CN108039901B - 一种联合空间和方向维度的安全调制方法 - Google Patents

一种联合空间和方向维度的安全调制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108039901B
CN108039901B CN201711334740.9A CN201711334740A CN108039901B CN 108039901 B CN108039901 B CN 108039901B CN 201711334740 A CN201711334740 A CN 201711334740A CN 108039901 B CN108039901 B CN 108039901B
Authority
CN
China
Prior art keywords
receiving end
antenna
receiving
modulation
eavesdropper
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201711334740.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108039901A (zh
Inventor
肖燕平
肖悦
王金福
张红燕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN201711334740.9A priority Critical patent/CN108039901B/zh
Publication of CN108039901A publication Critical patent/CN108039901A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108039901B publication Critical patent/CN108039901B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems
    • H04B7/0456—Selection of precoding matrices or codebooks, e.g. using matrices antenna weighting
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/08—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/02—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by diversity reception
    • H04L1/06—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by diversity reception using space diversity
    • H04L1/0612—Space-time modulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Radio Transmission System (AREA)

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是一种联合空间和方向维度的安全调制方法。本发明将改进的接收端空间调制技术与方向调制技术结合，使得天线的索引传递一部分信息比特，并且使得这部分比特无法被窃听者获得，使得不管窃听者与合法接收者位置是否一样，窃听者的误码率都将显著高于合法用户。因此本发明较原有的方向调制技术，可以有效得提升系统的安全性。

Description

一种联合空间和方向维度的安全调制方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体的说是一种联合空间和方向维度的安全调制方法。本发明涉及接收端空间调制(Receive Spatial Modulation,RSM)技术，随机频率分集阵列(Random Frequency Diverse Array,RFDA)技术和方向调制(DirectionalModulation，DM)技术。
背景技术
方向调制技术是一种新兴的物理层安全技术，引起了学术界和工业界的广泛关注。作为一项发送端技术，它可以使得发射机在期望的方向发射正确的信号，而非期望方向的发射信号会产生畸变。因此，当窃听者不在期望方向时，即使收到的信号功率高，也无法对信息进行恢复。方向调制这种发射信号与方向有关的特点增强了物理层的安全性。
然而之前关于方向调制的研究大都建立在相控天线阵列基础上，在这些研究中，通常会默认窃听者与合法接收者方向角不一样。但在实际的应用场景中，窃听者同样有可能位于期望方向，使得信息的传输不再安全。一种将随机频率分集阵列和方向调制结合的技术(Directional Modulation with Random Frequency Diverse Array,DM-RFDA)很好得解决了这个问题，使得即使窃听者与合法接收者在同一方向，只要位置不同一样可以实现安全传输。
然而，它也存在一些缺陷，DM-RFDA默认窃听者与合法用户信道不一样(也即位置不一样)，但是在实际的场景中，窃听者有可能可以获知合法用户的位置，从而可以使得接收端尽可能靠近合法用户接收端，那么窃听者将可以接收到正确的信号。
发明内容
本发明的目的，就是提供一种联合空间和方向维度的安全调制方法，通过在DM-RFDA中引入接收端空间调制技术，使得天线的索引传递一部分信息比特。传统接收端空间调制技术不能直接应用于DM-RFDA系统中，因此本发明提出了一种改进的空间调制算法。该算法使得天线索引传输的信息比特无法被窃听者获得，使得不管窃听者与合法用户位置是否一样，窃听者的误码率都将显著高于合法接收者。
基于接收端空间调制及随机频率分集的方向调制信号合成的具体过程包括：
S1、发射机对合法用户的每个接收端进行角度和距离测量。
S2、发射机每个阵元的载波频率在一定带宽内进行随机映射，则发射机阵列的导向向量表示为
Figure BDA0001507137070000021
其中，θ是接收端的方向角，r是接收端与天线阵的距离，fn,n＝0,1,...,Na-1是第n根天线的载波频率，Na是发射机天线数，φn(θ,r,fn),n＝0,1,...,Na-1为第n根天线阵元的相位偏移。
S3、合法用户的第i个接收端的位置为
Figure BDA0001507137070000022
其中Nb为合法用户接收端的数量，每个接收端只有一根天线，且每个接收端可以协作通信。则第i个接收端信道为合法用户的信道可表示为
Figure BDA0001507137070000024
S4、将RSM运用到方向调制中，则一部分信息比特由接收端天线索引传递，一部分信息比特由幅度相位调制(amplitude-phase modulation APM)传递。当希望合法用户的第i个接收端天线被激活时，RSM符号可表示为
Figure BDA0001507137070000025
其中bm是星座点符号，ei表示单位矩阵
Figure BDA0001507137070000026
的第i列。
S5、设计预编码矩阵为
W＝HH
该预编码矩阵可利用射频端元器件的组合来实现，也可通过基带信号处理来实现，则天线发送信号可表示为
Figure BDA0001507137070000027
本发明的有益效果为，本发明提供一种联合空间和方向维度的安全调制方法。本发明通过在方向调制的基础上引入改进的空间调制技术，使得天线的索引传递一部分信息比特，窃听者很难知道被激活天线与信息比特的对应关系，并且无法获得随机频率分集阵列中载频天线的映射关系(也即无法获得信道信息)，因此使得这部分天线索引比特无法被窃听者获得。因此当窃听者与合法用户位置不一样时，将只能收到畸变信号。当窃听者与合法用户位置一样时，也无法获得全部信息比特。也即窃听者的误码率都将显著高于合法接收者。
附图说明
图1是本发明提出的一种联合空间和方向维度的安全调制方法的算法流程图；
图2是本发明提出的一种联合空间和方向维度的安全调制方法的系统模型图；
图3是当窃听者已知用户位置时，设置不同信噪比SNR的情况下，传统基于随机频率分集阵列和方向调制(DM-RFDA)、联合空间和方向维度的安全调制方法(SDM-RFDA)的误码率(bit error rate,BER)变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体设施方式对本发明进行详细的描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
本例中，采用QPSK调制，发射机天线数Na＝32，合法用户接收端数量Nb＝2，两个接收端位置分别是
Figure BDA0001507137070000031
Figure BDA0001507137070000032
S1、发射机对合法用户的每个接收端进行角度和距离测量。
S2、发射机每个阵元的载波频率在一定带宽内进行随机映射，则发射机阵列的导向向量表示为
Figure BDA0001507137070000033
其中，θ是接收端的方向角，r是接收端与天线阵的距离，fn,n＝0,1,...,Na-1是第n根天线的载波频率，Na是发射机天线数，φn(θ,r,fn),n＝0,1,...,Na-1为第n根天线阵元的相位偏移。
S3、合法用户的第i个接收端的位置为
Figure BDA0001507137070000041
其中Nb为合法用户接收端的数量，每个接收端只有一根天线，且每个接收端可以协作通信。则第i个接收端信道为
Figure BDA0001507137070000042
合法用户的信道可表示为
Figure BDA0001507137070000043
S4、将RSM运用到方向调制中，则一部分信息比特由接收端天线索引传递，一部分信息比特由幅度相位调制(amplitude-phase modulation APM)传递。当希望合法用户的第i个接收端天线被激活时，RSM符号可表示为
Figure BDA0001507137070000044
其中bm是星座点符号，ei表示单位矩阵
Figure BDA0001507137070000045
的第i列。
S5、设计预编码矩阵为
W＝HH
该预编码矩阵可利用射频端元器件的组合来实现，也可通过基带信号处理来实现，则天线发送信号可表示为
Figure BDA0001507137070000046
图3反映了窃听者已知合法用户所有接收端位置时，提出的SDM-RFDA与传统的DM-RFDA的误码率对比。可以看到由于窃听者与合法用户位置一样，在DM-RFDA中，两者的误码率也一样，而在SDM-RFDA中，窃听者的误码率远高于合法用户。也即从图3中可以看出，本发明由于在方向调制中引入改进的接收端空间调制，可以显著提升窃听者的误码率，也即提高了系统的安全性。

