CN113242073B - 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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CN113242073B CN202110775286.0A CN202110775286A CN113242073B CN 113242073 B CN113242073 B CN 113242073B CN 202110775286 A CN202110775286 A CN 202110775286A CN 113242073 B CN113242073 B CN 113242073B
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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

一种基于交叉熵迭代的多用户太赫兹阵列安全调制方法
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，发射天线阵列共包含
Figure 637089DEST_PATH_IMAGE001
根天线，且天线之间的距离为
Figure 487121DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 598296DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 546661DEST_PATH_IMAGE004
为载波波长；
所述信道为二维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，在方向角
Figure 452300DEST_PATH_IMAGE005
的信道
Figure 548432DEST_PATH_IMAGE006
为(1)：
Figure 932140DEST_PATH_IMAGE007
(1)
其中，可视路径链路，即Line of Sight，简称LOS；
所述目标用户的数量为
Figure 62907DEST_PATH_IMAGE008
个，分别位于发射机的方向角
Figure 139447DEST_PATH_IMAGE009
上；
所述窃听用户位于非目标用户方向上；
所述发射机与
Figure 657629DEST_PATH_IMAGE008
个目标用户之间的
Figure 907344DEST_PATH_IMAGE008
个信道组成传输信道矩阵
Figure 830301DEST_PATH_IMAGE010
，其中，上标T表示共轭转置；
其中，发射机模拟波束赋形装置的天线权重取值为
Figure 140060DEST_PATH_IMAGE011
或
Figure 148467DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 201874DEST_PATH_IMAGE011
的不同取值代表安全通信不同的波束赋形模式，在共
Figure 979337DEST_PATH_IMAGE001
根天线的天线权重中，有
Figure 459997DEST_PATH_IMAGE013
根天线取值为
Figure 690121DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 547218DEST_PATH_IMAGE014
根天线取值为
Figure 179188DEST_PATH_IMAGE011
；
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；
其中，每根天线的权重以选通概率
Figure 768432DEST_PATH_IMAGE015
选择权重
Figure 813749DEST_PATH_IMAGE012
，以概率
Figure 146641DEST_PATH_IMAGE016
选择权重
Figure 695434DEST_PATH_IMAGE011
，当
Figure 724089DEST_PATH_IMAGE017
时，非目标用户方向噪声最大，天线权重达到最优；
步骤2、交叉熵算法初始化，令迭代次数
Figure 991122DEST_PATH_IMAGE018
，每根天线初始选通概率
Figure 862126DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 468688DEST_PATH_IMAGE001
根天线的选通概率组成天线选通概率向量
Figure 727631DEST_PATH_IMAGE020
；
步骤3、根据天线选通概率向量
Figure 154064DEST_PATH_IMAGE020
生成
Figure 156655DEST_PATH_IMAGE021
个天线组合矢量；
其中，每个组合矢量包含
Figure 617723DEST_PATH_IMAGE001
根发射天线权重，且每根发射天线权重为
Figure 781989DEST_PATH_IMAGE011
或1；
步骤4、将模拟波束赋形矩阵
Figure 961297DEST_PATH_IMAGE022
的每一列与天线组合矢量
Figure 502000DEST_PATH_IMAGE023
点乘，得到选择后的模拟波束赋形矩阵
Figure 817575DEST_PATH_IMAGE024
；
其中，模拟波束赋形矩阵
Figure 418320DEST_PATH_IMAGE022
为传输信道矩阵
Figure 819346DEST_PATH_IMAGE025
