CN113242073A - 一种基于交叉熵迭代的多用户太赫兹阵列安全调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种基于交叉熵迭代的多用户太赫兹阵列安全调制方法,属于保密通信技术领域。包括射频链路可编程放大、交叉熵迭代、模拟波束赋形以及数字波束赋形,具体为:1)通过可编程放大器控制发射天线权重,实现天线权重最优化;2)数模混合波束赋形,利用交叉熵迭代优化,选择出旁瓣低的天线组合完成模拟波束赋形,并根据迫零准则设计数字波束赋形,消除多用户波束间的干扰;3)信号发送与接收,实现太赫兹多用户安全通信。该方法使非目标用户方向星座图分散程度最高的同时大幅降低方向图旁瓣能量,在QPSK调制下窃听用户的误符号率保持在0.75,无法正确解调出目标用户信号,拥有良好的物理层安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于交叉熵迭代的多用户太赫兹阵列安全调制方法,属于保密通信技术领域。
背景技术
随着无线通信技术的不断发展,人们对无线通信传输速率的要求越来越高。未来的无线通信系统需要满足多个方面的需求,即更大的数据量、更高的数据速率、更远的通信距离、更低的通信延迟和更多的网络用户,而现在6GHz以下的微波频段,频谱资源紧张,很难满足人们日益增长的通信需求。太赫兹频率在0.1THz到10THz之间,带宽非常大,将提供更高的传输速率,但由于太赫兹系统的开放传输特性,如果窃听接收机足够灵敏的话,仍然能从太赫兹的旁瓣泄漏中获取信息,太赫兹MIMO通信系统面临着严峻的安全问题。
传统的保密通信方案着眼于上层的安全加密算法以及用户间设立的复杂协议,这些安全措施计算成本高,在异构用户间使用不够灵活,且随着窃听者的算力逐渐提高,面临着被破解的风险。相较之下,物理层安全策略不占用过多计算资源,避免密钥分发和管理等问题,能够适应如物联网等计算资源受限的应用场景。
物理层安全通信目前在这两个方面推进研究:一个方面是着力于信息论,探究物理层在实现信号安全传输时的安全信道容量,实现让安全信道容量增大,窃听信道容量不断减小;另一个方面是着力于实际通信系统的研究,提出了很多物理层安全通信系统,包括基于相控阵的物理层安全通信系统、基于切换天线的物理层安全通信系统和基于正交矢量法的物理层安全通信系统,但都存在信号旁瓣能量过高,安全性不足的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有物理层安全通信方法存在信号旁瓣能量过高,安全性不足的问题,提出了一种基于交叉熵迭代的多用户太赫兹阵列安全调制方法,该方法将方向图旁瓣能量作为目标函数,利用交叉熵进行迭代和优化,得到多用户太赫兹数模混合波束赋形矩阵,从而实现旁瓣能量低的物理层安全通信,提升了物理层太赫兹通信的安全性。
为了达到上述目的,本发明采取如下技术方案:
所述多用户太赫兹阵列安全调制方法,该方法依托多用户太赫兹阵列系统,该系统包括:发射机、目标用户、窃听用户、接收机以及信道;
所述发射机包含模拟波束赋形装置、数字波束赋形装置、可编程放大器及发射天线阵列;
其中,可视路径链路,即Line of Sight,简称LOS;
所述窃听用户位于非目标用户方向上;
天线组合的目标函数使用交叉熵迭代优化产生,即:使窃听用户方向图呈噪声状的同时,接收到的信号能量极低;
所述多用户太赫兹阵列安全调制方法,包括如下步骤:
步骤1、调整发射天线权重,具体为:发射机通过可编程放大器控制发送信号的权重,实现天线权重最优化;
1)、一种是发射机知道窃听用户的信道信息,该目标函数为窃听用户方向的信号能量;
2)、另一种是发射机不知道窃听用户的信道信息,该目标函数为所有非目标用户方向上的信号能量最大值;
至此,从步骤1到步骤11,完成了一种基于交叉熵迭代的多用户太赫兹阵列安全调制方法。
有益效果
所述一种基于交叉熵迭代的多用户太赫兹阵列安全调制方法,与现有技术相比,具有如下有益效果:
1.所述方法使用最优权重天线子集波束赋形,通过可编程放大器来控制发送信号的权重使非目标用户方向噪声最大化,星座图分散程度最高;
2.所述方法依托系统的发射机使用交叉熵迭代算法选择出旁瓣低的天线组合,有效降低非目标用户方向的信号能量。
附图说明
图1为多用户太赫兹阵列安全调制系统框图;
图2为传统模拟波束赋形方案与安全通信模拟波束赋形方案对比;
图3为窃听用户方向上的星座图;
图4已知窃听用户方向的发射方向图的旁瓣能量;
图5未知窃听用户方向的发射方向图的旁瓣能量;
图6为旁瓣能量概率密度分布函数;
图7为窃听用户所在方向角与误符号率关系曲线;
图8为窃听用户信噪比与误符号率关系曲线。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更深刻的理解本发明方案的实施思路,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行仔细、清晰的描述。显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施案例,都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
本方法适用于低成本、低功耗、高安全性的太赫兹多用户大规模天线阵列通信场景。为实现安全通信,多用户太赫兹阵列安全调制方法在传统的模拟波束赋形方案后添加可编程放大器用来控制射频链路的放大衰减,使得在目标用户方向上发送标准通信信号的同时,在非用户方向发送噪声信号。同时,发射机使用交叉熵迭代算法选择出旁瓣低的天线组合,有效降低非目标用户方向的信号能量,并根据迫零准则设计数字波束赋形矩阵消除多用户间的干扰。
