CN103701514A - 利用单元天线随机扰动的方向调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用单元天线随机扰动的方向调制方法，通过随机化单元天线发射加权系数，造成非期望方向星座点的畸变在没有噪声的情况下也随机变化。较之于相控阵方向调制在非期望方向产生固定畸变的信号，本发明方法增加了窃听接收机窃取信息的难度，提高了通信的可靠性。而在期望方向本发明方法保证了调制的信号不发生畸变，使得期望接收机可以正确接收解调信息。本发明不依赖于与天线阵列的种类，可广泛用于直线阵列，圆形阵列，矩形阵列等各类天线阵列。

Description

利用单元天线随机扰动的方向调制方法

技术领域

本发明属于无线通信领域的物理层安全技术，特别是在天线阵列中通过单元天线的扰动，达到比普通方向调制技术更加安全的加密技术。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展和广泛应用，通信信息的加密和保护变得至关重要。传统的无线通信的加密都是在物理层以上使用加密协议（如网络层使用的IPSec），但在一些较为复杂的网络环境，如ad-hoc网络中，由于缺乏一个安全的信道实现公共密钥的交换，使得上层的加密技术的安全性降低。因此，需要一种新的物理层安全技术提高无线通信系统的安全性。

传统的相控阵通过增强期望方向的辐射功率并降低非期望方向的辐射功率来实现物理层传输信息的安全，但在旁瓣方向，由于包含的信息与主瓣相同，灵敏度足够高的接收机还是可以获取信息。方向调制技术则可以实现调制信号的方向性，该技术通过在射频端综合出数字基带信号来实现在不同方位发射出的信号具有不同的星座图。在期望方向发出的信号与传统数字基带信号相同，在非期望方向发出的信号在幅度和相位上产生畸变。这就将导致期望方向接收机可以正常接收并解调出信号，而在非期望方向畸变的星座图导致窃听接收机无论具有多高的灵敏度也无法正确解调出信息。文献[Daly,M.P.and J.T.Bernhard,DirectionalModulation Technique for Phased Arrays.Antennas and Propagation,IEEETransactions on,2009.57(9):p.2633-2640.]提出了一种基于相控阵的方向调制技术，相移器的相移值通过遗传算法求得，不足之处在于遗传算法的收敛效果会对方向调制的性能产生较大影响。文献[Daly,M.P.,E.L.Daly and J.T.Bernhard,Demonstration of Directional Modulation Using a Phased Array.Antennas andPropagation,IEEE Transactions on,2010.58(5):p.1545-1550.]在实际系统中对基于相控阵的方向调制技术加以验证。文献[Tao,H.,S.Mao-Zhong and L.Yu,Dual-Beam Directional Modulation Technique for Physical-Layer SecureCommunication.Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE,2011.10:p.1417-1420.]利用双波束来实现方向调制的两种通信系统，分别是四阵元阵列和角型反射器，不足之处在于准确设定系统参数的难度较大。上述方向调制技术虽然都能实现在期望方向信号不发生畸变，而在非期望方向信号畸变程度较大，但在非期望方向信号的畸变程度是固定的，这样窃听接收机如果知道发射机的先验知识（如相控阵中的相移值），则可能从有规律的畸变星座图中恢复出信息序列来。

发明内容

技术问题：本发明针对现有方向调制技术的不足，提出一种通过随机化单元天线发射加权系数造成非期望方向调制的信号随机扰动，同时保证期望方向调制的信号不发生畸变的方法。

技术方案：

为实现上述发明目的，本发明提供一种利用单元天线随机扰动的方向调制方法，其特征在于该方法主要包括以下步骤：

步骤1）、从天线阵列中随机选取一个阵元作为待定天线阵元；

步骤2）、随机化除待定天线阵元之外的其余阵元的发射加权系数，造成非期望方向星座点的扰动；

步骤3）、求待定天线阵元的发射加权系数，保证期望方向星座点不发生畸变；

步骤4）、完成当前时刻发送符号的方向调制；

步骤5）、重复步骤1）-步骤4），直到完成各时刻发送符号的方向调制。

本发明的有益效果：

本发明的利用单元天线随机扰动的方向调制方法，通过随机化单元天线发射加权系数，造成非期望方向星座点的畸变在没有噪声的情况下也随机变化。较之于相控阵方向调制在非期望方向产生固定畸变的信号，本发明方法增加了窃听接收机窃取信息的难度，提高了通信的可靠性。而在期望方向本发明方法保证了调制的信号不发生畸变，使得期望接收机可以正确接收解调信息。本发明不依赖于与天线阵列的种类，可广泛用于直线阵列，圆形阵列，矩形阵列等各类天线阵列。