的共轭转置矩阵；
步骤5、将传输信道矩阵
Figure 163739DEST_PATH_IMAGE025
与选择后的模拟波束赋形矩阵
Figure 596470DEST_PATH_IMAGE024
相乘，得出等效信道
Figure 102538DEST_PATH_IMAGE026
；
步骤6、根据迫零准则，针对等效信道设计数字波束赋形矩阵
Figure 256439DEST_PATH_IMAGE027
，具体为：
数字波束赋形矩阵
Figure 138944DEST_PATH_IMAGE027
通过(2)计算：
Figure 429111DEST_PATH_IMAGE028
(2)
其中，上标
Figure 106080DEST_PATH_IMAGE029
表示共轭转置，上标
Figure 481698DEST_PATH_IMAGE030
表示取逆矩阵；
步骤7、计算每个天线组合优化的目标函数为
Figure 167894DEST_PATH_IMAGE031
，并对
Figure 312568DEST_PATH_IMAGE021
个天线组合的目标函数按照从小到大排序，即按照方向图旁瓣能量从低到高排序；
其中，所述天线组合优化的目标函数
Figure 426017DEST_PATH_IMAGE031
，中的每个目标函数，包括如下两种：
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；
步骤8、取前
Figure 288931DEST_PATH_IMAGE032
个天线组合，计算天线选通概率向量的迭代值
Figure 513239DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 777998DEST_PATH_IMAGE033
计算方式为(3)：
Figure 32DEST_PATH_IMAGE034
(3)
其中，
Figure 146980DEST_PATH_IMAGE035
表示前
Figure 127310DEST_PATH_IMAGE032
个天线组合中第
Figure 308893DEST_PATH_IMAGE036
个天线组合中
Figure 701828DEST_PATH_IMAGE001
根发射天线的权重，
Figure 601651DEST_PATH_IMAGE037
；
步骤9、判断迭代次数
Figure 105444DEST_PATH_IMAGE038
是否达到迭代次数
Figure 141534DEST_PATH_IMAGE039
，如果未达到，则
Figure 705370DEST_PATH_IMAGE038
自增1，转至步骤3进行下一次迭代；如果已达到迭代次数
Figure 826910DEST_PATH_IMAGE039
，则结束交叉熵算法，输出模拟波束赋形矩阵
Figure 134394DEST_PATH_IMAGE024
和数字波束赋形矩阵
Figure 290569DEST_PATH_IMAGE027
；
步骤10、信号发送，具体为：发射机发送信号
Figure 25307DEST_PATH_IMAGE040
给
Figure 634143DEST_PATH_IMAGE008
个目标用户；
其中，
Figure 479739DEST_PATH_IMAGE041
表示
Figure 490421DEST_PATH_IMAGE042
的转置,
Figure 396060DEST_PATH_IMAGE043
是发射机发送给第k个目标用户的信号，
Figure 492192DEST_PATH_IMAGE044
；
步骤11、信号接收，具体为：
Figure 138549DEST_PATH_IMAGE008
个目标用户接收到信号
Figure 269316DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 345857DEST_PATH_IMAGE046
是第k个目标用户接收到的信号，
Figure 663705DEST_PATH_IMAGE044
，接收信号
Figure 116683DEST_PATH_IMAGE047
通过(4)得到：
Figure 101957DEST_PATH_IMAGE048
(4)
其中，
Figure 349399DEST_PATH_IMAGE049
表示
Figure 154544DEST_PATH_IMAGE050
的转置；
Figure 145633DEST_PATH_IMAGE051
为步骤4提到的选择后的模拟波束赋形矩阵，
Figure 985413DEST_PATH_IMAGE052
是步骤6提到的数字波束赋形矩阵，
Figure 403756DEST_PATH_IMAGE053
为复高斯白噪声；
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，发射天线阵列共包含
Figure 961777DEST_PATH_IMAGE054
根天线，且天线之间的距离为
Figure 490978DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 450844DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 40088DEST_PATH_IMAGE004
为载波波长；
所述信道为二维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，在方向角
Figure 819825DEST_PATH_IMAGE005
的信道
Figure 155648DEST_PATH_IMAGE006
为(5)：
