CN112910527B - 基于三维波束赋形和智能反射的无线安全传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三维波束赋形和智能反射的无线安全传输方法及系统，该方法包括以下步骤：S1、根据导频获取的信道状态信息，进行信道编码，在信号上叠加人工噪声向量，经发射机的天线阵列向智能反射平面发射信号波束；S2、根据导频获取的信道状态信息，通过数字编码改变智能反射平面上每个反射单元的反射相角，使到达智能反射平面的信号经反射后，信号的相位被调整向期望接收机处发射。该方法及系统有利于提高无线通信的准确性、可靠性和安全性。

Description

基于三维波束赋形和智能反射的无线安全传输方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于三维波束赋形和智能反射的无线安全传输方法及系统。

背景技术

在第六代无线通信技术即将到来的时代里，新一代通信技术将增加用户间的通信量，同时也会带来用户数据的大量增长，这也对用户信息的安全性提出了更高的要求。物理层安全利用无线传输的特性，增加窃听者的信号错误率。相较于高度依靠计算复杂性的高层保密技术，物理层安全技术不畏惧具有强大计算能力的窃听机，这也使其成为了一项新兴的热点技术，可以但不局限用于大规模多输入多输出技术，毫米波通信及异构通信网络中。方向调制技术是提升无线通信系统物理层安全性的一个最有效的技术之一。方向调制技术可以扰乱窃听者接受到的信号星座图，使窃听者无法恢复出发送给接收者的保密信息。但接收机却能够接收到完整的信号星座图，并且从中获取到相应的保密信息，即在方向调制系统中，窃听机的信噪比会被大幅度地抑制。

由于新一代通信技术将使用高频段进行用户间通信，使得传输的电磁波信号极易被墙、柜、门等障碍物遮挡，造成通信失败。智能反射平面能够在发射机和接收机之间建立反射路径，使原本被遮挡的信号重新到达接收机，重构发射机和接收机的通信过程。智能反射平面是一种由大量的无源反射单元构成的超材料平面，反射单元通过调整接受信号的相位将其转发到接收机。传统的波束赋形技术仅能调整发射信号的水平角，使得同一垂直面，不同水平面的智能反射面无法准确地收到需要转发的信息，造成通信失败，信息的安全性也难以得到保障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三维波束赋形和智能反射的无线安全传输方法及系统，该方法及系统有利于提高无线通信的准确性、可靠性和安全性。

为实现上述目的，本发明采用以下方案：一种基于三维波束赋形和智能反射的无线安全传输方法，包括以下步骤：

S1、根据导频获取的信道状态信息，进行信道编码，在信号上叠加人工噪声向量，经发射机的天线阵列向智能反射平面发射信号波束；

S2、根据导频获取的信道状态信息，通过数字编码改变智能反射平面上每个反射单元的反射相角，使到达智能反射平面的信号经反射后，信号的相位被调整向期望接收机处发射。

进一步地，利用三维波束赋形技术，在水平面和垂直面分别调控信号的方向角和俯仰角，使信号波束对准智能反射平面。

进一步地，在方向调制的基础上，利用智能反射平面，使在直射路径中被阻挡的信号通过智能反射平面的反射到达期望接收机，提高通信系统的可靠性。

进一步地，根据导频获取的信道状态信息，设计人工噪声向量并叠加到信号上，使期望接收机获得完整的保密信号，窃听机接受到的信号将被严重扰乱。

进一步地，在发射端设置的发射机为由N_a个阵元组成的天线阵列，智能反射平面为由N_r个反射单元组成的反射阵列，且各反射单元的相位改变受控制器的控制；在智能反射平面方向上发射机的辐射模式为：

A(θ_ar，φ_ar)＝G_m-min{A_V(θ_ar)+A_H(φ_ar)，A_m}

其中θ_ar和φ_ar分别表示在水平面和垂直面内接收机方向与视轴方向的夹角；G_m和A_m为天线阵列的阵元的最大方向增益和发射机天线的最大衰减；在竖直域和水平域内的相对天线增益分别为：

