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

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 Download PDF

Info

Publication number
CN109195161A
CN109195161A CN201810950886.4A CN201810950886A CN109195161A CN 109195161 A CN109195161 A CN 109195161A CN 201810950886 A CN201810950886 A CN 201810950886A CN 109195161 A CN109195161 A CN 109195161A
Authority
CN
China
Prior art keywords
frequency
man made
battle array
vector
made noise
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.)
Granted
Application number
CN201810950886.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109195161B (zh
Inventor
王伶
邱彬
陶明亮
粟嘉
谢坚
张兆林
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.)
Northwestern Polytechnical University
Original Assignee
Northwestern Polytechnical University
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 Northwestern Polytechnical University filed Critical Northwestern Polytechnical University
Priority to CN201810950886.4A priority Critical patent/CN109195161B/zh
Publication of CN109195161A publication Critical patent/CN109195161A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109195161B publication Critical patent/CN109195161B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W12/00—Security arrangements; Authentication; Protecting privacy or anonymity
    • H04W12/02—Protecting privacy or anonymity, e.g. protecting personally identifiable information [PII]

Landscapes

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

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

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
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；
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。
CN201810950886.4A 2018-08-21 2018-08-21 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 Active CN109195161B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810950886.4A CN109195161B (zh) 2018-08-21 2018-08-21 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

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810950886.4A CN109195161B (zh) 2018-08-21 2018-08-21 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

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109195161A true CN109195161A (zh) 2019-01-11
CN109195161B CN109195161B (zh) 2021-07-27

Family

ID=64918537

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810950886.4A Active CN109195161B (zh) 2018-08-21 2018-08-21 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

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109195161B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109639325A (zh) * 2019-01-24 2019-04-16 电子科技大学 一种基于通信距离的多载波相控通信方法
CN110365374A (zh) * 2019-06-26 2019-10-22 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
CN112398775A (zh) * 2020-11-07 2021-02-23 西北工业大学 一种基于正交时频空方向调制安全通信方法
CN113067813A (zh) * 2021-03-17 2021-07-02 北京邮电大学 基于频控阵的物理层安全传输优化方法和装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106788625A (zh) * 2016-12-21 2017-05-31 电子科技大学 一种基于线性递增频偏策略的频控阵安全通信方法
US20180152229A1 (en) * 2016-11-30 2018-05-31 University Of South Florida Low complexity flexible beam-width for directional modulation

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180152229A1 (en) * 2016-11-30 2018-05-31 University Of South Florida Low complexity flexible beam-width for directional modulation
CN106788625A (zh) * 2016-12-21 2017-05-31 电子科技大学 一种基于线性递增频偏策略的频控阵安全通信方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
何亮: "于阵列的方向调制在安全通信上的应用研究", 《CNKI中国硕士学位论文全文数据库信息科技辑》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109639325A (zh) * 2019-01-24 2019-04-16 电子科技大学 一种基于通信距离的多载波相控通信方法
CN109639325B (zh) * 2019-01-24 2021-07-09 电子科技大学 一种基于通信距离的多载波相控通信方法
CN110365374A (zh) * 2019-06-26 2019-10-22 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
CN112398775A (zh) * 2020-11-07 2021-02-23 西北工业大学 一种基于正交时频空方向调制安全通信方法
CN113067813A (zh) * 2021-03-17 2021-07-02 北京邮电大学 基于频控阵的物理层安全传输优化方法和装置
CN113067813B (zh) * 2021-03-17 2021-11-26 北京邮电大学 基于频控阵的物理层安全传输优化方法和装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN109195161B (zh) 2021-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109195161A (zh) 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
CN109245811B (zh) 一种基于频控阵人工噪声方向调制的优化方法
Han et al. Multi-wideband waveform design for distance-adaptive wireless communications in the terahertz band
Elgabli et al. Harnessing wireless channels for scalable and privacy-preserving federated learning
CN105162742B (zh) 一种非对称三角调频雷达通信一体化信号波形确定方法
KR101814486B1 (ko) 레이더 및 무선 통신 기능을 가지는 차량용 레이더 장치 및 그것을 이용한 자원 조절 방법
CN109921837A (zh) 一种基于多播频控阵方向调制的稳健波束形成方法
CN109639325B (zh) 一种基于通信距离的多载波相控通信方法
CN104581960B (zh) 一种保密中断概率约束下的多用户协作干扰功率分配方法
CN103033797B (zh) 一种基于空域滤波的米波雷达自适应频率选择方法
CN106998224A (zh) 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
CN109459727B (zh) 基于射频隐身的雷达-通信联合系统最优波形设计方法
CN105050191B (zh) 基于时延QoS与公平的多用户安全认知网络资源分配方法
Lorca et al. On overcoming the impact of Doppler spectrum in millimeter-wave V2I communications
CN111343712A (zh) 一种无人机辅助认知无线网络通信安全的控制方法
CN112468205B (zh) 一种适用于无人机的反向散射安全通信方法
CN109633572B (zh) 基于频率分集阵列的复杂环境定点干扰信号设计方法
CN111398946A (zh) 一种基于lfm信号调频率调制的共享信号设计方法
Li et al. Waveform design for dual-function radar-communication system with golay block coding
CN110429961A (zh) 无人机辅助方向调制网络中的安全交替迭代方法
Kashef et al. On the benefits of cooperation via power control in OFDM-based visible light communication systems
KR20100123078A (ko) Ｏｆｄｍ 통신망에서 적응형 싸이클릭 프리픽스 길이 조절 방법 및 그 시스템
CN109639374A (zh) 一种基于强化学习算法的认知抗干扰通信方法
Osman et al. A Modified Method of Filtering for FBMC Based 5G Communications on Minimizing Doppler Shift
Kashef et al. The impact of location errors on achievable rates in OFDM-based multi-user visible light communication systems

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