CN110048751B - 一种基于多播频控阵方向调制的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于多播频控阵方向调制的优化方法，引入频控阵方向调制技术，通过优化波束形成矢量，使得在满足目标合法用户群的条件下，最小发送有用功率信号，在非目标合法用户群收不到不属于其的信号，除此之外，在总功率一定情况下，最小有用信号功率，即可将更多功率分配给人工噪声，避免窃听者窃听信号，从而有效保障了通信安全。

Description

一种基于多播频控阵方向调制的优化方法
技术领域
本发明涉及天线阵列的方向调制，适用于利用频控阵结合人工噪声进行多播的无线安全通信。
背景技术
基于多路广播方向调制系统(如图1所示)，有若干个合法用户群，每个群中有若干个合法用户，需要将不同的信息传输给相应的合法用户群，同时保证其他合法用户群接不到不属于自己的信息。除此之外，还要防止未知位置上的窃听者窃听保密信息。
当前基于相控阵的方向调制技术能够实现方向上的保密通信，即在合法用户方向达到很高信噪比，同时在其他方向信噪比很低。但是若窃听者和合法用户处于相同的方向上，则无法实现保密通信。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于随机频偏策略的频控阵安全通信方法，通过引入频控阵技术，优化波束成形技术，并结合使用人工噪声，使得目标合法用户群能够接收到相应信息，同时，其他合法接收机群接不到不属于自己的信息。除此之外，还要防止任何位置上的窃听者窃听保密信号，从而有效保障了通信安全。
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)在预先设定频率偏移范围约束下，产生随机频率偏移作为载波偏移频率；
(2)根据载波偏移频率分别计算目标合法用户群和非目标合法用户群的导向矩阵；
(3)将非目标合法用户导向矩阵进行奇异值分解，得到非目标合法用户群零空间；
(4)根据目标合法用户群导向矩阵，在目标合法用户群最小期望功率约束和非目标合法用户群零空间约束下，得到最优波束形成矢量；
(5)根据得到的最优波束形成矢量，计算出发送有用信号的功率，将其余功率分配给人工噪声；根据合法用户群导向矩阵，计算在合法群的零空间，即为人工噪声投影矩阵；最终，得到发送第k个合法用户群的基带信号。
所述的步骤(1)产生随机频率偏移Δfn,n＝0,1,...N-1，N为信源天线数。
所述的步骤(2)令第k个合法用户群作为目标合法用户群，k＝0,1,…，K-1，其中K为合法用户群的总数；计算目标合法用户群和非目标合法用户群的频控阵导向矩阵
Figure BDA0002016277900000021
和Hl,-k＝[Hl,0,...,Hl,k-1,Hl,k+1,...,Hl,K-1]，其中，
Figure BDA0002016277900000022
分别表示第k个合法用户群第m个合法用户的与信源天线之间的距离及其连线与正北方向的夹角角度；每根天线的最大频率偏移量为ΔF，信号参考载频为f0，阵列天线之间的间距d＝c/2(f0+ΔF)，
Figure BDA0002016277900000023
为信号衰减，Mk为第k个群合法用户总数，c表示电磁波传播速率。
所述的步骤(3)对非目标合法用户群导向矩阵奇异值分解，得到
Figure BDA0002016277900000024
所述的步骤(4)计算最优波束形成矢量
Figure BDA0002016277900000025
其中，
Figure BDA0002016277900000026
所述的步骤(5)包括以下步骤：
(51)计算发送有用信号的功率
Figure BDA0002016277900000027
(52)计算出分配给人工噪声功率PAN＝Ps-Pu，其中，Ps是总功率；
(53)计算合法用群户导向矩阵Hl＝[Hl,0,Hl,1,...,Hl,K-1]；
(54)计算人工噪声投影矩阵
Figure BDA0002016277900000028
其中，IN表示N×N单位矩阵；
(55)得到发送第k个合法用户群的基带信号
Figure BDA0002016277900000029
其中，xk表示基带信息符号，nAN为归一化的人工噪声，满足
Figure BDA00020162779000000210
z是噪声向量，满足高斯随机分布。
本发明的有益效果是：
1.本发明提出随机频率偏移的方案，使得频控阵方向调制具有较好的去耦合作用；
2.本发明提出优化波束形成矢量，使得目标合法用户群能够满足其最小期望功率的情况下，既保证目标合法用户群能够解调出其相应信号，又保证非目标合法用户群无法接收到不属于其的信号；
3.本发明提出结合人工噪声，在总功率一定的前提下最小化有用信号发射功率，在不影响合法用户群的情况下，更多功率分配给干扰噪声，使得窃听者难以解调出信息。
