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一种基于波束成形的动态方向调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于通信技术中的阵列信号处理领域，具体涉及一种基于波束成形的动态方向调制方法。本发明的方法是通过求解的权值顺序改变产生不同的天线辐射来进行动态方向调制，并通过一个合适的参数来衡量不同组权值的好坏，再进行筛选以提高动态方向调制的性能。本发明使用自更新方向调制，只用算法计算一次天线权值，降低了算法复杂度，同时在工程应用上，很大程度上降低了存储空间；同时定义了一个合适的度量参数对自更新的所有权值进行了衡量，通过对优质解的筛选能提高动态方向调制的性能。

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，具体涉及一种基于波束成形的动态方向调制方法。
背景技术
在过去十几年，通信及信息技术的飞速发展，使信息化成为现代社会的主要时代特征。各种通信技术层出不穷，使得无线通信领域无声地融入生活的各方面。由于无线电传输信息的广播特性，当利用无线通信带来不受地域约束的便利的同时，通信信息也容易被第三方接收。通信安全技术发展相对滞后，传统无线安全基本依靠两种方法：一类是直接移植有线通信系统中建立在高层协议上以密码学为基础的方法；另一类是采用序列扩频/跳频、超宽带等低截获率传输技术。这些方法“治标”没有“治本”，没有根本解决信号辐射泄漏带来的问题。只有从无线信道的本质和特点出发，搜索寻找解决无线通信开放性问题的办法才是解决无线安全问题的根本出路。
随着无线通信技术的发展，物理层安全的研究逐渐得到人们的重视。方向调制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。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。动态方向调制具有更高的安全性。
传统的动态方向调制，如正交矢量法，进行动态方向调制时，按符号速率更新目标方向信道矩阵的正交矩阵的零域，这就需要每次都用算法求解一次天线权值，复杂度很大。而本文采用权值自更新的方法。权值自更新法就是只通过算法求解一次天线权值，然后将这些权值不断变换顺序，再与天线排列有关的权值相结合产生多组权值用于动态方向调制。并且为了解决变换权值导致产生的较差的方向调制性能，对所有权值综合出的权值用一个特定的参数进行衡量，筛选出性能好的集中进行动态方向调制，是一种低复杂度、高性能的动态方向调制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于波束成形的动态方向调制。本发明考虑的是通过设计低复杂度的方法来适用于工程设计，同时在实现动态方向调制的基础上要提高动态方向调制的性能。
本发明的核心思想是通过求解的权值顺序改变产生不同的天线辐射来进行动态方向调制，并通过一个合适的参数来衡量不同组权值的好坏，再进行筛选以提高动态方向调制的性能。
为了方便理解，首先介绍本发明使用的模型：
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APn(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°，相位中心点设定为阵列中心。
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、建立天线远场模型如下：
其中，θ是信号入射角，法线设定为90°，N为阵列天线数，An是天线单元辐射，Dm为输入信号，是第n个波束的复增益；
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，Gmn随着Dm的变化进行不停的更新，同时我们将当成一个新的复数增益Gmn'来控制波束成形网络同时代替基带Dm进行调制，我们也可以将其看成一种新的天线权值。
S2、将调制星座图分为两部分，一部分是幅度调制，一部分是相位调制。幅度根据要采用的星座图，再加上非数值算法确定；而在相位调制中，相位分为两部分：一部分是由算法求解获得的相位，一部分是波束成形引入的和阵列排布有关的相位；
S3、合成期望目标星座点，具体方法为：
S31、建立利用相控阵天线权值合成星座点的模型如下
其中，AMP(x)是幅度值，PHASE(x)是相位值，中的φi为通过遗传算法或者粒子群算法等进行求全局求解后获得的数值，使其和等于期望星座点AMP(x)ejPHASE(x)；
S32、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)ejPHASE(x)，通过多次迭代进行求解最优值的x组N个
S4、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
S5、将步骤S3和步骤S4结合获得优化天线阵元权值作为新的发射天线阵元权值；
S6、按符号速率改变Wix，在已求得的天线权重的前提下，不断变换φix对应的天线位置，再与相加合成最后的天线权值以实现动态方向调制；
S7、对于天线数N，根据步骤S6的变换顺序得到的总的天线权值组有通过以下步骤进行优选：
