CN106888045B - 一种基于波束成形的动态方向调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术中的阵列信号处理领域，具体的说是涉及一种基于波束成形的动态方向调制方法。本发明的方法通过算法对天线进行一次综合求出一组天线权值，在不同的符号周期内天线权值不需要重新计算，只需要将天线权值数据随机变化顺序，然后选取其中一组天线权值进行综合，这样实现了低复杂度的动态方向调制。使用方向调制的方法进行阵元权值的更新来实现代替基带调制。本发明提出的算法可以在降低复杂度的情况下实现动态方向调制的安全性。

Description

一种基于波束成形的动态方向调制方法

技术领域

本发明属于通信技术中的阵列信号处理领域，具体的说是涉及一种基于波束成形的动态方向调制方法。

背景技术

无线通信技术的发展和应用给生活带来了很大的方便，由于无线通信是一个开放的系统，它在带来方便的同时，安全性也是一个值得考虑和解决的问题。随着对信息安全要求的提高，以及窃听技术的不断发展，传统的安全方法受到越来越大的挑战，传统的安全技术亟待增强。物理层安全技术研究方向涉及的内容是在窃听接收机与期望接收具有相同的无线通信信号解调方法的条件下，如何在物理层实现无线通信信息安全的传输给接收机，而不是借助上层加密技术或保密通信协议等方法实现无线通信信息在物理层的安全传输。物理层安全技术目前成为通信安全领域的研究热点。

传统的无线通信发射机发射的信号在各个方向上仅存在信噪比的差异，信号的格式完全一致，位于非期望方向的窃听者使用高灵敏度的接收机就能够实现保密信息的截获，针对这一情况来，近年来，研究者将多天线收发阵列应用于物理层安全通信领域，提出了方向调制技术。该技术利用无线通信系统中多天线发射阵列直接在天线端综合出具有方向特性的数字调制信号，从信号调制角度解决通信信息在传输过程中的安全性问题。方向调制信号具有很强的方向性，发射的无线通信信号在期望方位接收信号星座点之间的相对相位关系与基带数字调制信号相同，合法用户可以正常解调接收信号；而非期望方位窃听接收机接收信号星座点之间的相对相位关系产生畸变，窃听者无法从接收信号中解调通信信息。

方向调制系统能够使非目标方向的信号星座图产生失真。根据目标方向星座图的变化，可以将方向调制系统分为静态系统和动态系统。在静态系统中，非目标方向的星座图失真是恒定的。而在动态系统中，非目标方向的失真是随着信息流动态变化的。因此，动态系统比静态系统具有更高的安全性。传统的方向调制动态系统有正交矢量法动态系统、切换天线阵系统和天线子集系统。正交矢量法动态系统实现动态方向调制的方法是：以符号速率不断更新在期望方向的信道矩阵的复共轭转置的零域的正交基，然后再与激励权重相组合；切换天线阵系统实现动态方向调制的方法是：将天线阵进行分组，在不同的时间内选择不同的天线组进行传输，每次传输前要对天线进行综合以达到方向调制的效果；天线子集系统实现动态方向调制的方法：在天线阵较大的情况下，如N根天线组成的线阵，在不同的时间内在天线阵中随机选择M<N根天线进行传输，每次都有进行天线的综合。这些方法在进行动态方向调制时，都需要对天线进行多次综合，要想综合能达到很好的效果，对算法的要求较高。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种在对天线进行一次综合的情况下就能实现动态方向调制的方法。

本发明的技术方案是：

一种基于波束成形的动态方向调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立波束成形的天线远场模型如下公式1：

其中，θ是信号入射角，法线设定为90^o，N为阵列天线数，

S2、将将调制星座图分为幅度AMP和相位PHASE两部分，即单个星座点值为 AMP(x)e^jPHASE(x)，其中x为第x个星座点，AMP为针对最外围幅度进行归一化后的幅度；