附图说明

图1利用单元天线随机扰动的方向调制方法步骤

图2本发明方法用于直线阵的系统模型

图3四元均匀分布直线阵本发明方法与相控阵方向调制误比特率比较（QPSK信号，信噪比为13dB）

图4四元均匀分布直线阵本发明方法（左）与相控阵方向调制（右）在50度方向发射信号星座图（统计10000个QPSK符号）

图5四元均匀分布直线阵本发明方法与相控阵方向调制误比特率随信噪比变化情况（接收机位于45度方向）

图6本发明方法用于圆阵的系统模型

图7六元均匀分布圆阵本发明方法与相控阵方向调制误比特率比较（QPSK信号，信噪比为13dB）

图8六元均匀分布圆阵本发明方法（左）与相控阵方向调制（右）在50度方向发射信号星座图（统计10000个QPSK符号）

图9六元均匀分布圆阵本发明方法与相控阵方向调制误比特率随信噪比变化情况（接收机位于55度方向）

具体实施方式

本发明可用于任何天线阵列中，如线性阵列、平面阵列、圆形阵列，方法流程如图1所示，具体方案如下：

步骤1），随机选取待定天线阵元。设天线阵列的阵元数目为N，阵元加权系数向量为w=[w₁,w₂,…,w_N]^T，方向θ上的阵列流形向量为a(θ)＝[a₁(θ),a₂(θ),…,a_N(θ)]^T，从N个阵元中随机选取1个待定天线阵元，记为j(j＝1,…,N)。

步骤2）随机化除待定天线阵元之外的其余阵元的发射加权系数w_i(i≠j)，造成非期望方向星座点的扰动。其余阵元发射加权系数的随机化可以采用以下方式：复高斯分布加权系数随机扰动、均匀分布加权系数随机扰动或者伪随机序列加权系数随机扰动。

步骤3），求待定天线阵元的发射加权系数，保证期望方向星座点不发生畸变。设在时刻n，符号s[n]在期望方向θ_desired映射到星座点F_n，则根据公式W^Ha(θ_desired)=F_n求得待定天线阵元的发射加权系数：

$w_j=\frac{F_n-[w_1^H,\·\·\·,w_i^H,\·\·\·,w_N^H]*{[a_1\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{desired}}\right),\·\·\·,a_i\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{desired}}\right),\·\·\·,a_N\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{desired}}\right)]}^T}{a_j\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{desired}}\right)}$

式中，i＝1,2…,N且i≠j，a(θ_desired)根据采用的阵列几何结构和期望方向算出。至此得到时刻n的发射阵元加权系数向量w。

步骤4），完成时刻n的方向调制。设符号s[n]在方向θ得到的调制符号为mod_n(θ)，则mod_n(θ)＝w^Ha(θ)。

步骤5），在时刻n+1，设符号s[n+1]在期望方向（θ_desired）映射到星座点F_n+1，重复权利要求1所述的步骤1）-4）可完成时刻n+1符号s[n+1]在各个方向的调制并得到mod_n+1(θ)。由此可得到各时刻发送符号的方向调制。

实施例1：

如图2所示的本发明方法用于直线阵的系统模型，设直线阵列均匀分布，相邻阵元之间的间距均为d＝λ/2，阵元数目为N＝4，阵元加权系数为w=[w₁,w₂,w₃,w₄]^T，期望方向位于θ_desired＝40°，在期望方向综合出QPSK基带调制信号。信息序列取值的集合为{0,1,2,3}，在期望方向分别映射到

每发送一个符号都按照图1所示的流程进行方向调制。比如信息序列s_n＝{2,1,3,3,1,0,…}，则对于第一个要发送符号2，具体步骤为：

1）符号2在期望方向的映射为

从4根天线中随机选取一根天线作为待定天线阵元，记为j(j＝1,2,3,4)，假设这次选择第4根天线作为待定天线阵元，记j＝4

2）设定待定天线阵元之外的其余阵元的随机发射加权系数w₁,w₂,w₃，让其服从分布均值为μ，方差为σ²的复高斯分布。令μ=0，σ²=0.25，将得到w₁,w₂,w₃的一组随机值。假设这次得到的随机值是w₁＝0.2688+0.1594i，w₂＝0.9169-0.6538i，w₃＝-1.1294-0.2168i。

3）设定待定天线阵元，即第4根天线的发射加权系数w₄，期望方向的阵列流形向量为

则

代入数据后得到w₄＝-1.4445+1.1129i，至此求得所有阵元的发射加权系数。

4）根据公式mod＝w^Ha(θ)计算得到符号2在期望方向将映射为

没有发生畸变，而在其他方向映射的星座点将发生幅度和相位的畸变，如在45⁰方向，符号2将映射为1.2773e^j1.0923π。

至此，完成第一个符号的发送，对于接下来要发送的符号，参照步骤1）-4）可得到。图3验证了本发明方法具有相控阵方向调制的优点，且效果更好，在高信噪比的情况下，这种优势会更加明显。从图4所示的发射信号星座图可以看到，采用相控阵方向调制在非期望方向畸变信号是固定的（右图所示），而本发明方法得到的畸变信号是随机的（左图所示），这就增大了窃听接收机窃听信息的难度。从图5看到，在接收机高信噪比的情况下，采样相控阵方向调制的接收机误码率极具下降，而采用本发明方法保证了在非期望方向的高误码率。