下面结合具体场景对本发明实施例的具体步骤进行说明:
所述多用户太赫兹阵列安全调制方法的系统框架如图1,具体实施时,本方法适用于线性均匀阵、均匀平面阵和均匀球面阵。本方法依托的多用户太赫兹阵列系统,包括:发射机、目标用户、窃听用户、接收机以及信道;
所述发射机包含模拟波束赋形装置、数字波束赋形装置、可编程放大器及发射天线阵列;
其中,可视路径链路,即Line of Sight,简称LOS;
所述窃听用户位于发射机的方向角110°上;
天线组合的目标函数使用交叉熵迭代优化产生,即:使窃听用户方向图呈噪声状的同时,接收到的信号能量极低;
所述多用户太赫兹阵列安全调制方法,包括如下步骤:
步骤1、调整发射天线权重,具体为:发射机通过可编程放大器控制发送信号的权重,实现天线权重最优化;
具体实施时,所述步骤1中常用的发射天线权重设计有以下四种:
1)、,即为传统模拟波束赋形,传统模拟波束赋形方案得到的方向图为SINC函数,该模拟波束赋形方案,在目标用户方向角和其他任意方向角的星座形式完全一样,仅仅是功率不同,若窃听用户使用大口径天线或超低灵敏度接收技术,窃听用户能够恢复出目标用户信号完成窃听,因此传统模拟波束赋形方案无法完成保密通信;
4)、最优权重天线子集模拟波束赋形,通过可编程放大器来控制发送信号的权重,如图2。其以非目标用户方向噪声最大化为目标来优化每个天线传输的权重,当时为最优权重天线子集模拟波束赋形方案,此时窃听用户方向的星座图呈噪声状;
使用上述四种波束赋形方案,得到窃听用户方向上的星座图,如图3,从图中看到只有传统波束赋形方案的窃听用户的星座图和目标用户的星座图一样,其他方案均呈噪声状。最优权重天线子集波束赋形方案的分散程度最高,拥有最好的物理层安全性能;
1)、一种是发射机知道窃听用户的信道信息,该目标函数为窃听用户方向的信号能量;
2)、另一种是发射机不知道窃听用户的信道信息,该目标函数为所有非目标用户方向上的信号能量最大值;
基于交叉熵迭代的多用户太赫兹阵列安全调制方法根据发送端天线数,迭代次数,优选信号数等参数使用交叉熵迭代算法对天线组合进行迭代,依据已知窃听用户方向角上的旁瓣能量或除目标用户外其他所有方向角旁瓣能量的最大值为目标函数,得到最优的天线组合,从而得到旁瓣图最优的发射机方向图。图4是窃听用户方向角为110°,目标用户方向角为36°、80°、140°,天线数为128时发射方向图的旁瓣能量,仿真显示出在窃听用户方向上的旁瓣抑制为27.84dB。图5是相同场景但窃听用户方向未知时发射方向图旁瓣能量,仿真显示出通过交叉熵优化选择出旁瓣较低的天线组合后,方向图旁瓣的能量比原始天线组合要低7dB左右,所以本方法使窃听用户在收到噪声状星座图的同时,信号能量也非常小。图6为发射机方向图能量概率密度分布函数,本图首先根据交叉熵优化后的天线组合和原始天线组合计算出发送的方向图,然后将旁瓣能量减掉主瓣能量进行归一化,取归一化后的旁瓣能量的最大值,多次仿真得到旁瓣能量最大值的概率密度分布函数,对交叉熵优化后的天线组合和原始天线组合得到的旁瓣能量大小进行比较。从图中看出采用原始随机天线组合方式得到的旁瓣能量较大,主要分布在7dB左右,而交叉熵优化后的天线组合的旁瓣能量比原始随机天线组合小10dB,并且二者均呈现高斯分布状。图7显示出了窃听用户所在方向角与误符号率关系曲线,当窃听用户与目标用户在不同方向角时,接收到的星座图呈高斯噪声状,窃听用户很难解调出目标用户发送的符号,在发送QPSK信号时的误符号率均在0.75左右,安全性能良好。图8为窃听用户的信噪比与误符号率关系曲线。当窃听用户所在方向角为110度时,随着窃听用户信噪比的不断增加,其误符号率始终在0.75左右,均无法正确解调出目标用户信号,具有很好的安全通信性能。
以上所述的具体描述,对发明的目的、技术方案进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于交叉熵迭代的多用户太赫兹阵列安全调制方法,其特征在于:该方法依托多用户太赫兹阵列系统,该系统包括:发射机、目标用户、窃听用户、接收机以及信道;
其中,可视路径链路,即Line of Sight,简称LOS;
其中,发射机模拟波束赋形装置的天线权重取值为k或1且k≠1;
在共N根天线的天线权重中,有M根天线取值为1,N-M根天线取值为k;
所述多用户太赫兹阵列安全调制方法,包括如下步骤:
步骤1、调整发射天线权重,具体为:发射机通过可编程放大器控制发送信号的权重,实现天线权重最优化;
其中,每根天线的权重以选通概率p选择权重1,以概率1-p选择权重k,当k=(1-M)/(N- M)时,非目标用户方向噪声最大,天线权重达到最优;
其中,每个组合矢量包含N根发射天线权重,且每根发射天线权重为k或1;
其中,上标T表示共轭转置,上标-1表示取逆矩阵;
2.根据权利要求1所述的一种基于交叉熵迭代的多用户太赫兹阵列安全调制方法,其特征在于:依托的多用户太赫兹阵列系统中的信道为二维x-y平面太赫兹信道,且为接收机与发射机之间的可视路径链路。
3.根据权利要求2所述的一种基于交叉熵迭代的多用户太赫兹阵列安全调制方法,其特征在于:依托的多用户太赫兹阵列系统中,窃听用户位于非目标用户方向上。
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