的有用信息，造成信息泄露。因此，在保证用户通信质量的前提下，提高通信系统的保密性已成为Massive MIMO系统的研究热点之一。随着资源的日益短缺，如何建立对环境友好、通信质量高、保密性强的数据传输机制，已成为Massive MIMO系统亟待解决的难题。经对现有文献检索发现，JianChen等在《IEEE Access》(2017,Vol.5,pp.869-880)上发表的“Toward Green and SecureCommunications over Massive MIMO Relay Networks:Joint Source and Relay PowerAllocation”提出了一种能量有限的Massive MIMO系统源节点和中继功率分配方法以提高系统的保密能效，但并未涉及中继选择，且忽略了源节点向中继传输信息时的信息泄露，此外，没有利用其他的防窃听策略以提高信息传输的保密性。Ali Kuhestani等在《IEEETransactions on Information Forensics and Security》(2018,Vol.13,No.2,pp.341-355)上发表的“Joint Relay Selection and Power Allocation in Large-Scale MIMOSystems With Untrusted Relays and Passive Eavesdroppers”提出了一种未知中继与窃听器共存场景下的中继选择与功率分配方法。在系统总功率固定的条件下，用户在基站传输信息过程中对窃听器发送干扰信号，以降低窃听器对有用信息的截获能力，在中继传输阶段，用户终端通过自干扰消除方法提高自身的信干噪比，从而提高Massive MIMO系统的保密容量。但该方法仅涉及单中继选择问题，多个候选中继处于闲置状态。已有文献表明，现有Massive MIMO协作通信系统的数据传输机制需要外界持续不断地提供能量，且资源利用率较低，在实际通信系统中很难得到较大的保密容量。因此，建立新的数据传输机制，在耗能最小的同时提高系统的保密容量，具有重要的意义。本发明设计了一种MassiveMIMO系统的联合多中继选择与时隙资源配置方法，该方法结合量子优化机制与白蚁群优化(Termite Colony Optimization,TCO)机制的优势，利用量子白蚁群优化(Quantum-inspired Termite Colony Optimization,QTCO)方法来解决Massive MIMO系统的多中继选择与时隙资源配置这一复杂的混合优化问题，具有搜索速度快、全局搜索能力强的优点。此外，本发明结合无线能量采集技术，可显著减少Massive MIMO协作通信系统信息传输过程中的能量消耗，通过用户终端与干扰中继分别向窃听器发送干扰信号以降低窃听器的信干噪比，能够有效提高Massive MIMO系统的保密容量，保证通信系统的安全性与可靠性。