式中，θ_3dB和φ_3dB分别表示在垂直域和水平域内天线在发射机处的3dB波束宽度，θ₀和φ₀分别为视轴的方位角和倾斜角；

发射机到智能反射平面的波束形成矩阵为：

式中，(·)^H表示矩阵的共轭转置；发射机的天线阵列响应为：

其中，

且

λ和d_a分别为传输信号的波长和发射天线阵元之间的距离；

表示克罗内克尔积；同样地，智能反射平面的天线阵列响应为：

其中，

且

和

表示从智能反射平面到发射机在水平域和竖直域的角度；d_r为智能反射平面元件间的距离；从智能反射平面到接收机和窃听机的波束形成矩阵分别为

和

表示p×q的复数矩阵；智能反射平面的对角相移矩阵表示为

β为每个反射单元的幅度系数，取值范围为[0,1]；

因此，接收机收到的信号为：

式中，

为接收机收到的加性高斯白噪声，P_t为传输功率；传输复信号为

其中w和s分别表示预编码向量和保密数据，以确保信号到达接收机时的完整性；人工噪声干扰向量为v，目的是混乱窃听机的接受信号星座图；发射机的最大发射功率为P_max，人工噪声干扰向量和预编码向量满足w^Hw+v^Hv≤P_max；α为功率分配因子，决定人工噪声信号的强度；L_arb表示从发射机经智能反射平面的路径损耗，表示为：

式中，G_a和G_b分别表示为发射机和接收机的天线增益；G和d_e分别是每个单元的增益和智能反射平面上反射单元的边长；d_ar和d_rb分别表示发射机和接收机到智能反射平面中心的距离；归一化辐射模式为：

窃听机收到的信号为：

式中，

为窃听机收到的加性高斯白噪声；L_are表示从发射机经智能反射平面的路径损耗；

进而得到接收机和窃听机的信噪比分别为：

接收机和窃听机的速率分别为R_b＝log₂(1+γ_b)和R_e＝log₂(1+γ_e)，系统的安全传输速率为：

式中，

进一步地，为了提高无线通信的安全性，使系统的安全传输速率最大化；选取系统的安全传输速率R_s作为目标函数，优化变量为w、v和Θ，优化约束条件为w^Hw+v^Hv≤P_max。

本发明还提供了一种基于三维波束赋形和智能反射的无线安全传输系统，包括发射机、智能反射平面和控制器，所述发射机为由N_a个阵元组成的天线阵列并设于发射端，所述智能反射平面为由N_r个反射单元组成的反射阵列并设于反射端，所述控制器控制发射机向智能反射平面发射叠加有人工噪声向量的信号，并调控信号发射的角度，使信号波束对准智能反射平面，所述控制器同时控制智能反射平面上各反射单元调整反射相角，使信号经智能反射平面反射后，到达期望接收机，从而实现所述的方法步骤。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出了一种基于三维波束赋形和智能反射的无线安全传输方法，解决了传统方向调制中，发射机无法改变发射信号波束俯仰角的问题，利用三维波束赋形技术提升通信系统的准确性。引入智能反射平面，将被阻断的信号波束重新反射到期望接受机，增强无线通信系统的可靠性。在信号上叠加上人工噪声，进一步提高无线通信系统的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例的方法实现流程图。

图2为本发明实施例的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本实施例提供了一种基于三维波束赋形和智能反射的无线安全传输方法，包括以下步骤：

S1、根据导频获取的信道状态信息，进行信道编码，在信号上叠加人工噪声向量，经发射机的天线阵列向智能反射平面发射信号波束。

S2、根据导频获取的信道状态信息，通过数字编码改变智能反射平面上每个反射单元的反射相角，使到达智能反射平面的信号经反射后，信号的相位被调整向期望接收机处发射。

本发明利用三维波束赋形技术，在水平面和垂直面分别调控信号的方向角和俯仰角，使信号波束对准智能反射平面。在方向调制的基础上，利用智能反射平面，使在直射路径中被阻挡的信号通过智能反射平面的反射到达期望接收机，提高通信系统的可靠性。

本发明根据导频获取的信道状态信息，设计人工噪声向量并叠加到信号上，使期望接收机获得完整的保密信号，窃听机接受到的信号将被严重扰乱。

由于信号从发射机到期望接收机的直射路径被障碍物遮挡，下面说明智能反射平面辅助的反射路径上的通信过程。发射端装备有发射机，发射机为由N_a个阵元的均匀方形天线阵列，期望接收机与窃听机的接收天线数均为1。智能反射平面为由N_r个反射单元组成的方形反射阵列，且反射单元的相位改变受连接到发射端的控制器的控制。

在智能反射平面方向上发射机的辐射模式为：

A(θ_ar，φ_ar)＝G_m-min{A_V(θ_ar)+A_H(φ_ar)，A_m}

其中θ_ar和φ_ar分别表示在水平面和垂直面内接收机方向与视轴方向的夹角。G_m和A_m是天线阵列单元的最大方向增益和发射机天线的最大衰减。在竖直域和水平域内的相对天线增益分别为：

式中，θ_3dB和φ_3dB分别表示在垂直域和水平域内天线在发射机处的3dB波束宽度。θ₀和φ₀分别为视轴的方位角和倾斜角。

发射机到智能反射平面的波束形成矩阵为：

式中，其中(·)^H表示矩阵的共轭转置。发射机的均匀平面天线阵列响应表示为：

其中，

并且

λ和d_a分别为传输信号的波长和发射天线阵元之间的距离。

表示克罗内克尔积。同样地，智能反射平面的天线响应为：

式中，

其中，

且

和

表示从智能反射平面到发射机在水平域和竖直域的角度。d_r为智能反射平面元件间的距离。从智能反射平面到接收机和窃听机的波束形成矩阵分别为

和

表示p×q的复数矩阵。智能反射平面的对角相移矩阵可以表示为

β为每个反射单元的幅度系数，范围为0到1。

因此，接收机收到的信号为：

式中，

为接收机收到的加性高斯白噪声，P_t为传输功率。传输复信号为

其中w和s分别表示预编码向量和保密数据，目的是确保信号到达期望接收机时的完整性。人工噪声干扰向量为v，目的是混乱窃听机的接受信号星座图。发射机的最大发射功率为P_max，人工噪声干扰向量和预编码向量满足w^Hw+v^Hv≤P_max。α为功率分配因子，决定人工噪声信号的强度。L_ard表示从发射机经智能反射平面的路径损耗，可以表示为：

式中，G_a和G_b分别表示为发射机和接收机的天线增益。G和d_e分别是每个单元的增益和智能反射平面上反射单元的边长。d_ar和d_rb分别表示发射机和接收机到智能反射平面中心的距离。归一化辐射模式为：

窃听机收到的信号为：

式中，

为窃听机收到的加性高斯白噪声。L_are表示从发射机经智能反射平面的路径损耗。

进一步地，可以得到接收机的信噪比和窃听机的信干噪比分别为

期望接收机和窃听机的速率分别为R_b＝log₂(1+γ_b)和R_e＝log₂(1+γ_e)，系统的安全传输速率为：

式中，

为了提高无线通信系统的安全性，应使系统的安全传输速率最大化。选取系统的安全传输速率R_s作为目标函数，优化变量为w、v和Θ，优化约束条件为w^Hw+v^Hv≤P_max。

如图2所示，本实施例还提供了一种基于三维波束赋形和智能反射的无线安全传输系统，包括发射机、智能反射平面和控制器，所述发射机为由N_a个阵元组成的天线阵列并设于发射端，所述智能反射平面为由N_r个反射单元组成的反射阵列并设于反射端，所述控制器控制发射机向智能反射平面发射叠加有人工噪声向量的信号，并调控信号发射的角度，使信号波束对准智能反射平面，所述控制器同时控制智能反射平面上各反射单元调整反射相角，使信号经智能反射平面反射后，到达期望接收机，从而实现所述的方法步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于三维波束赋形和智能反射的无线安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据导频获取的信道状态信息，进行信道编码，在信号上叠加人工噪声向量，经发射机的天线阵列向智能反射平面发射信号波束；