Claims (1)

1.一种联合空间和方向维度的安全调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、发射机对合法用户的每个接收端进行角度和距离测量，获得每个接收端的方向角和接收端与天线阵的距离；
S2、发射机每个阵元的载波频率在一定带宽内进行随机映射，则发射机阵列的导向向量表示为：
Figure FDA0002568311760000011
其中，θ是接收端的方向角，r是接收端与天线阵的距离，fn是第n根天线的载波频率，n＝0,1,...,Na-1，Na是发射机天线数，φn(θ,r,fn)为第n根天线阵元的相位偏移；
S3、合法用户的第i个接收端的位置为
Figure FDA0002568311760000012
i＝1,2,...,Nb，其中Nb为合法用户接收端的数量，设定每个接收端只有一根天线，且每个接收端协作通信，则第i个接收端信道为
Figure FDA0002568311760000013
合法用户的信道表示为：
Figure FDA0002568311760000014
S4、将接收端空间调制运用到方向调制中，一部分信息比特由接收端天线索引传递，一部分信息比特由幅度相位调制传递，当希望合法用户的第i个接收端天线被激活时，接收端空间调制符号表示为：
Figure FDA0002568311760000015
其中bm是星座点符号，ei表示单位矩阵
Figure FDA0002568311760000016
的第i列；
S5、设计预编码矩阵为：
W＝HH
根据预编码矩阵，则天线发送信号表示为
Figure FDA0002568311760000017
CN201711334740.9A 2017-12-14 2017-12-14 一种联合空间和方向维度的安全调制方法 Active CN108039901B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711334740.9A CN108039901B (zh) 2017-12-14 2017-12-14 一种联合空间和方向维度的安全调制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711334740.9A CN108039901B (zh) 2017-12-14 2017-12-14 一种联合空间和方向维度的安全调制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108039901A CN108039901A (zh) 2018-05-15
CN108039901B true CN108039901B (zh) 2020-11-13