实施例2：

如图5所示的本发明用于圆阵的系统模型，设阵元数目为N＝6，相邻阵元之间的间距都为d＝λ/2，由几何关系可得圆阵的半径

第n个阵元与x轴的夹角为

阵元加权系数为w=[w₁,w₂,w₃,w₄,w₅,w₆]^T，期望方向位于

θ_desird＝90°，接收机都在xoy平面上，故只需要考虑方位角

的影响。期望方向综合出QPSK基带调制信号。信息序列s_n取值的集合为{0,1,2,3}，在期望方向分别映射到每发送一个符号都按照图1所示的流程进行方向调制。比如信息序列s_n＝{3,1,0,3,1,2,…}，则对于第一个要发送符号3，具体步骤为：

1)符号3在期望方向的映射为

从6根天线中随机选取一根天线作为待定天线阵元，记为j(j＝1,2,3,4,5,6)，假设这次选择第2根天线作为待定天线阵元，记j＝2。

2)设定待定天线阵元之外的其余阵元的随机发射加权系数w₁,w₃,w₄,w₅,w₆，让其服从分布均值为μ，方差为σ²的复高斯分布。令μ=0，σ²=0.25，将得到w₁,w₃,w₄,w₅,w₆的一组随机值。假设这次得到的随机值是w₁＝0.8144+0.6379i，w₃＝0.8615-0.3554i，w₄＝-0.0776-0.4473i，w₅＝-0.2265+1.2802i，w₆＝-0.4216-1.2539i。

3)设定待定天线阵元，即第2根天线的发射加权系数w₂，期望方向的阵列流形向量为

则

，代入数据后得到w₂＝1.5031-4.1624i，至此求得所有阵元的发射加权系数。

4)根据公式mod＝w^Ha(θ)计算得到在期望方向符号3将映射为

没有产生畸变，而在其他方向映射的星座点将发生幅度和相位的畸变，如在45⁰方向，符号3将映射为1.7666e^j1.1830π。

至此，完成第一个符号的发送，对于接下来要发送的符号，参照步骤1）-4）可得到。

图7验证了本发明方法具有相控阵方向调制的优点，且效果更好，在高信噪比的情况下，这种优势会更加明显。从图8所示的发射信号星座图可以看到，采用相控阵方向调制在非期望方向畸变信号是固定的（右图所示），而本发明方法得到的畸变信号是随机的（左图所示），这就增大了窃听接收机窃听信息的难度。从图9看到，在接收机高信噪比的情况下，采样相控阵方向调制的接收机误码率极具下降，而采用本发明方法保证了在非期望方向的高误码率。

Claims (3)

1.利用单元天线随机扰动的方向调制方法，其特征在于该方法主要包括以下步骤：

步骤1）、从天线阵列中随机选取一个阵元作为待定天线阵元；

步骤2）、随机化除待定天线阵元之外的其余天线阵元的发射加权系数，造成非期望方向星座点的扰动；

步骤3）、求待定天线阵元的发射加权系数，保证期望方向星座点不发生畸变；

步骤4）、完成当前时刻发送符号的方向调制；

步骤5）、重复步骤1）-步骤4），直到完成各时刻发送符号的方向调制。

2.根据权利要求1所述的利用单元天线随机扰动的方向调制方法，其特征在于步骤3）具体包括：

设在时刻n，符号s[n]在期望方向θ_desired映射到星座点F_n，根据公式W^Ha(θ_desired)=F_n求得待定天线阵元的发射加权系数

由此得到时刻n的发射阵元加权系数向量w=[w₁,w₂,…,w_N]^T，其中i＝1,2…,N;j＝1,2…,N且i≠j，N为天线阵列的阵元数目，j为待定天线阵元的标号，a(θ_desired)＝[a₁(θ_desired),a₂(θ_desired),…,a_N(θ_desired)]^T为期望方向θ_desired的阵列流形向量。

3.根据权利要求1所述的利用单元天线随机扰动的方向调制方法，其特征在于步骤4）具体包括：

设在时刻n符号s[n]在方向θ得到的调制符号为mod_n(θ)，则mod_n(θ)＝w^Ha(θ)，由此完成时刻n符号s[n]在各方向的调制，其中w=[w₁,w₂,…,w_N]^T为发射阵元加权系数向量，a(θ)＝[a₁(θ),a₂(θ),…,a_N(θ)]^T为方向θ的阵列流形向量。

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