S2、根据导频获取的信道状态信息，通过数字编码改变智能反射平面上每个反射单元的反射相角，使到达智能反射平面的信号经反射后，信号的相位被调整向期望接收机处发射；

利用三维波束赋形技术，在水平面和垂直面分别调控信号的方向角和俯仰角，使信号波束对准智能反射平面；在方向调制的基础上，利用智能反射平面，使在直射路径中被阻挡的信号通过智能反射平面的反射到达期望接收机，提高通信系统的可靠性；根据导频获取的信道状态信息，设计人工噪声向量并叠加到信号上，使期望接收机获得完整的保密信号，窃听机接受到的信号将被严重扰乱；

在发射端设置的发射机为由N_a个阵元组成的天线阵列，智能反射平面为由N_r个反射单元组成的反射阵列，且各反射单元的相位改变受控制器的控制；在智能反射平面方向上发射机的辐射模式为：

A(θ_ar，φ_ar)＝G_m-min{A_V(θ_ar)+A_H(φ_ar)，A_m}

其中θ_ar和φ_ar分别表示在水平面和垂直面内接收机方向与视轴方向的夹角；G_m和A_m为天线阵列的阵元的最大方向增益和发射机天线的最大衰减；在竖直域和水平域内的相对天线增益分别为：

式中，θ_3dB和φ_3dB分别表示在垂直域和水平域内天线在发射机处的3dB波束宽度，θ₀和φ₀分别为视轴的方位角和倾斜角；

发射机到智能反射平面的波束形成矩阵为：

式中，(·)^H表示矩阵的共轭转置；发射机的天线阵列响应为：

其中，

且

λ和d_a分别为传输信号的波长和发射天线阵元之间的距离；

表示克罗内克尔积；同样地，智能反射平面的天线阵列响应为：

其中，

且

和

表示从智能反射平面到发射机在水平域和竖直域的角度；d_r为智能反射平面元件间的距离；从智能反射平面到接收机和窃听机的波束形成矩阵分别为

和

表示p×q的复数矩阵；智能反射平面的对角相移矩阵表示为

β为每个反射单元的幅度系数，取值范围为[0,1]；

因此，接收机收到的信号为：

式中，

为接收机收到的加性高斯白噪声，P_t为传输功率；传输复信号为

其中w和s分别表示预编码向量和保密数据，以确保信号到达接收机时的完整性；人工噪声干扰向量为v，目的是混乱窃听机的接受信号星座图；发射机的最大发射功率为P_max，人工噪声干扰向量和预编码向量满足w^Hw+v^Hv≤P_max；α为功率分配因子，决定人工噪声信号的强度；L_arb表示从发射机经智能反射平面的路径损耗，表示为：

式中，G_a和G_b分别表示为发射机和接收机的天线增益；G和d_e分别是每个单元的增益和智能反射平面上反射单元的边长；d_ar和d_rb分别表示发射机和接收机到智能反射平面中心的距离；归一化辐射模式为：

窃听机收到的信号为：

式中，

为窃听机收到的加性高斯白噪声；L_are表示从发射机经智能反射平面的路径损耗；

进而得到接收机和窃听机的信噪比分别为：

接收机和窃听机的速率分别为R_b＝log₂(1+γ_b)和R_e＝log₂(1+γ_e)，系统的安全传输速率为：

式中，

为了提高无线通信的安全性，使系统的安全传输速率最大化；选取系统的安全传输速率R_s作为目标函数，优化变量为w、v和Θ，优化约束条件为w^Hw+v^Hv≤P_max。

2.一种基于三维波束赋形和智能反射的无线安全传输系统，其特征在于，包括发射机、智能反射平面和控制器，所述发射机为由N_a个阵元组成的天线阵列并设于发射端，所述智能反射平面为由N_r个反射单元组成的反射阵列并设于反射端，所述控制器控制发射机向智能反射平面发射叠加有人工噪声向量的信号，并调控信号发射的角度，使信号波束对准智能反射平面，所述控制器同时控制智能反射平面上各反射单元调整反射相角，使信号经智能反射平面反射后，到达期望接收机，从而实现如权利要求1所述的方法步骤。

Images