附图说明
图1为本发明的窃听者与合法用户群示意图；
图2为本发明频控阵波速成形原理简图；
图3为本发明采用阵列为64的信干噪比分布图。
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，因而广泛应用于方向调制保密通信中。人工噪声的引入使得合法用户不受人工噪声的影响，而窃听者的信干噪比将大大降低，使得窃听者很难解调出保密信息。本发明采用的技术方案包括以下步骤：
(1)设置初始化参数；
(2)在预先设定频率偏移范围约束下，产生随机频率偏移；
(3)根据产生的载波偏移频率，分别计算目标合法用户群和非目标合法用户群的导向矩阵；
(4)根据非目标合法用户导向矩阵，利用奇异值分解，将非目标合法用户矩阵分解，得到非目标合法用户群零空间；
(5)根据目标合法用户群导向矩阵，在目标合法用户群最小期望功率约束和非目标合法用户群零空间约束下，得到最优波束形成矢量；
(6)根据得到的最优波束形成矢量，计算出发送有用信号的功率，将其余功率分配给人工噪声。根据合法用户群导向矩阵，计算在合法群的零空间，即为人工噪声投影矩阵。最终，得到发送第k个合法用户群的基带信号。
进一步，设置初始化参数包括：初始化参数
Figure BDA0002016277900000031
分别表示第k个合法用户群第m个合法用户的与信源天线之间的距离和连线与正北方向的夹角角度；初始化信源天线数N；每根天线的最大频率偏移量为ΔF，信号参考载频为f0。根据公式d＝c/2(f0+ΔF)初始化阵列天线之间的间距，其中，c表示电磁波传播速率；
进一步，所述步骤(2)包括以下步骤：
在带宽约束下，产生随机频率偏移Δfn,n＝0,1,...N-1。
进一步，所述步骤(3)包括以下步骤：
令第k个合法用户群作为目标合法用户群，k＝0,1,…，K-1，其中K为合法用户群的总数。计算目标合法用户群和非目标合法用户群的频控阵导向矩阵，
Figure BDA0002016277900000041
Hl,-k＝[Hl,0,...,Hl,k-1,Hl,k+1,...,Hl,K-1]。其中，
Figure BDA0002016277900000042
为信号衰减，Mk为第k个群合法用户总数。
进一步，所述步骤(4)包括以下步骤：
对非目标合法用户群导向矩阵奇异值分解
Figure BDA0002016277900000043
进一步，所述步骤(5)包括以下步骤：计算最优波束形成矢量
Figure BDA0002016277900000044
其中，
Figure BDA0002016277900000045
进一步，所述步骤(6)包括以下步骤：
(61)计算有用信号功率
Figure BDA0002016277900000046
(62)总功率一定，计算出分配给人工噪声功率PAN＝Ps-Pu，其中，Ps是总功率。
(63)计算合法用群户导向矩阵Hl＝[Hl,0,Hl,1,...,Hl,K-1]；
(64)计算人工噪声投影矩阵
Figure BDA0002016277900000047
其中，IN表示N×N单位矩阵。
(65)得到发送第k个合法用户群的基带信号为
Figure BDA0002016277900000048
其中，xk表示基带信息符号，nAN为归一化的人工噪声，满足
Figure BDA0002016277900000049
z是噪声向量，满足高斯随机分布，即
Figure BDA00020162779000000410
本发明引入频控阵方向调制技术，通过优化波束形成矢量，使得在满足目标合法用户群的条件下，最小发送有用功率信号，在非目标合法用户群收不到不属于其的信号，除此之外，在总功率一定情况下，最小有用信号功率，即可将更多功率分配给人工噪声，避免窃听者窃听信号，从而有效保障了通信安全。如图2所示，本发明的实施例提供了一种基于广播系统的频控阵方向调制安全通信方法，包括步骤：
(1)设置初始化参数；
初始化参数
Figure BDA0002016277900000051
分别表示第k个合法用户群第m个合法用户的与信源天线之间的距离和连线与正北方向的夹角角度；初始化信源天线数N；每根天线的最大频率偏移量为ΔF，信号参考载频为f0。根据公式d＝c/2(f0+ΔF)初始化阵列天线之间的间距。
(2)在带宽约束下，产生随机频率偏移Δfn,n＝0,1,...N-1；
(3)令第k个合法用户群作为目标合法用户群，k＝0,1,…，K-1，其中K为合法用户群的总数。计算目标合法用户群和非目标合法用户群的频控阵波束矢量，
Figure BDA0002016277900000052
Hl,-k＝[Hl,0,...,Hl,k-1,Hl,k+1,...,Hl,K-1]。
(4)对非目标合法用户导向矩阵奇异值分解
Figure BDA0002016277900000053
计算最优波束形成矢量
