CN110365374B - 基于多相控阵方向调制的安全精准无线传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多相控阵方向调制的安全精准无线传输方法，该方法的步骤是：发送端对话音信息经过编码生成二进制数字序列，然后对数字序列进行基带调制得到符号序列，对符号序列进行串并转换为K路符号，分别对K路符号进行方向调制和注入人工噪声得到基带信号，经过K副相控阵天线将基带信号发送给合法的接收端；接收端通过单相相控阵接收基带信号，分别对来自K个方向的信号进行接收，得到K路符号，进行串并转换得到一路符号序列，然后进行解调，恢复二进制数字序列，再进行译码以恢复话音信息。本方案可将机密信息安全精确的发送到指定位置，实现信息安全精确传输，且无论窃听用户位于何处，该无线传输方案的安全性均可以得到保障。

Description

基于多相控阵方向调制的安全精准无线传输方法

技术领域

本发明属于多天线传输技术领域，具体涉及一种基于多相控阵方向调制的安全精准无线传输方法。

背景技术

随着无线通信业务的快速发展，信息传输的隐私性和安全性变得越来越重要。由于无线传输介质的广播特性和缺乏物理边界，机密信息很容易被未授权用户窃听，因此，信息安全一直是无线通信的核心问题。传统的安全研究主要集中在MAC(Medium AccessControl)层加密。但是在MAC层中，仅仅数据帧被加密，而控制帧未加任何保护。一旦窃听者窃取了控制信息，这时的机密信息也不再安全。随着移动互联网的飞速发展，高层加密技术变得不再有效甚至变得不合适。随即，物理层安全技术以安全无线传输为目的被提出，该技术仅仅利用无线信道的特性，比如，衰落、噪声和干扰，从而避免了额外的频谱资源占用和减少了信令开销。特别地，方向调制作为一种新兴的物理层安全技术，在近十年得到广泛研究。方向调制技术在射频端利用射频元器件组合或者在基带端使用波束成形和人工噪声等方式使得在期望方向接收到的信号星座图和发射信号基带标准的星座图保持一致，在其他非期望方向接收到的信号星座图被扰乱或者被人工噪声严重污染，从而使得期望方向的合法用户能够正确的解调机密信息，而非期望方向的窃听用户无法正常解调出有用信息。

传统方向调制技术通常基于单相控阵进行设计，并且假设窃听者和期望用户位于不同的方向；但是在实际应用场景中，窃听者和期望用户可能位于相同的方向。这就导致窃听者和期望用户接收的信号近似，尤其是当窃听者更靠近发射机时，窃听者接收到的信号质量优于期望用户，机密信息很容易被截获，通信安全无法得到保障。

发明内容

为了解决上述传统方向调制技术存在的信息安全问题，进一步增强方向调制技术安全性能，本发明引入了一个多天线阵模型，提出了一种基于多相控阵方向调制的安全精准无线传输方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于多相控阵方向调制的安全精准无线传输方法，包括以下步骤：

发送端对话音信息经过信源编码和信道编码生成二进制数字序列，然后对数字序列进行基带调制得到符号序列，对符号序列进行串并转换为K路符号，分别对K路符号进行方向调制和注入人工噪声得到基带信号，经过K副相控阵天线将基带信号发送给合法的接收端；

接收端通过单相相控阵接收所述的基带信号，分别对来自K个方向的信号进行多波束接收，得到K路符号，进行串并转换得到一路符号序列，然后进行解调，恢复二进制数字序列，再进行信道译码、信源译码以恢复话音信息。

进一步地，所述的信源编码采用自适应差分脉冲编码，所述的信道编码采用低密度奇偶校验码编码。

进一步地，所述的对数字序列进行调制采用的方式为16QAM调制或8PSK调制；当采用16QAM调制时，每4比特映射为1个16QAM符号；当采用8PSK调制时，每3比特映射为1个8PSK符号。

进一步地，所述的对K路符号进行方向调制和注入人工噪声得到发射信号，包括：

人工噪声表示为

其中，

表示复数，N表示单副相控阵天线阵元数，z服从复高斯圆对称分布，即

其中，

表示复高斯圆对称分布，0_N×1表示全零列向量，I_N表示N×N的单位矩阵；

预编码矩阵分别表示为P₁，P₂…P_K；人工噪声投影矩阵表示为W₁，W₂…W_K；每个符号的发射总功率表示为P_s；机密信息和人工噪声的功率分配因子分别表示为β₁∈(0,1]和β₂∈[0,1)，其满足

则从相控阵天线k发射的基带信号

表示为：

上式中：

u_k,i表示第k(k＝1,2,...,K)路符号的第i个符号，P_k＝h(θ_k)[h^H(θ_k)h(θ_k)]^-1，W_k＝I_N-h(θ_k)[h^H(θ_k)h(θ_k)]^-1h^H(θ_k)，h(θ_k)为第k副相控阵天线在θ_k方向上的导向矢量。

