CN107332800A - 一种基于随机子载波选择的方向调制精准无线传输方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于随机子载波选择OFDM的方向调制精准无线传输方案，运用OFDM技术，基站端随机选择不同频率增量对应的子载波，将期望信号上变频后经天线阵列发射。接收机端对接收到的信号下变频后进行采样得到接收信号序列，并进行离散傅里叶变换，通过能量检测，从而恢复信息。借助相位对齐/波束成形和人工噪声处理技术，通过相位对齐技术(Phase alignment，PAL)，对期望信号的初始相位进行设计，使得仅期望接收机能获得有用信息；同时设计正交人工噪声，污染窃听机对有用信息的窃取。本发明与传统方向调制相比，打破仅能发射角度依赖性波束的局限，能实现距离‑方位角依赖性波束的安全精准无线传输，保证有用信息到达期望接收机的安全性能。

Description

一种基于随机子载波选择的方向调制精准无线传输方案

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于随机子载波选择OFDM的方向调制精准无线传输方案。

背景技术

近年来，无线通信物理层安全问题引起了学术界和工业界的广泛关注，方向调制作为一种有效的物理层传输技术，与传统波束成形相比，其基本思想是通过波束成形和人工噪声等处理手段，在期望方向，接收到的信号的星座图与基带信号保持一致，而在其他窃听方向接收的有用信号被噪声严重污染以致误码性能恶化。

总的来说，目前无线通信方向调制技术的实现方法主要有两种：第一种是采用射频端元器件组合来实现，比如通过改变反射器的有效长度和散射特性获得方向调制信号的幅度和相位，然而该方案受限于有限RF前端，系统实现的灵活性有限，且设计复杂度高、成本高昂；另一种侧重于基带信号的算法设计来实现，该方案优势在基带实现DM技术，有效降低设计复杂度，优势更加明显。许多已有的方向调制系统主要是利用相控阵来实现，通过设计波束成形向量，将信号的波束对准期望方向，由于考虑到安全性能，目前大多数的关于DM技术的研究均是假设期望接收机与窃听接收机位于不同的方向角，分别从两种场景设计DM系统：(1)理想情况下：方向角信息完美已知；(2)非理想情况下：方向角信息非完美。然而，在实际通信系统中，窃听接收机很有可能不发射信号，这意味着很难获得窃听接收机位置信息。此外，在实际场景中，窃听接收机极大可能与期望接收机方向角相同，此时原有的基于相控阵设计的DM系统便不再能够保障期望用户的安全传输。鉴于上面的局限性，我们提出一种基于随机子载波选择OFDM的方向调制精准无线传输方案，在方向调制技术的基础上，采用随机子载波选择OFDM技术(即在发射天线阵列各阵元上随机增加频率增量，使得载波频率在一定范围内随机变化)，利用相位对齐/波束成形和人工噪声处理手段，设计精准无线传输方案。与传统方向调制相比，该方案打破了仅能发射角度维依赖性波束的局限，能实现距离-方位角二维依赖性波束的安全精准无线传输，保证有用信息到达期望接收机的安全性能。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于随机子载波选择OFDM的方向调制精准无线传输方案，通过运用OFDM技术，发射机端随机选择子载波将期望信号上变频后经天线阵列发射。接收机端对接收到的信号下变频后进行采样，对得到的接收信号序列进行离散傅里叶变换，从而恢复信息。借助相位对齐/波束成形和人工噪声处理手段：通过相位对齐技术(Phase-alignment，PAL)，对期望信号的初始相位进行设计，使其带有期望接收机的方向角和距离信息，仅期望接收机能安全获得有用信息；同时设计正交人工噪声，使窃听机各频点有用信号的相位随机信息恢复难度加大的同时，受到人工噪声的极大污染，有效遏制窃听机对有用信息的窃取。本发明与传统方向调制相比，打破仅能发射角度依赖性波束的局限，能实现距离-方位角依赖性波束的安全精准无线传输，保障无线传输的安全精准性。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括：在方向调制的原理基础上，运用随机子载波选择的OFDM技术，期望信号经过天线阵列发射，接收端对信号进行采样，并进行离散傅里叶变换，借助相位对齐和人工噪声手段，前者保证期望位置接收机对有用信息的接收，后者则对潜在的窃听机进行极大的噪声污染，恶化窃听机的窃听性能，实现距离-方位角依赖性波束的安全精准无线传输的目的。

进一步地，具体过程包括：S1.利用天线阵列，运用OFDM技术，通过随机选择子载波的方式对期望信号进行上变频处理后发射出去，之后期望接收机对接收的信号下变频采样，得到离散信号序列并进行离散傅里叶变换，通过能量检测法检测出信号的子载波频点分布；S2.借助相位对齐/波束成形和人工噪声处理手段：通过相位对齐，发射机端设计的初始相位带有期望接收机的距离和方位角信息，使得期望接收机的导向向量与初始相位对齐匹配，期望接收机接收到的各子载波信息同相叠加，能量增大而恢复出有用信息；与此同时，人工噪声根据期望接收机导向向量零空间进行设计，对窃听机进一步实现人工噪声污染。