S3、利用阵列天线数N，设定目标星座图，最外围星图点幅度N1，其中0<N1≤N，设定各个星座点在天线远场辐射目标值为N1*AMP(x)e^jPHASE(x)；

S4、合成期望目标星座点，具体方法为：

S41、建立利用相控阵天线权值合成星座点的模型如下公式2所示：

其中，

中的φ_i为通过遗传算法或者粒子群算法进行求全局求解后获得的数值，使其和等于期望星座点N1*AMP(x)e^jPHASE(x)；

S42、利用非数值算法综合星座图，设定目标函数为第x个星座点AMP(x)e^jPHASE(x)，通过多次迭代进行求解最优值的x组N个

S5、假设已知安全接收方向θ，通过传统波束成形算法获得N个天线阵元的权值

S6、在静态方向调制系统中：将步骤S4和步骤S5结合获得优化天线阵元权值

作为新的发射天线阵元权值；

在动态方向调制系统中：将N个天线阵元的权值

进行顺序随机打乱，形成一定数量的N个天线阵元的权值组，再分别与阵因子

相乘，得到不同的优化的最终天线阵元权值；

S7、将基带调制信号进行分类，按照不同的符号对应不同的天线阵元组进行映射，其中不同的符号周期，采用不同的天线阵元顺序；在进行信号发射中，通过不同符号的映射每发射一个符号映射一次相应的优化的最终天线阵元权值，形成在期望方向上动态方向调制。

本发明的有益效果是：相对于传统技术，本发明的方法具有更强的安全性，只需要进行一次天线权值的综合，从而极大减少了计算复杂度，同时，使用方向调制的方法进行阵元权值的更新替代基带调制，保证了期望方向的安全性和波束成形增益的非降低性。

附图说明

图1为传统的16APSK信号经过波束成形网络形成的星座图与基于波束成形的动态方向调制的16APSK星座图对比示意图；

图2为不同角度上，16APSK的相位图；

图3为选取几个角度，16APSK未经信道的星座图，其中(a)为非期望方向星座图，(b) 为非期望方向星座图，(c)为期望方向星座图；

图4为不同角度上，16APSK经过信道后的误码率对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：

本发明的核心思想是利用直线均匀线阵的波束成形实现动态方向调制。

本发明用于在空间中实现阵列增益和方向调制的安全性结合，基本模型为阵列天线在远场所形成的电磁场值：

其中，

代表传输方向的波数矢量，

和

代表接收点位置矢量和各个阵元距离值。

对于全向天线阵元单个天线的方向图AP_n(θ)＝1(n＝1,2...N),同时在线阵中使用半波长作为阵元间距,所以天线的远场E可以定义为公式

其中，θ是信号入射角，法线设定为90^o，相位中心点设定为阵列中心。

实施例：

以16APSK调制星座图为例，本例包括以下步骤：

S1：建立不同于传统波束成形的天线远场模型：

假设天线阵列数为N＝16，阵元间距为λ/2；

通过公式可以看出来，其不同的调制符号中，远场辐射矢量是一致的，通过在不同调制符号引入新的自由度能够有效的增强其辐射电场的安全性。

在方向调制(DM)中，G_mn随着D_m的变化进行不停的更新，将

当成一个新的复数增益G_mn'来控制波束成形网络同时代替基带D_m进行调制，也可以将其看成一种新的天线权值；

S2：将16APSK调制星座图分为外圈幅度1，内圈幅度0.5540，8+8APSK调制，内圈相位为π/8初始相位，以π/4为相位间隔，8个相位，外圈相位为0初始相位，以π/4为相位间隔，8个相位。同时按照原定义的AMP(x)e^jPHASE(x)进行分布，其中x为第x个星座点， AMP为以最外围幅度进行归一化后的幅度。

S3：利用阵列天线数16，设定目标星座图最外围星图点幅度16，那么设定各个星座点在在天线远场辐射目标值为16*AMP(x)e^jPHASE(x).