Family

ID=62102504

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711334740.9A Active CN108039901B (zh) 2017-12-14 2017-12-14 一种联合空间和方向维度的安全调制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108039901B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110365374B (zh) * 2019-06-26 2021-05-14 西北大学 基于多相控阵方向调制的安全精准无线传输方法
US11101559B2 (en) * 2019-07-15 2021-08-24 Wafer Llc System and method for receive diversity combining
CN114422074B (zh) * 2022-01-21 2024-04-12 哈尔滨工业大学 一种频率相位协同的二维空间定点物理层安全传输方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104579440A (zh) * 2014-11-24 2015-04-29 南京邮电大学 一种基于反向天线阵的方向调制信号的设计方法
CN105049399A (zh) * 2015-05-20 2015-11-11 南京邮电大学 基于空间傅里叶变换的方向调制信号设计方法
US20160134024A1 (en) * 2014-11-11 2016-05-12 Electronics And Telecommunications Research Institute Method and apparatus for transmitting data, and method and apparatus for receiving data
CN106998224A (zh) * 2016-12-05 2017-08-01 南京理工大学 一种基于随机频率分集阵列和方向调制的无线安全传输技术
CN107231179A (zh) * 2017-06-02 2017-10-03 南京邮电大学 一种无线通信方向调制目标函数

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160134024A1 (en) * 2014-11-11 2016-05-12 Electronics And Telecommunications Research Institute Method and apparatus for transmitting data, and method and apparatus for receiving data
CN104579440A (zh) * 2014-11-24 2015-04-29 南京邮电大学 一种基于反向天线阵的方向调制信号的设计方法
CN105049399A (zh) * 2015-05-20 2015-11-11 南京邮电大学 基于空间傅里叶变换的方向调制信号设计方法
CN106998224A (zh) * 2016-12-05 2017-08-01 南京理工大学 一种基于随机频率分集阵列和方向调制的无线安全传输技术
CN107231179A (zh) * 2017-06-02 2017-10-03 南京邮电大学 一种无线通信方向调制目标函数

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Artificial-Noise-Aided Secure Transmission With Directional Modulation Based on Random Frequency Diverse Arrays;JINSONG HU et al;《IEEE Access》;20170116;第5卷;第1658-1667页 *
Orthogonal Vector Approach for Synthesis of Multi-Beam Directional Modulation Transmitters;Yuan Ding and Vincent Fusco;《IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters》;20151231;第14卷;第1330-1333页 *
Sparse antenna array design for directional modulation;Bo Zhang et al;《2016 IEEE Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop》;20160919;全文 *
The Random Frequency Diverse Array A New Antenna Structure for Uncoupled Direction-Range Indication in Active Sensing;Yimin Liu et al;《IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing》;20170331;第11卷(第2期);第295-308页 *
基于凸优化的稀疏阵列方向调制信号综合算法研究;施孝盼，洪涛;《电子与信息学报》;20171130;第39卷(第11期);第2563-2570页 *
基于方向调制的物理层安全无线传输原理、关键技术与未来应用;束锋 等;《中国科学:信息科学》;20170930;第47卷(第9期);第1209-1225页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108039901A (zh) 2018-05-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5133346B2 (ja) 無線ｍｉｍｏ通信システムにおける暗黙のビームフォーミングのキャリブレーション補正法
US9985986B2 (en) Unconditional secure communication method based on beam-forming and security code
EP2661033B1 (en) Beam-change indication for channel estimation improvement in wireless networks
US7787554B1 (en) Beamforming to a subset of receive antennas in a wireless MIMO communication system
CN101663838B (zh) 无线mimo通信系统中使用的利用空间扩展矩阵的天线选择和训练
CN101378299B (zh) 一种基于空频编码的发射分集方法
CN108039901B (zh) 一种联合空间和方向维度的安全调制方法
CN111614387B (zh) 一种大规模天线系统中的安全传输方法
CN109714087B (zh) 基于最大化窃听方误码率的人工噪声生成方法
KR20040091337A (ko) 다입다출력 직교주파수분할다중화 이동통신 시스템에서의신호 시퀀스 추정 방법 및 장치
CN108540185B (zh) 一种结合空时分组码的差分空间调制方法
CN110311717B (zh) 基于方向调制的稳健的混合波束成形设计方法
CN108599825A (zh) 一种基于mimo-ofdm毫米波结构的混合编码方法
KR20080007072A (ko) 시간, 또는 시간 및 주파수 다이버시티를 가지는 데이터의송신 방법, 장치, 및 이에 이용되는 패턴 생성 방법
CN107425894B (zh) 基于信道范数的广义空间调制系统收发端天线选择方法
TW200525928A (en) Mimo transmitter and receiver for low-scattering environments
CN111224702B (zh) 基于拉格朗日乘子的最小正则化发射功率波束成形方法
JP2008109466A (ja) 秘密鍵共有方法および装置
CN110365374B (zh) 基于多相控阵方向调制的安全精准无线传输方法
CN113466796B (zh) 一种基于相干相位调制广播模式的雷达通信一体化方法
CN103002440B (zh) 使用发射天线阵列随机组合旋转的无线通信安全传输方法
US11095391B2 (en) Secure WiFi communication
CN109120570B (zh) 一种天线子集方向调制方法
CN108924078B (zh) 一种基于优选的天线子集方向调制方法
CN108512584B (zh) 一种方向调制中的联合接收方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant