CN112398775B

CN112398775B - 一种基于正交时频空方向调制安全通信方法

Info

Publication number: CN112398775B
Application number: CN202011234585.5A
Authority: CN
Inventors: 杨欣; 邱彬; 谢坚; 张兆林; 王伶; 韩闯; 陶明亮; 粟嘉; 汪跃先; 段正祥
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2020-11-07
Filing date: 2020-11-07
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2040-11-07
Also published as: CN112398775A

Abstract

本发明提供了一种基于正交时频空方向调制安全通信方法，为了解决高质量无线通信安全问题，公众需求无处不在的无线网络，并且在不受限制的情况下要求有线体验。本发明提供一种基于OTFS方向调制方法，通过方向调制结合OTFS，实现时变，多径，高多普勒信道安全通信，达到更好的低截获概率性能，基于方向调制人工噪声方向调制，在最小发送功率情况，实现安全通信。

Description

一种基于正交时频空方向调制安全通信方法

技术领域

本发明涉及一种多天线阵列的方向调制，适用于利用正交时频空(OTFS)结合方向调制进行无线安全通信。

背景技术

传统的无线通信都是将基带信号上变频到射频，经放大器激励到发射天线实现数子无线通信。但由于无线通信收发系统和无线传输信道具有一定的开放性，如果窃听接收机有足够的灵敏度，那么也可以解调出保密信息,从而无法保证通信信息在传输过程中的私密性和安全性问题。为了实现无线安全通信，需要在保障合法接收机能够解调出保密信息前提下,降低窃听接收机的信噪比,增强其低截获(LPI)概率的能力。

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，即在合法接收机方向达到很高信噪比，同时在其他方向信噪比很低。因而广泛应用于方向调制保密通信中。在实际应用中，方向调制结合OTFS，利用多天线增益方向性，不仅为用户提供高质量的服务，同时也保证信息安全传输。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于正交时频空方向调制安全通信方法。为了解决高质量无线通信安全问题，公众需求无处不在的无线网络，并且在不受限制的情况下要求有线体验。这将需要先进的干扰抑制技术才能实现。本发明所要解决的技术问题是提供一种基于OTFS方向调制方法。保证更高质量的物理层无线安全通信。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1：假设k个合法接收机，对应输入符号消息为b_k，k＝1,2,…,K；

步骤2：每块数据包含L×R×M bits符号消息，其中，L表示子载波个数、R表示每个子载波符号数，M为符号映射得到M-PSK阶数，经串并转换，得到调制离散符号x_k[l,r],其中，l为行，r为列，l∈[1,2,...,L]，r∈[1,2,...,R]；

步骤3：定义离散ISFFT变换：

将调制离散符号经离散辛傅里叶变换；

步骤4：经Heisenberg变换；

步骤5：假设发射端是一个由N阵元构成的均匀线阵，发送基带信号表示为

其中，T_AN(t)为人工噪声投影矩阵，z为人工噪声矢量，满足独立同分布的高斯复随机变量，w_k(t)为波束形成器；

步骤6：发射端已知合法接收机位置，合法接收机相对于发送站角度分别为θ_k,k∈[1,2,...K]；

步骤7：定义位于θ_k的导向矢量为：

其中，c表示光速，d表示发射阵列天线间距，f_c为载波频率；

步骤8：优化波束形成器，优化问题表述为：

其中，

ζ_k是合法用户k的需求信噪比，

为信道噪声方差；

步骤9：步骤8的优化问题转为：

其中，

和

步骤10：定义合法用户导向矩阵为：

步骤11：对所有合法用户的优化问题转化为：

其中，S＝diag(Re{s})，s＝[s₁,s₂,...,s_K]^T，η＝[η₁,η₂,...,η_K]^T，s_x＝Re{s}οRe{s}，Λ＝diag(α)，和α＝[α₁,α₂,...,α_K]^T；

步骤12：根据复数优化，将优化问题转化为：

其中，

步骤13：利用SVD分解，得到：

步骤14：优化问题转化为：

其中，D＝V⁽⁰⁾，

步骤15：利用罚函数方法得到最优解，最终得到最优预编码向量u^*；

步骤16：根据人工噪声与合法接收机导向矢量正交，计算归一化得人工噪声投影矩阵为：

其中，

是期望干扰功率值，Θ_e是表示不需要的方向区域的集合，

θ_BW定义为所有半功率波束宽度区域的互补集K个主光束转向所需的方向；

步骤17：通过向量化得到：

其中，Ξ_l＝A^H(Θ_l)A(Θ_l)，Ξ_e＝A^H(Θ_e)A(Θ_e)和Π＝TT^H；

步骤18：同理，利用SVD分解和罚函数方法得到最优人工噪声投影矩阵T^*；

步骤19：由得到的最优预编码向量u^*和

得到基带发送信号为：

步骤20：合法用户接受信号为：

r(t)＝∫∫h(τ,ν)e^j2πν(t-τ)A^Hv(t-τ)dτdν

步骤21：定义Wigner变换：

其中g_rx(t)是接收脉冲函数，接受信号经Wigner变换为：

步骤22：应用SFFT得到：

y[l,r]＝SFFT(Y[p,q])；

步骤23：y[l,r]检测后恢复得到码元符号。

所述离散ISFFT变换为：

其中，p表示p行，q为第q列。

所述Heisenberg变换为：

其中，g_tx(t)是传送脉冲函数，Δf是子载波频率间隔，Δf＝1/T，T是符号速率；

所述y[l,r]经最大后验概率方法检测后，恢复得到码元符号。

所述需求信噪比ζ_k取值为10dB。

所述信道噪声方差

取值为-100dBm。

本发明的有益效果在于：

1.本发明通过方向调制结合OTFS，实现时变，多径，高多普勒信道安全通信，达到更好的低截获概率性能。

2.本发明基于方向调制人工噪声方向调制，在最小发送功率情况，实现安全通信。

附图说明

图1为方向调制模型的示意图

图2为OTFS方向调制系统发射机和接收机框图。

图3为基于OTFS方向调制方法随不同方位角的误码率。

图4为基于OTFS方向调制方法合法用户不同期望信噪比的误码率性能。

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。

OTFS是调制技术，其将每个信息符号调制到跨越传输突发或数据包的带宽和持续时间的二维(2D)正交基函数集中的一个上。调制基函数集具体地被导出以便最佳地表示时变多径信道的动态。OTFS将时变多径信道变换成时不变的延迟-多普勒二维卷积信道。

根据本发明所述一种基于OTFS方向调制方法。保证更高质量的物理层无线安全通信的方法,设载波频率为f_c＝1GHz为例。假定发射端为一个16阵元均匀线阵，阵元间距为d＝c/2f_c＝0.15m的发送载波信号序列。接收端为单天线。加性噪声为一个复高斯零均值的白噪声,且假设阵列热噪声上功率相同。由图2所示，本发明提供了一种基于OTFS方向调制的安全通信方法，具体实施方式如下

步骤一：图1示出方向调制模型的示意图。如图1所示,发射站分别向K和合法用户同时发送独立的保密信息。其中，LU为合法用户，Eve为窃听者。

步骤二：假设2个目标用户，对应输入符号消息为b_k，k＝1,2.

步骤三：由图2所示，本发明提供了一种基于OTFS方向调制的安全通信方法，将输入速率为R_d＝600M数据留分成8×12×4bits数据块符号消息，其中，8表示子载波个数、12表示每个子载波符号数，4为符号映射得到QPSK，然后将每块数据经串并转换，得到调制离散符号x_k[l,r]，k＝1,2.

将调制离散符号经离散辛傅里叶变换：

步骤四：将经经离散辛傅里叶变换的数据进行Heisenberg变换：

其中，g_tx(t)是传送脉冲函数，采样速率为R_s＝8R_d,Δf是子载波频率间隔，Δf＝1/T，T＝2/R_d。

步骤五：假设发射端是一个由16阵元均匀线阵，发送基带信号表示为

其中，P_AN(t)为人工噪声投影矩阵，z为人工噪声矢量，满足独立同分布的高斯复随机变量，w_k(t)为波束形成器，k＝1,2。

步骤六：发射端已知合法接收机位置，令其相对于发送站角度θ₁＝-40°,θ₂＝5°；

步骤七：计算导向矢量为：

步骤八：优化波束形成器，其优化问题表述为：

其中，

ζ_k是合法用户k的需求信噪比设为10dB，

为信道噪声方差，设为-100dBm。

步骤九：上述优化问题转为为：

其中，

和

步骤十：定义合法用户导向矩阵：

步骤十一：对所有合法用户其优化问题转化为：

其中，S＝diag(Re{s})，s＝[s₁,s₂]^T，η＝[η₁,η₂]^T，s_x＝Re{s}οRe{s}，Λ＝diag(α)，和α＝[α₁,α₂]^T.

步骤十二：根据复数优化，以上问题转化为：

其中，

和

步骤十三：利用SVD分解：

步骤十四：上述优化问题转化为：

其中，D＝V⁽⁰⁾，

步骤十五：利用罚函数方法有效地解决了优化问题，最终得到最优预编码向量u^*。

步骤十六：根据人工噪声与合法接收机导向矢量正交，计算归一化得人工噪声投影矩阵为

其中，

是期望干扰功率值，Θ_e是表示不需要的方向区域的集合，

θ_BW定义为所有半功率波束宽度区域的互补集主光束转向所需的方向。

步骤十七：将上述问题向量化得到

其中，Ξ_l＝A^H(Θ_l)A(Θ_l)，Ξ_e＝A^H(Θ_e)A(Θ_e)和Π＝TT^H。

步骤十八：同理，利用SVD分解和罚函数方法可得到最优人工噪声投影矩阵T^*。

步骤十九：综上，得到基带发送信号为：

步骤二十：经信道τ＝4，ν＝4合法用户接受信号为：

r(t)＝∫∫h(τ,ν)e^j2πν(t-τ)A^Hv(t-τ)dτdν。

步骤二十一：对接受信号Wigner变换：

其中g_rx(t)是接收脉冲函数。接受信号经Wigner变换：Y[p,q]＝A_grx,r(τ,ν)|_{τ＝pT,ν＝qΔf}。

步骤二十二：然后经SFFT得：y[l,r]＝SFFT(Y[p,q])。

步骤二十三：y[l,r]经MAP检测恢复码元符号。

图3显示了基于OTFS方向调制分布图，从图3可以看出，在合法接收机位置其误码率很低，保证了合法接收机能够正确解调出信息，而在其他方向，保密速率很高，使其很难解调出保密信息，因而增强无线通信的保密能力。

图4显示了随期望信噪比不同，合法用户和窃听者的误信率。

Claims

1.一种基于正交时频空方向调制安全通信方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤2：每块数据包含L×R×Mbits符号消息，其中，L表示子载波个数、R表示每个子载波符号数，M为符号映射得到M-PSK阶数，经串并转换，得到调制离散符号x_k[l,r],其中，l为行，r为列，l∈[1,2,...,L]，r∈[1,2,...,R]；

步骤3：定义离散ISFFT变换：

所述离散ISFFT变换为：

其中，p表示p行，q为第q列；

将调制离散符号经离散逆辛傅里叶变换；

步骤4：经Heisenberg变换；

所述Heisenberg变换为：

步骤7：定义位于θ_k的导向矢量为：

步骤8：优化波束形成器，优化问题表述为：

其中，

ζ_k是合法用户k的需求信噪比，

为信道噪声方差，根

所述需求信噪比ζ_k取值为10dB；

步骤9：步骤8的优化问题转为：

其中，

和

步骤10：定义合法用户导向矩阵为：

步骤11：对所有合法用户的优化问题转化为：

ΛRe{A^H(Θ_l)u}-Im{A^H(Θ_l)u}＝0

其中，S＝diag(Re{s})，s＝[s₁,s₂,...,s_K]^T，η＝[η₁,η₂,...,η_K]^T，

Λ＝diag(α)，和α＝[α₁,α₂,...,α_K]^T；

步骤12：根据复数优化，将优化问题转化为：

其中，

步骤13：利用SVD分解，得到：

步骤14：优化问题转化为：

其中，D＝V⁽⁰⁾，

s.t.A^H(Θ_l)TT^HA(Θ_l)＝0

其中，

是期望干扰功率值，Θ_e是表示不需要的方向区域的集合，

步骤17：通过向量化得到：

其中，Ξ_l＝A^H(Θ_l)A(Θ_l)，Ξ_e＝A^H(Θ_e)A(Θ_e)和Π＝TT^H；

步骤19：由得到的最优预编码向量u^*和

得到基带发送信号为：

步骤20：合法用户接受信号为：

r(t)＝∫∫h(τ,ν)e^j2πν(t-τ)A^Hv(t-τ)dτdν

步骤21：定义Wigner变换：

其中g_rx(t)是接收脉冲函数，接受信号经Wigner变换为：

Y[p,q]＝A_grx,r(τ,ν)|_{τ＝pT,ν＝qΔf}；

步骤22：应用SFFT得到：

y[l,r]＝SFFT(Y[p,q])；

步骤23：y[l,r]检测后恢复得到码元符号。

2.根据权利要求1所述的一种基于正交时频空方向调制安全通信方法，其特征在于：所述y[l,r]经最大后验概率方法检测后，恢复得到码元符号。

3.根据权利要求1所述的一种基于正交时频空方向调制安全通信方法，其特征在于：所述信道噪声方差

取值为-100dBm。