CN108965183A - 基于优化目标函数的无线通信方向调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于优化目标函数的无线通信方向调制方法，包括：根据需要的期望方向建立空间优化模型BERtem并设定空间加权w；根据空间优化模型BERtem和空间加权w设计方向调制信号的目标函数；根据遗传算法的计算步骤，结合目标函数，得到第k个天线阵元对于第i个符号的相移器相移值φk(i)；根据相移值求得第k个阵元的远场分布函数；计算方向调制系统的误码率。本发明从无线通信传输的目标函数着手，通过提高理想目标信号在非期望方向的畸变程度来加强相位约束，从而减小信息波束宽度，解决了信息的旁瓣泄露问题，提高了通信信息的安全性。

Description

基于优化目标函数的无线通信方向调制方法
技术领域
本发明涉及基于优化目标函数的无线通信方向调制方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着多输入多输出天线系统、协作无线通信技术的高速发展，无线通信技术在各行各业所起的作用越来越重要。由于无线通信收发系统具有一定的开放性，使得信息在传输过程中的安全性问题备受关注。其中，物理层安全通信是近年来的研究热点之一。在物理层安全领域，研究者提出了一种方向调制(Directional Modulation,DM)技术，该技术与传统数字基带技术的不同之处在于：在期望方位上接收机可以正常地解调通信信息；而在非期望方向上接收信号的相位会产生畸变，从而影响窃听接收机的解调性能。
相控阵方向调制是指通过相控阵的方式实现方向调制。相控阵技术是指通过改变天线单元上的相移器的相移值来控制天线的辐射方向图。相控阵天线传输系统由三个部分构成，分别为发射天线、相移器以及连接阵元的网络。图2描述的是一个相控阵天线传输模型，相对于一般的天线传输模型，该模型只是多了一个相移控制器，但是它的优点却很多，下面列举其中的两个主要优点：
一是灵活的波束方向控制功能。传统的单个天线一旦参数固定，其辐射方向图也将固定，我们很难根据实际的需要来调整信息的波束参数和增益信息等。但是实际通信时，特别是在对安全性能和方向性能要求极高的领域，这样的天线将不能满足要求。比如雷达系统要求通信的波束具有快速形变的能力，这时采用相控阵的技术就能很好地克服单天线的弊端，满足实际通信要求。此外，相控阵不仅可以控制波束主瓣的宽度和方向，还可以调整旁瓣规模和降低信息泄露等。
二是提高信号的功率利用率，增强信号的抗干扰能力。相控阵技术可以通过将天线阵元的辐射方向指向到某个方向，对其他方向的辐射减弱，从而有效地提高天线阵列的功率利用率，以及非期望方向上信号的干扰。此外相控阵还可以形成多个独立的发射波束，支持多用户环境，大大提高信息的传输速度。
目前有相关研究将遗传算法用于实现相控阵方向调制。遗传算法(GeneticAlgorithm,GA)是一种随机搜索方法，它是从生物适应度存活的演化和适者生存的遗传机制发展而来。遗传算法的步骤如图5所示。遗传算法有三个基本操作：选择、交叉和变异。选择的目的是从当前组中选择一个好的个体，选定的优良个体可以用作亲代的后代。后代的个体可以通过交叉获得，而新产生的个体具有父母的特征。突变操作是在组中随机选择一个人，然后更改所选字符串选定结构中的字符串值。和生物世界一样，遗传算法出现变异的几率非常低。突变的发生为新一代个体的产生提供了机会。
但是，目前基于遗传算法的相控阵方向调制算法中的单目标函数仅考虑在期望方向上合成的QPSK基带调制信号，而没有将非期望方向上星座的相位失真程度考虑进去；对于空间中某些星座点之间的相对相位关系，当失真度不超过判决门限时，窃听接收机可以增强接收信号的信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)来解调通信信息；即这个单目标函数可以有多个全局的最优值，全局最优值可以将QPSK数字基带调制信号合成为所需的方向，但由解决方案收敛引起的其它方向星座失真的全局最优值是不同的，目标函数的解收敛于哪个全局最优值是随机的，因此需要将其他方位也引入。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是目前基于遗传算法的相控阵方向调制算法中的单目标函数仅考虑在期望方向上合成的QPSK基带调制信号，而没有将非期望方向上星座的相位失真程度考虑进去的问题，提供一种通过提高理想目标信号的相位函数在期望方向的畸变程度来加强相位约束，从而减小信息波束宽度、提高通信信息安全性的无线通信方向调制方法。
为解决上述技术问题，本发明提供基于优化目标函数的无线通信方向调制方法，包括:
(1)根据需要的期望方向建立空间优化模型BERtem并设定空间加权w；
(2)根据空间优化模型BERtem和空间加权w设计方向调制信号的目标函数；
(3)根据遗传算法的步骤结合目标函数得到第k个天线阵元对于第i个符号的相移器的相移值φk(i)。
(4)根据相移值求得第k个阵元的远场分布函数；
(5)计算方向调制系统的误码率。
优选地，所述空间优化模型BERtem在期望方向上的值为10-8，其他方向上所有的BERtem是1。
进一步地，所述的目标函数的表达式如下：
其中，BERQPSK表示方向调制的实际误码率分布，BERtem表示空间优化模型，w表示空间加权，θ为空间方位角。优选地，所述空间方位角θ的范围为0～180°。