进一步地，所述的h(θ_k)表示为：

其中，

进一步地，所述的接收端通过单相相控阵接收所述的基带信号，包括：

接收端通过一副相控阵天线进行空域滤波接收来自K个方向的基带信号，为保证其他路基带信号不对第k(k＝1,2,...,K)路基带信号的接收产生干扰，则第k路的多波束接收权值为：

其中，h(θ_k)为第k副相控阵天线在θ_k方向上的导向矢量，

表示两个向量拼接为矩阵，[·]⁺表示对矩阵求Moore-Penrose逆。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

本方案将机密信息调制后串并转换为K路，分别由K个相控阵进行方向调制，多个相控阵的引入，使得机密信息可以安全精确的发送到指定位置，实现信息安全精确传输。当窃听用户位于K个方向中的一个方向，只能截获一路信息，仍无法恢复机密信息，即使窃听用户位于合法用户的位置，由于窃听用户没有K个发射机的方向信息，无法实现空域滤波接收，接收到的信息是完全扰乱的，故无论窃听用户位于何处，该无线传输方案的安全性均可以得到保障。

附图说明

图1是本发明方法基本原理示意图；

图2是16QAM星座；

图3是8PSK星座。

具体实施方式

本发明提出了一种基于多相控阵方向调制的安全精准无线传输方法，其基本原理示意图如图1所示。

发送端对话音信息经过信源编码和信道编码生成二进制数字序列，然后对数字序列进行基带调制得到符号序列，对符号序列进行串并转换为K路符号，分别对K路符号进行方向调制和注入人工噪声得到基带信号，经过K副相控阵天线将基带信号发送给合法的接收端；

在接收端，合法用户通过单相相控阵接收所述的基带信号，分别对来自K个方向的信号进行多波束接收，得到K路符号，进行串并转换得到一路符号序列，然后进行解调，恢复二进制数字序列，再进行信道译码、信源译码以恢复话音信息。

本实施例中，每副发送相控阵天线均采用N阵元均匀线阵，N＝8，阵元间距为半载波波长；基带调制方式采用MQAM调制时，选择16QAM，其星座图如图2所示，其输入信息到调制符号映射关系如表1所示。

表1 16QAM调制输入信息到调制符号映射

输入信息	0000	0001	0010	0011	0100	0101	0110	0111
									符号映射	0	1	2	3	4	5	6	7
输入信息	1000	1001	1010	1011	1100	1101	1110	111
									符号映射	8	9	10	11	12	13	14	15
输入信息	0000	0001	0010	0011	0100	0101	0110	0111

基带调制方式采用MPSK调制时，选择8PSK，其星座图如图3所示，其输入信息到调制符号映射关系如表2所示：

表2 8PSK调制输入信息到调制符号映射

输入信息	0000	0001	0010	0011	0100	0101	0110	0111
									符号映射	0	1	2	3	4	5	6	7

单路符号数据串并转换为3路符号数据，即K＝3，对应的相控阵天线也为3副。图1为该实施列的具体流程图，具体包括以下步骤：

步骤1，发送端对话音信息进行信源编码和信道编码，信源编码采用自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)，信道编码采用1/2LDPC(低密度奇偶校验码)编码，输出二进制编码数字比特序列。

步骤2，对步骤1中得到的二进制数字序列进行基带调制，当采用16QAM调制时，每4比特映射为1个16QAM符号，其映射关系如表1所示；当采用8PSK调制时，每3比特映射为1个8PSK符号，其映射关系如表2所示。

步骤3，基带调制后的符号序列进行串并转换为K路符号，分别表示为u₁，u₂…u_K。

步骤4，分别对K路符号进行方向调制和注入人工噪声得到基带信号

人工噪声表示为

其中，

表示复数，N表示单副相控阵天线阵元数，z服从复高斯圆对称分布，即

其中，

表示复高斯圆对称分布，0_N×1表示全零列向量，I_N表示N×N的单位矩阵。

预编码矩阵分别表示为P₁，P₂…P_K；人工噪声投影矩阵表示为W₁，W₂…W_K；每个符号的发射总功率表示为P_s；机密信息和人工噪声的功率分配因子分别表示为β₁∈(0,1]和β₂∈[0,1)，其满足

则从相控阵天线k发射的基带信号

表示为：

上式中：

u_k,i表示第k(k＝1,2,...,K)路符号的第i个符号，P_k＝h(θ_k)[h^H(θ_k)h(θ_k)]^-1，W_k＝I_N-h(θ_k)[h^H(θ_k)h(θ_k)]^-1h^H(θ_k)，h(θ_k)为第k副相控阵天线在θ_k方向上的导向矢量，一般表示为：

