CN110868271A - 一种基于多播频控阵天线选择方法 - Google Patents

一种基于多播频控阵天线选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于多播频控阵天线选择方法，引入频控阵方向调制技术，通过优化波束形成矢量，采用最小化发射功率，满足合法用户信干噪比和发射天线数约束优化准则，保证合法用户能够正常接收保密信息，最小化发射天线数目，除此之外，设计人工噪声投影矩阵，使得除合法用户外其他地方增加人工干扰，避免窃听者窃听保密信号，从而有效保障了通信安全。本发明使得频控阵方向调制具有较好的去耦合作用，保证所有目标合法用户群能够正确获得保密信息，使得人工噪声随机产生，不影响合法用户群的情况下，干扰窃听用户，使得窃听用户难以解调出信息。

Description

一种基于多播频控阵天线选择方法
技术领域
本发明涉及天线阵列的方向调制，尤其是一种频控阵的天线选择方法，适用于利用频控阵结合人工噪声进行多播天线选择无线安全通信。
背景技术
基于多播方向调制系统(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，注意，多播的设置包括广播，即单组播，只有一个群，以及的情况将单个信息传输到每个接收用户，即每个群只有一个合法用户。
通常情况下，窃听者都是被动窃听，使用零分贝的接收天线，那么发射端无法估计出窃听者的位置，安全通信即防止未知位置上的窃听者截获保密信息。
引入频控阵方向调制实现无线保密通信，频控阵，即不同的发射阵元之间存在较小的频率增量，这使得频控阵的波束模式同时依赖于角度和距离参数。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。
基于总功率固定，期望在满足合法用户期望信干噪比的约束下，发射保密信息功率最小化，那么可以有更多的功率分配给人工噪声，增加人工噪声对窃听用户的干扰，使其难以截获保密信息。另外，随着天线越来越小，越来越便宜，在这种情况下，基站的发射天线选择变得越来越有吸引力。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于多播频控阵天线选择方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：
步骤1：设置初始化参数；
设置初始化参数包括：初始化参数
Figure BDA0002282195190000011
为第k个合法用户群第m个合法用户与发射基站之间的距离，
Figure BDA0002282195190000012
为第k个合法用户群第m个合法用户与正北方向的夹角角度；初始化信源天线数为N；每根天线的最大频率偏移量为ΔF，信号参考载频为fc，天线间距选择d＝c/2fc，防止会出现栅瓣，导致空间模糊；初始化阵列天线之间的间距，其中，c表示电磁波传播速率；
步骤2：在带宽范围内，产生随机频偏；
在带宽约束下，随机选取频率偏移Δfn＝ηnΔF,n＝1,2,...,N，ηn是标准正态分布；
步骤3：根据产生的载波频率偏移，计算目标合法用户的导向矢量；
令第k个合法用户群作为目标合法用户群，k＝1,2,...,K，其中K为合法用户群的总数，计算目标合法用户群的频控阵导向矢量：
Figure BDA0002282195190000021
其中，c是光速，
Figure BDA0002282195190000022
为电磁波路径损耗，Mk为第k个群合法用户总数，fc为载波；
步骤4：根据最小化发射功率以及合法用户信干噪比和发射天线数约束，建立优化目标函数；
建立最小化发射功率，满足合法用户信干噪比和发射天线数约束优化目标函数：
Figure BDA0002282195190000023
Figure BDA0002282195190000024
Figure BDA0002282195190000025
其中，wk为第k个群波束形成器，wl为第l个群波束形成器，wD＝[||w(1)||2,||w(2)||2,...,||w(n)||2...,||w(N)||2]T，w(n)＝[w1(n),w2(n),...,wK(n)]表示应用于所有波束形成器的第n天线，
Figure BDA0002282195190000026
为信道噪声方差，L为总功率限制，
Figure BDA0002282195190000027
为k合法用户群中第m个用户的期望信噪比；
步骤5：将目标函数进行群松弛和向量化，将其转化成半正定优化问题；
将目标函数转化为半正定优化
Figure BDA0002282195190000031
Figure BDA0002282195190000032
Figure BDA0002282195190000033
其中，
Figure BDA0002282195190000034
λ是一个正的真调谐参数，它控制了解的稀疏性，从而控制了所选天线的数目和X＝maxk|Xk|；
步骤6：通过SeDuMi利用内点法解决半正定问题，解得Xk；
步骤7：采用随机化方法，计算特征分解
Figure BDA0002282195190000035
计算最优波束矢量
Figure BDA0002282195190000036
e是随机分布，得到获得最优波束形成矢量；
步骤8：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；
步骤8.1：计算合法用群户导向矩阵：
Hl＝[Hl，1，Hl，2，...，Hl，K]，
步骤8.2：计算人工噪声投影矩阵：
Figure BDA0002282195190000037
其中，IN表示N×N单位矩阵。
步骤8.3：得到发送第k个合法用户群的基带信号为：
Figure BDA0002282195190000038
其中，PAN是人工噪声功率，nAN为归一化的人工噪声，满足
Figure BDA0002282195190000039
z是噪声向量，满足高斯随机分布，即
Figure BDA00022821951900000310
本发明的有益效果在于由于采用随机或对数频率偏移的方案，使得频控阵方向调制具有较好的去耦合作用；本发明提出最小化发射功率，满足合法用户信干噪比和发射天线数约束优化波束形成矢量，使得在最小化信号发射功率及最优天线选择的情况下，保证所有目标合法用户群能够正确获得保密信息；本发明提出结合人工噪声，在总功率一定情况下，将剩余功率分配给人工噪声，使得人工噪声随机产生，不影响合法用户群的情况下，干扰窃听用户，使得窃听用户难以解调出信息。
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为本发明频控阵波型成形原理简图。
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。
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于频控阵安全通信方法，通过引入频控阵技术，采用最小信息功率优化波束成器，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，防止窃听者窃听保密x信息，从而有效保障了通信安全。
本发明引入频控阵方向调制技术，通过优化波束形成矢量，采用最小化发射功率，满足合法用户信干噪比和发射天线数约束优化准则，保证合法用户能够正常接收保密信息，最小化发射天线数目。除此之外，设计人工噪声投影矩阵，使得除合法用户外其他地方增加人工干扰，避免窃听者窃听保密信号，从而有效保障了通信安全。如图2所示，本发明提供了一种基于多播系统的频控阵方向调制安全通信方法，包括步骤：
步骤1：设置初始化参数；
设置初始化参数包括：初始化参数
Figure BDA0002282195190000041
为第k个合法用户群第m个合法用户与发射基站之间的距离，
Figure BDA0002282195190000042
为第k个合法用户群第m个合法用户与正北方向的夹角角度；初始化信源天线数为N；每根天线的最大频率偏移量为ΔF，信号参考载频为fc，天线间距选择d＝c/2fc，防止会出现栅瓣，导致空间模糊；初始化阵列天线之间的间距，其中，c表示电磁波传播速率；
步骤2：在带宽范围内，产生随机频偏；
在带宽约束下，随机选取频率偏移Δfn＝ηnΔF,n＝1,2,...,N，ηn是标准正态分布；
步骤3：根据产生的载波频率偏移，计算目标合法用户的导向矢量；
令第k个合法用户群作为目标合法用户群，k＝1,2,...,K，其中K为合法用户群的总数，计算目标合法用户群的频控阵导向矢量：
Figure BDA0002282195190000051
其中，c是光速，
Figure BDA0002282195190000052
为电磁波路径损耗，Mk为第k个群合法用户总数，fc为载波；
步骤4：根据最小化发射功率以及合法用户信干噪比和发射天线数约束，建立优化目标函数；
建立最小化发射功率，满足合法用户信干噪比和发射天线数约束优化目标函数：
Figure BDA0002282195190000053
Figure BDA0002282195190000054
Figure BDA0002282195190000055
其中，wk为第k个群波束形成器，wl为第l个群波束形成器，wD＝[||w(1)||2,||w(2)||2,...,||w(n)||2...,||w(N)||2]T，w(n)＝[w1(n),w2(n),...,wK(n)]表示应用于所有波束形成器的第n天线，
Figure BDA00022821951900000511
为信道噪声方差，L为总功率限制，
Figure BDA00022821951900000512
为k合法用户群中第m个用户的期望信噪比；
步骤5：将目标函数进行群松弛和向量化，将其转化成半正定优化问题；
将目标函数转化为半正定优化
Figure BDA0002282195190000056
Figure BDA0002282195190000057
Figure BDA0002282195190000058
其中，
Figure BDA0002282195190000059
λ是一个正的真调谐参数，它控制了解的稀疏性，从而控制了所选天线的数目和X＝maxk|Xk|；
步骤6：通过SeDuMi利用内点法有效地解决半正定问题；
利用内点法有效地解决了半正定问题，解得Xk；
步骤7：采用随机化方法，计算特征分解
Figure BDA00022821951900000510
计算最优波束矢量
Figure BDA0002282195190000061
e是随机分布，得到获得最优波束形成矢量；
步骤8：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；
步骤8.1：计算合法用群户导向矩阵：
Hl＝[Hl，1，Hl，2，...，Hl，K]，
步骤8.2：计算人工噪声投影矩阵：
Figure BDA0002282195190000062
其中，IN表示N×N单位矩阵。
步骤8.3：得到发送第k个合法用户群的基带信号为：
Figure BDA0002282195190000063
其中，PAN是人工噪声功率，nAN为归一化的人工噪声，满足
Figure BDA0002282195190000064
z是噪声向量，满足高斯随机分布，即
Figure BDA0002282195190000065
本发明的实施例如下：
(1)设置初始化参数；
初始化参数
Figure BDA0002282195190000066
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的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fc。根据公式d＝c/2fc初始化阵列天线之间的间距；
(2)在带宽约束下，产生随机频率偏移产生非线性随机频率偏移Δfn＝ηnΔF,n＝1,2,...,N；
(3)令第k个合法用户群作为目标合法用户群，k＝1,2，…，K，其中K为合法用户群的总数。计算目标合法用户群中每个合法用户的波束矢量；
(4)对优化函数进行转换，转变成半正定形式；
(5)采用工具SeDuMi利用内点法有效地解决了这类半正定问题；
(6)采用随机化技术得到获得最优波束形成矢量；
(7)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 BDA0002282195190000071
(8)得到发送第k个合法用户群的基带信号
Figure BDA0002282195190000072