S71、定义一个衡量参数：
其中，M为星座点阶数，θdesired为期望方向角度，θc为偏离期望方向角度，Ek(θ)为远场合成的电场辐射，Fk为标准星座点；
S72、将天线权值组代入Ek(θ)中，再代入衡量参数中，求得每组天线的衡量参数值，将衡量参数值从大到小进行排序，选取其中前10％组作为动态方向调制的基本权值组，其余组舍弃掉；
S8、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，不同的符号周期采用步骤S72中选取留下的不同的权值组，从而形成在期望方向上的动态方向调制。
本发明的有益效果是：
本发明使用自更新方向调制，只用算法计算一次天线权值，降低了算法复杂度，同时在工程应用上，很大程度上降低了存储空间；同时定义了一个合适的度量参数对自更新的所有权值进行了衡量，通过对优质解的筛选能提高动态方向调制的性能。
附图说明
图1为矢量误差积分图，是四天线16APSK在目标方向正负10°间畸变的星座图与目标方向的星座图的矢量误差积分图；
图2为通过图1四天线16APSK求得的矢量积分排序后，最大矢量误差积分前10％(3个)与最小矢量误差积分后三个在不同角度上误码率的比较；
图3为通过图1四天线16APSK求得的矢量积分排序后，最大矢量误差积分前10％(3个)与最小矢量误差积分后三个在不同角度上EVM的比较。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，详细描述本发明的技术方案。
实施例
以四天线16APSK调制为例，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N1＝4，N2＝8,阵元间距为λ/2。
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，内外圈相位分别为π/8初始相位，以π/4为相位间隔，8个相位，内外圈相位相同。同时按照原定义的AMP(x)ejPHASE(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：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：
S31：建立利用相控阵天线权值合成星座点的模型如下：
16APSK：
其中，中的φi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.
S32：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)ejPHASE(x)，通过多次迭代进行求解最优值。
S4: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
S5：结合S3和S4得到的优化天线阵元权值作为新的发射天线阵元权值。
S6：为了实现动态方向调制，要按符号速率改变Wix，在已求得的天线权重的前提下，不断变换φix对应的天线位置，再与相加合成最后的天线权值以实现动态方向调制。
S7：天线数N1＝4，变换顺序得到的总的天线权值组有组，然后就是进行优选操作，具体步骤如下：
S71：定义一个衡量参数：
其中，M：星座点阶数，θdesired：期望方向角度，θc：偏离期望方向角度，Ek(θ)：远场合成的电场辐射，Fk：标准星座点。
S72：将天线权值组代入Ek(θ)中，再代入衡量参数中，求得每组天线的衡量参数值，选取其中参数值很高的一些组作为动态方向调制的基本权值组，参数值低的舍弃掉。对于4天线阵来说，选取畸变大的3种星座图来作为动态方向调制的基本图形，剩下的21种图形不采用。
S8：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，不同的符号周期采用最终筛选留下的不同的权值组，便形成了在期望方向上的动态方向调制。
下面将对本发明方法的性能进行分析，以进一步验证本发明的性能。
采用了两个方面来度量算法的有效性，一个是使用误码率曲线波束图说明本方法实现的方向调制的安全性是有效的，在期望方向的误码率低，而非期望方向随着误码率高，并且用于动态方向调制的星座图的平均误码率波束比舍弃的平均误码率波束在10e-2级别多收敛2-4°。一个是使用误差向量幅度(Error Vector Magnitude，简称EVM)来衡量方向调制的安全性，在期望方向EVM较低，在非期望方向EVM高，用于动态方向调制的星座图的平均EVM比传统EVM在距离目标方向10°处提高了近10％。
图1为衡量参数矢量误差积分图——四天线16APSK在目标方向正负10°间畸变的星座图与目标方向的星座图的矢量误差积分图。四天线16APSK总共有种星座图的矢量误差积分数值。可以看出不同的星座图衡量参数参差不齐，有的差异特别大，反映出来是性能差异大，有进行优化的必要。
图2为通过图一四天线16APSK通过变换权值求得的24个星座图求得的矢量积分排序后，最大矢量误差积分前10％(3个)与最小矢量误差积分后三个在不同角度上误码率的比较。圆圈代表最好性能误码率，三角形代表最差性能误码率。误码率10e-2处，最好的性能比最差性能安全性好，多收敛了4°安全角度。