本发明所达到的有益效果：本发明从无线通信传输的目标函数着手，通过提高理想目标信号在非期望方向的畸变程度来加强相位约束，从而减小信息波束宽度，解决了信息的旁瓣泄露问题，提高了通信信息的安全性。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是相控阵天线传输模型；
图3是相控阵方向调制发射机图；
图4是本发明方法实施例空间优化模型分布图；
图5是本发明方法中遗传算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
以图3所示的相控阵方向调制发射机图为例，
阵元数目为2M+1，阵元间距为λ/2，对应的阵元加权为Am。则远区场接收信号可以表示为：
其中，2M+1表示阵元的个数，λ为波长，i表示第i个接收符号，θ表示接收机相对于发射机所在的位置，dk表示第k个阵元到阵列中心的距离，φk(i)表示在期望方位上传统的数字基带调制信号。
以传统的QPSK调制信号为例，QPSK信号星座点可以表示为通过遗传算法计算相移集φk＝{φ1(i),φ2(i),φ3(i),φ4(i)}，使得所需方向的接收信号在集合F内，而其他方向的接收信号则会有所偏离。
遗传算法的目标函数为：
式中，L表示期望误码率低的方向集合，H表示期望误码率高的集合。
基于式(2)的遗传算法目标函数只考虑了在期望方向上综合出标准的QPSK基带调制信号，但这个单目标函数能够解出来多个全局最优值，全局最优值可以将QPSK数字基带调制信号合成为所需的方向，但由解决方案收敛引起的其它方向星座失真的全局最优值是不同的，目标函数的解收敛于哪个全局最优值是随机的，因此需要将其他方位也引入，表达式如下：
其中，BERQPSK表示方向调制的实际误码率分布，BERtem表示空间优化模型，BERtem设置期望方向上的值为10-8，其他方向上所有的BERtem是1，表达式为：w表示空间加权，空间加权的设计原则就是期望方向的值无限大，为了防止优化的BER波束在空间发生偏移，可以在期望方位两侧设置为加权为锥形分布。如以90°为期望方向，我们可以设置加权如式(4)所示：
其中，根据遗传算法的步骤结合目标函数如式(3)得到第k个天线阵元对于第i个符号的相移器的相移值φk(i)。在式(3)中BERQPSK表示方向调制的实际误码率分布，这个参数是未知的，遗传算法就是通过式(3)目标函数，让BERQPSK无线地接近BERtem从而求到φk(i)。关于遗传算法的流程图见图5，遗传算法结合式(3)的目标函数属于现有技术，在此不再赘述。
然后，根据第k个阵元的相移值φk(i)求得第k个阵元的远场分布Ei(θ)，计算公式如式(1)所示。
在本实施例中设定4个阵元，则第k个阵元的远场分布Ei(θ)的表达式如下：
其中，φk(i)表示在期望方位上传统的数字基带调制信号。
最后，根据阵元之间的最小欧氏距离计算方向调制系统的误码率表达式如下：
其中，N表示总共有N个阵元，di表示阵元之间的最小欧氏距离，N0/2表示接收的噪声功率谱密度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于优化目标函数的无线通信方向调制方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)根据需要的期望方向建立空间优化模型BERtem并设定空间加权w；
(2)根据空间优化模型BERtem和空间加权w设计方向调制信号的目标函数；
(3)根据遗传算法的步骤结合目标函数得到第k个天线阵元对于第i个符号的相移器的相移值φk(i)；
(4)根据相移值求得第k个阵元的远场分布函数；
(5)计算方向调制系统的误码率。
2.如权利要求1所述的基于优化目标函数的无线通信方向调制方法，其特征在于，所述空间优化模型BERtem在期望方向上的值为10-8，其他方向上所有的BERtem是1。
3.如权利要求1或2任一权利要求所述的基于优化目标函数的无线通信方向调制方法，其特征在于，所述的目标函数的表达式如下：
其中，BERQPSK表示方向调制的实际误码率分布，BERtem表示空间优化模型，w表示空间加权，θ为空间方位角。
4.如权利要求3所述的基于优化目标函数的无线通信方向调制方法，其特征在于，所述空间方位角θ的范围为0～180°。
5.如权利要求4所述的基于优化目标函数的无线通信方向调制方法，其特征在于，在期望方向两侧设置空间加权w为锥形分布。
6.如权利要求5所述的基于优化目标函数的无线通信方向调制方法，其特征在于，在90°为期望方向设置空间加权w的表达式如下：
7.根据权利要求1所述的基于优化目标函数的无线通信方向调制方法，其特征在于，根据相移值确定第k个阵元的远场分布函数的表达式如下：
其中，2M+1表示阵元的个数，λ为波长，i表示第i个接收符号，θ表示接收机相对于发射机所在的位置，dk表示第k个阵元到阵列中心的距离，φk(i)表示在期望方位上传统的数字基带调制信号。
8.根据权利要求7所述的基于优化目标函数的无线通信方向调制方法，其特征在于，计算方向调制系统的误码率表达式如下：
其中，N表示总共有N个阵元，di表示阵元之间的最小欧氏距离，N0/2表示接收的噪声功率谱密度。
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