Claims (1)

1.一种基于多播频控阵天线选择方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：设置初始化参数；
设置初始化参数包括：初始化参数
Figure FDA0002282195180000011
为第k个合法用户群第m个合法用户与发射基站之间的距离，
Figure FDA0002282195180000012
为第k个合法用户群第m个合法用户与正北方向的夹角角度；初始化信源天线数为N；每根天线的最大频率偏移量为ΔF，信号参考载频为fc，天线间距选择d＝c/2fc，防止会出现栅瓣，导致空间模糊；初始化阵列天线之间的间距，其中，c表示电磁波传播速率；
步骤2：在带宽范围内，产生随机频偏；
在带宽约束下，随机选取频率偏移Δfn＝ηnΔF,n＝1,2,...,N，ηn是标准正态分布；
步骤3：根据产生的载波频率偏移，计算目标合法用户的导向矢量；
令第k个合法用户群作为目标合法用户群，k＝1,2,...,K，其中K为合法用户群的总数，计算目标合法用户群的频控阵导向矢量：
Figure FDA0002282195180000013
其中，c是光速，
Figure FDA0002282195180000014
为电磁波路径损耗，Mk为第k个群合法用户总数，fc为载波；
步骤4：根据最小化发射功率以及合法用户信干噪比和发射天线数约束，建立优化目标函数；
建立最小化发射功率，满足合法用户信干噪比和发射天线数约束优化目标函数：
Figure FDA0002282195180000015
Figure FDA0002282195180000016
Figure FDA0002282195180000017
其中，wk为第k个群波束形成器，wl为第l个群波束形成器，wD＝[||w(1)||2,||w(2)||2,...,||w(n)||2...,||w(N)||2]T，w(n)＝[w1(n),w2(n),...,wK(n)]表示应用于所有波束形成器的第n天线，
Figure FDA0002282195180000021
为信道噪声方差，L为总功率限制，
Figure FDA0002282195180000022
为k合法用户群中第m个用户的期望信噪比；
步骤5：将目标函数进行群松弛和向量化，将其转化成半正定优化问题；
将目标函数转化为半正定优化
Figure FDA0002282195180000023
Figure FDA0002282195180000024
Figure FDA0002282195180000025
其中，
Figure FDA0002282195180000026
λ是一个正的真调谐参数，它控制了解的稀疏性，从而控制了所选天线的数目和X＝maxk|Xk|；
步骤6：通过SeDuMi利用内点法解决半正定问题，解得Xk；
步骤7：采用随机化方法，计算特征分解
Figure FDA0002282195180000027
计算最优波束矢量
Figure FDA0002282195180000028
e是随机分布，得到获得最优波束形成矢量；
步骤8：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；
步骤8.1：计算合法用群户导向矩阵：
Hl＝[Hl，1，Hl，2，...，Hl，K]，
步骤8.2：计算人工噪声投影矩阵：
Figure FDA0002282195180000029
其中，IN表示N×N单位矩阵；
步骤8.3：得到发送第k个合法用户群的基带信号为：
Figure FDA00022821951800000210
其中，PAN是人工噪声功率，nAN为归一化的人工噪声，满足
Figure FDA00022821951800000211
z是噪声向量，满足高斯随机分布，即
Figure FDA00022821951800000212
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