进一步地，所述的发射-接收过程采用基于方向调制的随机子载波选择OFDM技术，子载波的选择具有极大的随机性，避免窃听机掌握其变化的规律。

进一步地，所述的相位对齐技术和人工噪声处理手段，对期望位置的接收机，接收每个天线到达信号的相位匹配，能量增大而能恢复出有用信息；对于窃听机，在信号相位不匹配的前提下，加上设计人工噪声正交投影矩阵，利用正交人工噪声进一步污染窃听机性能。

与现有技术相比，通过本发明提出的方法，运用OFDM技术，在所有可供选择的子载波中随机选择与天线数量相同的子载波，避免窃听机找寻其变化的规律，保证系统的安全性；采用相位对齐的技术，初始相位的设计包含期望位置的距离和角度信息，仅期望接收机的接收信号相位匹配，而窃听机接收到的信号相位扭曲；引入正交人工噪声的方法，在扭曲窃听机信号相位的同时，加大人工噪声对窃听机的污染影响，实现信息的安全精准的传输。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为一种基于随机子载波选择OFDM的方向调制精准无线传输方案系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

假设基站采用N_T个阵元的均匀线性阵列天线，期望接收机与窃听机的接收天线数均为1，同时假设该OFDM系统中有N个子载波，子载波集合表示为：

S_sub＝{f_m|f_m＝f_c+mΔf},(m＝0,1,...,N-1) (1)

其中f_c为参考频率，Δf为子载波带宽，并满足NΔf＜＜f_c。在本系统中，总带宽B＝NΔf，因此所有子载波的索引集合定义为：

S_N＝{0,1,...,N-1} (2)

从S_N中随机选择N_T个子载波并定义为

其中所选择的子载波索引函数η(·)∈S_N且满足

T_s为符号发射的周期时间，ΔT为采样时间间隔，并有如下定义：

T_s＝NΔT＝N/B，ΔT＝1/B (5)

S1.利用天线阵列，运用OFDM技术，通过随机选择子载波的方式对期望信号进行上变频处理后发射出去，之后期望接收机对接收的信号下变频采样，得到离散信号序列并进行离散傅里叶变换，通过能量检测法检测出信号的子载波频点分布；

发射天线阵列的第n个阵元所发射的射频信号表示如下：

其中f_n为第n个阵元随机选择的子载波频率，x_k为发送的第k个复信号并满足φ_n为设计的第n个阵元的初始相位，时间因子t∈((k-1)T_s,kT_s)。在远场场景下，该天线阵列发射信号到达任意位置(θ,R)(其中θ为方向角，R为距离)处的信号可表示为

其中Rⁿ＝R-(n-1)dcosθ，c为光速，d＝c/(2f_c)为发射天线阵元之间的距离，Δf_η(n)为第n个阵元的随机子载波频率增量。因此在以上定义的基础上，接收机端接收到的信号则可表示为：

其中n_k′(t)为接收噪声。在接收端，将接收到的射频信号进行下变频，得到模拟基带信号：

对接收到的模拟复信号进行采样，采样带宽为BHz，采样信号序列如下所示：

r_k[N]＝[r_k[0],r_k[1],...,r_k[m],...,r_k[N-1]] (10)

其中r_k[m]＝r_k(t)|_t＝mΔT为第m个采样点值，

其中Δf_η(n)＝η(n)Δf。有限长序列r_k[N]有N个样值，将数字频率(0≤ω≤2π)均分N个点，因此采样信号的N点离散傅里叶变换(DFT)为：

上式中0≤q≤N-1。通过交换两个叠加号可得

考虑到0≤|(η(n)-q)|≤N，有

根据上式的特点，结合式(13)，从N_T个子载波传输到达接收机的接收基带信号为：

从上式中可以看出，接收的基带信号可以通过向量的形式表示。根据式(15)，对于向量h^H(θ,R)可以定义为

其中函数同时v_k即为所要设计的初相向量，其包含期望接收机的方向角和距离信息，x(q)为信号量，即：

x(q)＝{x_kNδ(η(1)-q),x_kNδ(η(2)-q),…,x_kNδ(η(N_T)-q)} (18)

根据上面的分析，利用随机子载波选择的OFDM技术，结合方向调制的相关原理，我们建立了安全精准无线通信的基本模型，并进一步验证了该系统的实现可行性，对于模型中所提出的相位对齐向量v_k的设计将在接下来的步骤中具体介绍。