Figure BDA0002016277900000054
其中，
Figure BDA0002016277900000055
(5)计算有用信号功率
Figure BDA0002016277900000056
然后计算出分配给人工噪声功率PAN＝Ps-Pu。计算合法用户导向矩阵Hl＝[Hl,0,Hl,1,...,Hl,K-1]。计算人工噪声投影矩阵
Figure BDA0002016277900000057
(6)得到发送第k个合法用户群的基带信号
Figure BDA0002016277900000058
本发明的效果可以通过以下仿真结果进一步说明。
初始化参数设置为发送站阵列数N＝64的均匀线阵，K＝2,即两个合法用户群，第一个合法群有三个合法用户，第二个合法用户群有两个用户，其位置分别为
Figure BDA0002016277900000059
Figure BDA0002016277900000061
总功率为Ps＝30dBm。一个载波频率为fc＝1GHz。并令合法用户最小期望接收功率都是-90dBm。信道噪声为-100dBm。图3为本发明采用阵列为64的信干噪比分布图。

Claims (6)

1.一种基于多播频控阵方向调制的优化方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在预先设定频率偏移范围约束下，产生随机频率偏移作为载波偏移频率；
(2)根据载波偏移频率分别计算目标合法用户群和非目标合法用户群的导向矩阵；
(3)将非目标合法用户导向矩阵进行奇异值分解，得到非目标合法用户群零空间；
(4)根据目标合法用户群导向矩阵，在目标合法用户群最小期望功率约束和非目标合法用户群零空间约束下，得到最优波束形成矢量；
(5)根据得到的最优波束形成矢量，计算出发送有用信号的功率，将其余功率分配给人工噪声；根据合法用户群导向矩阵，计算在合法群的零空间，即为人工噪声投影矩阵；最终，得到发送第k个合法用户群的基带信号。
2.根据权利要求1所述的基于多播频控阵方向调制的优化方法，其特征在于：所述的步骤(1)产生随机频率偏移Δfn,n＝0,1,...N-1，N为信源天线数。
3.根据权利要求2所述的基于多播频控阵方向调制的优化方法，其特征在于：所述的步骤(2)令第k个合法用户群作为目标合法用户群，k＝0,1,…，K-1，其中K为合法用户群的总数；计算第k个目标合法用户群频控阵导向矩阵
Figure FDA0003201318300000011
以及第k个非目标合法用户群的频控阵导向矩阵为Hl,-k＝[Hl,0,...,Hl,k-1,Hl,k+1,...,Hl,K-1]，其中，
Figure FDA0003201318300000012
分别表示第k个合法用户群第m个合法用户的与信源天线之间的距离及其连线与正北方向的夹角角度；每根天线的最大频率偏移量为ΔF，信号参考载频为f0，阵列天线之间的间距
Figure FDA0003201318300000013
Figure FDA0003201318300000014
为信号衰减，Mk为第k个群合法用户总数，c表示电磁波传播速率。
4.根据权利要求3所述的基于多播频控阵方向调制的优化方法，其特征在于：所述的步骤(3)对非目标合法用户群导向矩阵奇异值分解，得到
Figure FDA0003201318300000015
5.根据权利要求4所述的基于多播频控阵方向调制的优化方法，其特征在于：所述的步骤(4)计算最优波束形成矢量
Figure FDA0003201318300000021
其中，
Figure FDA0003201318300000022
Figure FDA0003201318300000023
为第k个目标合法用户群频控阵导向矩阵。
6.根据权利要求5所述的基于多播频控阵方向调制的优化方法，其特征在于：所述的步骤(5)包括以下步骤：
(51)计算发送有用信号的功率
Figure FDA0003201318300000024
(52)计算出分配给人工噪声功率PAN＝Ps-Pu，其中，Ps是总功率；
(53)计算合法用群户导向矩阵Hl＝[Hl,0,Hl,1,...,Hl,K-1]，
Figure FDA0003201318300000025
为第k个目标合法用户群频控阵导向矩阵；
(54)计算人工噪声投影矩阵
Figure FDA0003201318300000026
其中，IN表示N×N单位矩阵；
(55)得到发送第k个合法用户群的基带信号
Figure FDA0003201318300000027
其中，xk表示基带信息符号，nAN为归一化的人工噪声，满足
Figure FDA0003201318300000028
z是噪声向量，满足高斯随机分布。
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