图3为通过图一四天线16APSK求得的矢量积分排序后，最大矢量误差积分前10％(3个)与最小矢量误差积分后三个在不同角度上EVM的比较。在距目标方向5°处，最大矢量误差积分EVM提高了近4.905％，在距目标方向10°处，最大矢量误差积分EVM提高了9.69％。
综上所述，本发明提出的基于优选的动态方向调制的方法，在自更新方向调制的基础上，通过采用一个合适的衡量参数——目标角度周围一定范围内畸变星座图与目标角度星座图矢量误差积分，对权值顺序变化产生的不同星座图的性能进行衡量，将性能好的若干组星座图作为动态方向调制的基本星座图。再从EVM和误码率波束图上分析和对比了要采取的星座图和舍弃的星座图之间的性能。实验结果显示，本发明提出的算法实现了低复杂度的动态方向调制，并且和非优选的自更新方向调制相比，提高了方向调制的安全性。

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、建立天线远场模型如下：
其中，θ是信号入射角，法线设定为90°，N为阵列天线数，An是天线单元辐射，Dm为输入信号，是第n个波束的复增益；
S2、将调制星座图分为幅度调制和相位调制两部分；
S3、合成期望目标星座点，具体方法为：
S31、建立利用相控阵天线权值合成星座点的模型如下
<mrow> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mi>i</mi> <mi>N</mi> </munderover> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <msub> <mi>j&amp;phi;</mi> <mi>I</mi> </msub> </mrow> </msup> <mo>=</mo> <mi>A</mi> <mi>M</mi> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mi>P</mi> <mi>H</mi> <mi>A</mi> <mi>S</mi> <mi>E</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msup> </mrow>
其中，AMP(x)是幅度值，PHASE(x)是相位值，中的φi为通过遗传算法或者粒子群算法等进行求全局求解后获得的数值，使其和等于期望星座点AMP(x)ejPHASE(x)；
S32、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)ejPHASE(x)，通过多次迭代进行求解最优值的x组N个
S4、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
S5、将步骤S3和步骤S4结合获得优化天线阵元权值作为新的发射天线阵元权值；
S6、按符号速率改变Wix，在已求得的天线权重的前提下，不断变换φix对应的天线位置，再与相加合成最后的天线权值以实现动态方向调制；
S7、对于天线数N，根据步骤S6的变换顺序得到的总的天线权值组有通过以下步骤进行优选：
S71、定义一个衡量参数：
<mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi> </munderover> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mrow> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>e</mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>c</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>e</mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>c</mi> </msub> </mrow> </msubsup> <mo>|</mo> <msub> <mi>E</mi> <mi>k</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>|</mo> <mi>d</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow>
其中，M为星座点阶数，θdesired为期望方向角度，θc为偏离期望方向角度，Ek(θ)为远场合成的电场辐射，Fk为标准星座点；
S72、将天线权值组代入Ek(θ)中，再代入衡量参数中，求得每组天线的衡量参数值，将衡量参数值从大到小进行排序，选取其中前10％组作为动态方向调制的基本权值组，其余组舍弃掉；
S8、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，不同的符号周期采用步骤S72中选取留下的不同的权值组，从而形成在期望方向上的动态方向调制。
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