S2.借助相位对齐/波束成形和人工噪声处理手段：通过相位对齐，发射机端设计的初始相位带有期望接收机的距离和方位角信息，使得期望接收机的导向向量与初始相位对齐匹配，期望接收机接收到的各子载波信息同相叠加，能量增大而恢复出有用信息；与此同时，人工噪声根据期望接收机导向向量零空间进行设计，对窃听机进一步实现人工噪声污染；

基于上面的分析与推导，第n个发射天线阵元发射的基带信号设计为：

式中P_S为总的发射功率，β₁和β₂分别为有用信号与人工噪声的功率分配因子，v_k(n)和分别为相位对齐/波束成形向量v_k与人工噪声向量的第n个元素量，其中对于人工噪声的设计，为正交投影矩阵且为随机向量，e_η(n)为N×1的向量，其中仅一个元素为1，即该序号对应的子载波被选中，其他均为0，即其他子载波未被选中。因此发射端N_T个天线的发射信号可表示为：

式中为随机子载波选择矩阵，可定义为：

考虑无线通信的信道为LoS信道，因此接收端接收到的信号向量表示为：

基于块符号子载波选择的场景中，通过类似于认知无线电中能量检测算法，能够检测出随机选择的N_T的序号子载波集合，因此所有N个子载波信号的叠加和为：

鉴于上面对于信号在基带上的分析与研究，为了保证有用信号到达期望位置接收机的性能，同时利用人工噪声对窃听区域的接收机造成极大的污染，对于相位对齐/波束成形向量v_k和人工噪声投影矩阵T的设计存在很多准则，比如零空间投影、泄露等等。这里以其中一种方法作为例子。

假设期望接收机的方向角和距离信息均是理想的，我们拟采用一种简单的波束成形的形式：

对期望接收机而言，由于相位对齐从而提供了最大化相干结合，对于投影矩阵的设计：

将人工噪声投影到期望接收机导向向量的零空间。因此，期望接收机与窃听区域接收机所接收到的信号可分别表示为：

和

根据以上两种位置接收机所接收到的信号形式，对于期望接收机而言，人工噪声的影响几乎为零，通过接收的信号可正常恢复出有用信息；而对于窃听区域的接收机而言，由于导向向量与投影矩阵非正交，从而受到人工噪声的极大影响，同时有用信号的相位无法实现对齐，从而为扰乱和恶化窃听接收机的接收性能提供了双重污染，有利于有用信号的安全传输。

Claims (5)

1.一种基于随机子载波选择OFDM的方向调制精准无线传输方案，其特征在于：在方向调制的基础上，运用OFDM技术，基站端随机选择不同频率增量对应的子载波将期望信号上变频后经天线阵列发射。接收机端对接收到的信号下变频后进行采样处理，并将得到的接收信号序列进行离散傅里叶变换，利用能量检测法能到所选择的频点并从中恢复出有用信息。借助相位对齐/波束成形和人工噪声处理手段，通过PAL技术，对发射的期望信号的初始相位进行设计，带有期望接收机的方向角和距离信息，从而仅期望接收机能获得有用信息，与此同时设计正交人工噪声，对非期望区域的窃听机进行噪声污染，恶化窃听性能。具体过程包括：

S1.利用天线阵列，运用OFDM技术，通过随机选择子载波的方式对期望信号进行上变频处理后发射出去，之后期望接收机对接收的信号下变频采样，得到离散信号序列并进行离散傅里叶变换，通过能量检测法检测出信号的子载波频点分布；

S2.借助相位对齐/波束成形和人工噪声处理手段：通过相位对齐，发射机端设计的初始相位带有期望接收机的距离和方位角信息，使得期望接收机的导向向量与初始相位对齐匹配，期望接收机接收到的各子载波信息同相叠加，能量增大而恢复出有用信息；与此同时，人工噪声根据期望接收机导向向量零空间进行设计，对窃听机进一步实现人工噪声污染。

2.根据权利要求1所述的一种基于随机子载波选择OFDM的方向调制精准无线传输方案，其特征在于：在方向调制基础上，利用OFDM技术，发射机端随机选择不同频率增量对应的子载波的方式对信号进行处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于随机子载波选择OFDM的方向调制精准无线传输方案，其特征在于：借助相位对齐和人工噪声手段，前者保证期望位置接收机对有用信息的接收，后者则对潜在的窃听机进行噪声污染，恶化窃听机的窃听性能。

4.根据权利要求1所述的一种基于随机子载波选择OFDM的方向调制精准无线传输方案，其特征在于：相较于传统方向调制合成方法，打破了仅发射角度依赖性波束的局限，实现安全精准的无线传输。

5.根据权利要求1所述的一种基于随机子载波选择OFDM的方向调制精准无线传输方案，其特征在于：所提出的算法能应用于未来无线通信、移动通信、无人机组网通信等。