CN109195161A - 一种基于频控阵人工噪声方向调制的时不变安全通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于频控阵人工噪声方向调制的时不变安全通信方法，首先确定频控阵频率补偿矢量，更新离散时间间隔并计算波束矢量和人工噪声投影矩阵，将导向矢量更新时间点与波束矢量和人工噪声投影矩阵更新时间点代入平均保密速率，计算最优的波束矢量和人工噪声投影矩阵更新频率；利用最优更新频率对应的时间点计算得到频控阵信号。本发明能够保证保密速率的时不变性，同时易于硬件实现，达到无线安全通信的目的。
Description
技术领域
本发明涉及多天线阵列的方向调制，适用于利用频控阵和人工噪声进行无线安全通信。
背景技术
引入频控阵方向调制实现无线保密通信，由于频控阵的距离和角度的二维依赖性，能够实现角度和距离上的双重控制，保证更高精度的物理层无线安全通信，目前对频控阵方向调制多集中在单个合法用户的波束矢量优化，以及频率补偿的设计。
人工噪声的引入使得合法接收机不受人工噪声的影响，而窃听接收机的信人工噪声和噪声比将大大降低，使得窃听者很难解调出保密信息。
通常，期望保密性能时不变，即合法接收机区域保密速率高，窃听接收机区域保密速率低且都不随时间变化。但是，采用频控阵方向调试优化波束矢量，需要克服时不变的问题，来保证无线安全通信。
由于波束矢量和人工噪声投影矩阵都不可能连续更新，通常更高的更新频率产生更好的保密速率，然而，高的更新速率导致更高的实现代价，所以需要计算波束矢量和人工噪声投影矢量更新时间，既要满足保密速率的时不变性要求，同时也要使得更新速率易于硬件实现。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于频控阵人工噪声方向调制的时不变安全通信方法，保证保密速率的时不变性，同时易于硬件实现，达到无线安全通信的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
1)确定频控阵频率补偿矢量f＝[f0,f1,...fn...fN-1]T，其中，N表示频控阵的阵元数；
2)根据实际需要，定义时间周期长度为T，将时间周期长度T分成L间隔，更新离散时间间隔波束矢量和人工噪声投影矩阵更新时间点
3)将代入波束矢量公式和人工噪声投影矩阵公式得到和作为在区间的波束矢量和人工噪声投影矩阵其中，h(f,θ,r,t)＝[h0,...,hn,...,hN-1]为频控阵导向矢量，hL(t)＝h(f,θL,rL,t)为合法接收机频控阵导向矢量的简写，θ和r分别为接收机的方位角和距离，d为频控阵的阵元间距，c为光速，IN为N维的单位矩阵；
4)定义ΔTs作为导向矢量时间间隔，导向矢量更新时间点
5)将导向矢量更新时间点与波束矢量和人工噪声投影矩阵更新时间点代入平均保密速率其中，R(t)为合法接收机与窃听接收机保密速率之差， 和分别表示合法接收机和窃听接收机的保密速率，SANRL(t)为合法接收机的信号与人工噪声和噪声比，SANRE(t)为窃听接收机的信号与人工噪声和噪声比，hL(t)为合法接收机的导向矢量，hE(t)为窃听收机的导向矢量，和表示合法接收机和窃听者的信道噪声功率，α为功率分配因子，Ps为发射功率；分析其不同更新频率下的平均保密速率，得到最优的波束矢量和人工噪声投影矩阵更新频率；
6)利用最优更新频率对应的时间点计算得到频控阵信号其中，Ps是发送功率，α为功率分配因子， x(t)为符号消息，z为人工噪声矢量，满足独立同分布的高斯复随机变量。
本发明的有益效果是：基于频控阵人工噪声保密通信需要保密分布不随时间的变化，即满足保密速率的时不变性要求，但是需要时时更新波束矢量和人工噪声投影矩阵，通常高的更新速率需要更高的实现代价。本发明的技术通过计算不同更新频率的平均保密速率，分析得到易于实现且能保证保密性能的波束矢量和人工噪声投影矩阵更新频率。
附图说明
图1为频控阵模型的示意图。
图2为频控阵人工噪声方向调制的保密速率分布图。
图3为频控阵人工噪声方向调制的平均保密速率随更新频率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明包括以下步骤：
1)采用随机频控阵、对数频控阵、其他非线性频控阵或是根据合法接收机和窃听接收机位置优化得到频控阵频率补偿矢量f＝[f0,f1,...fn...fN-1]T。
2)根据实际需要，定义时间周期长度为T，更新离散时间间隔为其中， L表示将时间周期长度T分成的间隔数。那么，波束矢量和人工噪声投影矩阵更新时间点为也就是说波束矢量和人工噪声投影矩阵的离散时间点为
3)将代入波束矢量w(t)和人工噪声投影矩阵PAN(t)，得到和作为在区间的波束矢量和人工噪声投影矩阵。其中， h(f,θ,r,t)＝[h0,...,hn,...,hN-1]为频控阵导向矢量，hL(t)＝h(f,θL,rL,t)为简写合法接收机频控阵导向矢量，θ和r分别为接收机的方位角和距离，d为频控阵的阵元间距，c为光速。
4)为了验证平均保密性能，得到易于实现且能够保证保密性能的波束矢量和人工噪声投影矩阵更新频率，这里假设以很高的变化速率近似频控阵导向矢量连续变化时间。定义ΔTs作为导向矢量时间间隔，所以，其中，ΔTw波束矢量和人工噪声投影矩阵更新时间间隔。导向矢量更新时间点与波束矢量和人工噪声投影矩阵更新时间间隔关系表示为