其中，

类似地，其他发射的符号也按照式1设计并发送。期望方向对发送方来说是已知的先验信息，不同的发送天线阵对合法接收机期望方向是不同的，第k个天线阵对应期望方向为θ_k，这样既可以保证机密信息均沿各自期望方向发送到合法用户处，同时在其他非期望方向产生人工噪声，使得窃听用户在非期望方向无法截获机密信息，即使窃听者位于某个期望方向也只能截获部分信息；虽然窃听者位于某个天线阵和合法用户方向上，就能获取该方向上传输的信息，而由于信息同时由多个方向同时传输给合法用户，所以窃听用户最多只能获取一路有用信息；无法得到完整信息，甚至当窃听者位于合法用户位置时，收到的信号为有用信息的叠加，在没有三个发射相控阵天线的方向信息时无法解调出有用信息。因此，该方法可以保障传输信息的安全性。

本方案中，发送端采用多天线阵模型，模型为多个线性排列或随机分布的均匀线性相控阵，天线阵之间是非相关的，即不同天线阵到合法用户的方向角不同。

步骤5，在接收端，合法用户通过单相相控阵接收所述的基带信号，分别对来自K个方向的信号进行多波束接收，得到K路符号。

具体地，合法用户通过一副相控阵天线进行空域滤波接收来自K个方向的基带信号，为保证其他路基带信号不对第k(k＝1,2,...,K)路基带信号的接收产生干扰，则第k路的多波束接收权值为：

其中，h(θ_k)为第k副相控阵天线在θ_k方向上的导向矢量，

表示两个向量拼接为矩阵，[·]⁺表示对矩阵求Moore-Penrose逆。同理，经过K个支路空域滤波后，得到K个方向的符号。

步骤6，将K路符号经过串并转换得到一路符号序列。

步骤7，当原始信息使用16QAM调制或8PSK调制时，均采用正交相干方法解调恢复出原始二进制数字序列。

步骤8，将恢复的二进制数字序列经1/2LDPC译码和解压缩信源译码后，即可恢复话音信号。

Claims (5)

1.一种基于多相控阵方向调制的安全精准无线传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

发送端对话音信息经过信源编码和信道编码生成二进制数字序列，然后对数字序列进行基带调制得到符号序列，对符号序列进行串并转换为K路符号，分别对K路符号进行方向调制和注入人工噪声得到基带信号，经过K副相控阵天线将基带信号发送给合法的接收端；

接收端通过单相相控阵接收所述的基带信号，分别对来自K个方向的信号进行多波束接收，得到K路符号，进行串并转换得到一路符号序列，然后进行解调，恢复二进制数字序列，再进行信道译码、信源译码以恢复话音信息；

所述的接收端通过单相相控阵接收所述的基带信号，包括：

接收端通过一副相控阵天线进行空域滤波接收来自K个方向的基带信号，为保证其他路基带信号不对第k路基带信号的接收产生干扰，其中k＝1,2,...,K，K为大于等于2的正整数，则第k路的多波束接收权值为：

其中，h(θ_k)为第k副相控阵天线在θ_k方向上的导向矢量，

表示两个向量拼接为矩阵，[·]⁺表示对矩阵求Moore-Penrose逆。

2.如权利要求1所述的基于多相控阵方向调制的安全精准无线传输方法，其特征在于，所述的信源编码采用自适应差分脉冲编码，所述的信道编码采用低密度奇偶校验码编码。

3.如权利要求1所述的基于多相控阵方向调制的安全精准无线传输方法，其特征在于，所述的对数字序列进行调制采用的方式为16QAM调制或8PSK调制；当采用16QAM调制时，每4比特映射为1个16QAM符号；当采用8PSK调制时，每3比特映射为1个8PSK符号。

4.如权利要求1所述的基于多相控阵方向调制的安全精准无线传输方法，其特征在于，所述的对K路符号进行方向调制和注入人工噪声得到发射信号，包括：

人工噪声表示为

其中，

表示复数，N表示单副相控阵天线阵元数，z服从复高斯圆对称分布，即

其中，

表示复高斯圆对称分布，0_N×1表示全零列向量，I_N表示N×N的单位矩阵；

预编码矩阵分别表示为P₁，P₂…P_K；人工噪声投影矩阵表示为W₁，W₂…W_K；每个符号的发射总功率表示为P_s；机密信息和人工噪声的功率分配因子分别表示为β₁∈(0,1]和β₂∈[0,1)，其满足

则从第k副相控阵天线发射的基带信号

表示为：

上式中：

u_k,i表示第k路符号的第i个符号，P_k＝h(θ_k)[h^H(θ_k)h(θ_k)]^-1，W_k＝I_N-h(θ_k)[h^H(θ_k)h(θ_k)]^-1h^H(θ_k)，h(θ_k)为第k副相控阵天线在θ_k方向上的导向矢量。

5.如权利要求4所述的基于多相控阵方向调制的安全精准无线传输方法，其特征在于，所述的h(θ_k)表示为：

其中，

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