S4：设定经过阵列信号的权值的变化，合成期望目标星座点，具体步骤如下：

S41：建立利用相控阵天线权值合成星座点的模型如下：

其中，

中的φ_i为通过遗传算法或者粒子群算法等进行求全局解后获得的数值，使其和等于期望星座点16*AMP(x)e^jPHASE(x)；

S42：利用非数值算法例如遗传算法综合星座图，设定目标函数为第x个星座点AMP(x)e^jPHASE(x)，通过多次迭代进行求解最优值的x组16个

S421：随机生成10000个二进制遗传个体；

S422：设定相控阵的范围-pi～+pi，将随机生成的二进制序列范围设定为相控阵范围，一一对应，求目标函数值

设定N＝16；

S423：计算个体适应值；

S424：选择、单点重组交叉；

S425：交叉变异；

S426：二进制到十进制转换，然后计算目标函数值；

S427：再次迭代，设定遗传代数为50代，保存最优值；

S5:假设已经通过DOA估计算法或者预先指定期望安全接收方向θ，通过传统波束成形算法如(LCMV)算法等获得16个天线阵元的权值

S6：将16个天线阵元的权值

顺序不断随机化，形成很多数量的16个天线阵元的权值组，不同的符号用不同的优化天线阵元权值组

作为新的发射天线阵元权值；

S7：将基带调制信号进行分类，按照不同的符号对应不同的天线阵元组进行映射。在进行实际信号发射中，通过不同符号的映射每发射一个符号映射一次相应的天线权值，便形成了在期望方向上的高阶方向调制。

下面将其他相关算法同本发明方法的算法性能对比分析，以进一步验证本发明的性能。

采用了四个方面来度量算法的有效性，一个是用经过传统基带调制后经过16阵元天线后形成的星座图和经过本方法实现的星座图进行对比；一个是用是不同角度的相位图验证动态方向调制的效果；一个是在非期望角度和期望角度在几种不同顺序权值综合下的星座图畸变情况；一个是使用传统误码率曲线说明本方法实现的方向调制的安全性是有效的，只在期望方向的误码率随着误码率升高而降低，而非期望方向随着误码率升高无改变。

图1为传统星座图和本方法产生星座图对比(都是添加了阵列增益后的)，圆圈的为传统星座图点，打叉的为本方法星座图点，可以看得出来，其完全重合。

图2为不同角度上，16APSK的相位图，可以看出只有在目标角度60度才有明显的相位交点，其他角度相位产生畸变并且不断随信息流变化。

图3为选取几个角度，16APSK未经信道的星座图。图3(a)和图3(b)是非期望方向的星座图，可以看出星座点发生了畸变，且会随着信息流不断发生变化。图3(c)是期望方向的星座图，没有产生畸变。

图4为四个不同方向的误码率曲线，可以看到在期望角度60^o上随着误码率升高而降低，而非期望方向随着误码率升高无改变。

综上所述，本发明提出了一个新的基于波束成形的实现动态方向调制方法。通过算法对天线进行一次综合求出一组天线权值，在不同的符号周期内天线权值不需要重新计算，只需要将天线权值数据随机变化顺序，然后选取其中一组天线权值进行综合，这样实现了低复杂度的动态方向调制。使用方向调制的方法进行阵元权值的更新来实现代替基带调制。本发明提出的算法可以在降低复杂度的情况下实现动态方向调制的安全性。

Claims (1)

1.一种基于波束成形的动态方向调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立波束成形的天线远场模型如下公式1：

其中，θ是信号入射角，法线设定为90^o，N为阵列天线数，A_n为第n个星座点幅值，D_m为发送的第m个符号的调制数据，G_n为第n个星座点的复增益；

S2、将调制星座图分为幅度AMP和相位PHASE两部分，即单个星座点值为AMP(x)e^{jPHASE (x)}，其中x为第x个星座点，AMP为针对最外围幅度进行归一化后的幅度；

S3、利用阵列天线数N，设定目标星座图，最外围星图点幅度N1，其中0<N1≤N，设定各个星座点在天线远场辐射目标值为N1*AMP(x)e^jPHASE(x)；

S4、合成期望目标星座点，具体方法为：

S41、建立利用相控阵天线权值合成星座点的模型如下公式2所示：

其中，

中的φ_ix为通过遗传算法或者粒子群算法进行求全局求解后获得的数值，使其和等于期望星座点N1*AMP(x)e^jPHASE(x)；

S42、利用非数值算法综合星座图，设定目标函数为第x个星座点AMP(x)e^jPHASE(x)，通过多次迭代进行求解最优值的x组N个

S5、假设已知安全接收方向θ_S，通过传统波束成形算法获得N个天线阵元的权值

S6、在动态方向调制系统中：将N个天线阵元的权值

进行顺序随机打乱，形成一定数量的N个天线阵元的权值组，再分别与阵因子

相乘，得到不同的优化的最终天线阵元权值；

S7、将基带调制信号进行分类，按照不同的符号对应不同的天线阵元组进行映射，其中不同的符号周期，采用不同的天线阵元顺序；在进行信号发射中，通过不同符号的映射每发射一个符号映射一次相应的优化的最终天线阵元权值，形成在期望方向上动态方向调制。

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