5)为了分析得到合理的时不变更新频率，将导向矢量更新时间点与波束矢量和人工噪声投影矩阵更新时间点代入平均保密速率其中，R(t)为合法接收机与窃听接收机保密速率之差，即RL(t)和RE(t)分别表示合法接收机和窃听接收机的保密速率，和SANRL(t)为合法接收机的信号与人工噪声和噪声比， SANRE(t)为窃听接收机的信号与人工噪声和噪声比，hL(t)为合法接收机的导向矢量，hE(t)为窃听收机的导向矢量，和表示合法接收机和窃听者的信道噪声功率，α为功率分配因子，Ps为发射功率。分析其不同更新频率下的平均保密速率，得到合理的波束矢量和人工噪声投影矩阵更新频率。
6)将得到的最优更新频率对应的时间点代入得到频控阵信号，其中，Ps是发送功率；α为功率分配因子；x(t)为符号消息；z为人工噪声矢量，满足独立同分布的高斯复随机变量。
根据本发明所述基于频控阵人工噪声的方法技术方案,以一个载波频率为 fc＝1GHz频控阵为例。假定发射端为一个32阵元均匀线阵，阵元间距为 d＝c/2fc＝0.15m,单天线接收机接收到的信号表示为y(t)＝h(f,θ,r,t)s(t)+v，其中， v为加性信道噪声，服从复高斯零均值的白噪声,且假设阵列噪声上方差相同。令合法接收机的位置为(1200km,30°)，临近的窃听接收机位置为(1300km,30°)，频控阵载波带宽为3MHz，α＝0.5,本发明提供了一种基于频控阵人工噪声方向调制时不变的安全通信方法。
步骤一：图1表示基于频控阵人工噪声(FDA-AN)模型的示意图。根据合法接收机和窃听接收机位置优化选取频率补偿矢量f＝fc+Δf，其中，Δf＝[572280.142979026,704880.704243064,2722833.77583826,3561801.49166107, 3311450.83154190,689357.517865062,3456523.94309604,677613.499092579, 2138154.48569930,1503654.49845779,3267526.45094454,2988841.25673902, 820262.357770205,1854344.42129242,1621116.61960661,2695198.58146071, 2567011.13191199,2394738.80104041,971060.845609665,2381102.84435415, 1994974.96611416,1002558.35853302,1156987.37305272,2319367.45830274, 3029628.54905450,1347278.27097774,2026504.37240183,1317284.64636147, 2563601.78722346,1400565.87845063,1990179.71477795,2348395.92553461]。图2为保密速率分布所示，希望合法接收机区域保密速率高，窃听接收机区域保密速率低，那么能够保证合法接收机接收到保密信息同时窃听接收机无法接收到信号，而且我们希望其分布不随时间变化。具体实施方式如下
步骤二：定义时间周期长度T＝20μs。假定频控阵导向矢量的更新频率用 200GHz近似连续时间变化，并假设其为波束矢量和人工噪声投影矩阵的理想更新频率。波束矢量和人工噪声投影矩阵的更新频率分别取5MHz,10MHz，20MHz，40MHz， 50MHz，80MHz，100MHz和200MHz时，即，K＝100000, L＝40,20,10,5,4,2.5,2,1，得到相应不同更新频率的波束矢量和人工噪声投影矩阵与导向矢量离散时间和
步骤三：分别将时间点代入合法接收机和窃听接收机导向矢量以及将时间点代入波束矢量和人工噪声投影矩阵
步骤四：分析不同波束矢量和人工噪声投影矩阵更新频率下的平均保密速率图3显示了平均保密速率随波束矢量和人工噪声不同更新频率的变化曲线。从图3可以看出，当更新频率大于80MHz时，保密速率非常接近于理想保密速率，而对于80MHz更新速率，硬件很容易实现。
步骤五：将更新频率设为80MHz，计算出此更新频率下的合法接收机波束矢量和人工噪声投影矩阵那么频控阵信号表示为其中，为更新频率设为80MHz的离散时间点。
Claims (1)
1.一种基于频控阵人工噪声方向调制的时不变安全通信方法，其特征在于包括下述步骤：
1)确定频控阵频率补偿矢量f＝[f0,f1,...fn...fN-1]T，其中，N表示频控阵的阵元数；
2)根据实际需要，定义时间周期长度为T，将时间周期长度T分成L间隔，更新离散时间间隔波束矢量和人工噪声投影矩阵更新时间点
3)将代入波束矢量公式和人工噪声投影矩阵公式得到和作为在区间的波束矢量和人工噪声投影矩阵其中，h(f,θ,r,t)＝[h0,...,hn,...,hN-1]为频控阵导向矢量，hL(t)＝h(f,θL,rL,t)为合法接收机频控阵导向矢量的简写，θ和r分别为接收机的方位角和距离，d为频控阵的阵元间距，c为光速，IN为N维的单位矩阵；
4)定义ΔTs作为导向矢量时间间隔，导向矢量更新时间点
5)将导向矢量更新时间点与波束矢量和人工噪声投影矩阵更新时间点代入平均保密速率其中，R(t)为合法接收机与窃听接收机保密速率之差， 和分别表示合法接收机和窃听接收机的保密速率，SANRL(t)为合法接收机的信号与人工噪声和噪声比，SANRE(t)为窃听接收机的信号与人工噪声和噪声比，hL(t)为合法接收机的导向矢量，hE(t)为窃听收机的导向矢量，和表示合法接收机和窃听者的信道噪声功率，α为功率分配因子，Ps为发射功率；分析其不同更新频率下的平均保密速率，得到最优的波束矢量和人工噪声投影矩阵更新频率；
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