Figure 723682DEST_PATH_IMAGE055
(5)
其中，可视路径链路，即Line of Sight，简称LOS；
所述目标用户的数量为
Figure 280565DEST_PATH_IMAGE056
个，分别位于发射机的方向角36°、80°、140°上；
所述窃听用户位于发射机的方向角110°上；
所述发射机与
Figure 547598DEST_PATH_IMAGE008
个目标用户之间的
Figure 887444DEST_PATH_IMAGE008
个信道组成传输信道矩阵
Figure 556323DEST_PATH_IMAGE010
，其中，上标
Figure 487370DEST_PATH_IMAGE029
表示共轭转置；
其中，发射机模拟波束赋形装置的天线权重取值为
Figure 976120DEST_PATH_IMAGE011
或
Figure 978711DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 640112DEST_PATH_IMAGE011
的不同取值代表安全通信不同的波束赋形模式，在共
Figure 804377DEST_PATH_IMAGE001
根天线的天线权重中，有
Figure 780423DEST_PATH_IMAGE013
根天线取值为
Figure 321126DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 839963DEST_PATH_IMAGE014
根天线取值为
Figure 440709DEST_PATH_IMAGE011
；
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；
其中，每根天线的权重以选通概率
Figure 841734DEST_PATH_IMAGE015
选择权重
Figure 186128DEST_PATH_IMAGE012
，以概率
Figure 152947DEST_PATH_IMAGE016
选择权重
Figure 924594DEST_PATH_IMAGE011
；
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）、
Figure 16178DEST_PATH_IMAGE057
，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；
2）、
Figure 898683DEST_PATH_IMAGE058
，即为选通天线子集模拟波束赋形，选通天线子集模拟波束赋形使用射频开关来控制每个天线是否发送调制信号，从而实现安全通信；
3）、
Figure 985588DEST_PATH_IMAGE059
，即为反向天线子集模拟波束赋形，反向天线子集模拟波束赋形通过选择发送调制信号或者调制信号的反来实现安全通信，与选通天线子集模拟波束赋形一样，都是在非目标用户方向上形成噪声来实现安全通信；
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
Figure 928136DEST_PATH_IMAGE017
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；
步骤2、交叉熵算法初始化，令迭代次数
Figure 303754DEST_PATH_IMAGE018
，每根天线初始选通概率
Figure 989950DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure 340815DEST_PATH_IMAGE001
根天线的选通概率组成天线选通概率向量
Figure 454265DEST_PATH_IMAGE020
；
步骤3、根据天线选通概率向量
Figure 113916DEST_PATH_IMAGE020
生成
Figure 338224DEST_PATH_IMAGE061
个天线组合矢量；
其中，每个组合矢量包含
Figure 806246DEST_PATH_IMAGE001
根发射天线权重，且每根发射天线权重为
Figure 825018DEST_PATH_IMAGE011
或1；
步骤4、将模拟波束赋形矩阵
Figure 971965DEST_PATH_IMAGE022
的每一列与天线组合矢量
Figure 999964DEST_PATH_IMAGE023
点乘，得到选择后的模拟波束赋形矩阵
Figure 119230DEST_PATH_IMAGE024
；
其中，模拟波束赋形矩阵
Figure 651447DEST_PATH_IMAGE022
为传输信道矩阵
Figure 223374DEST_PATH_IMAGE025
的共轭转置矩阵；
步骤5、将传输信道矩阵
Figure 727168DEST_PATH_IMAGE025
与选择后的模拟波束赋形矩阵
Figure 966519DEST_PATH_IMAGE024
相乘，得出等效信道
Figure 470968DEST_PATH_IMAGE026
；
步骤6、根据迫零准则，针对等效信道设计数字波束赋形矩阵
Figure 530191DEST_PATH_IMAGE027
，具体为：
数字波束赋形矩阵
Figure 837676DEST_PATH_IMAGE027
通过(6)计算：
Figure 931534DEST_PATH_IMAGE028
(6)
其中，上标
Figure 437512DEST_PATH_IMAGE029
表示共轭转置，上标
Figure 718452DEST_PATH_IMAGE030
表示取逆矩阵；
步骤7、计算每个天线组合优化的目标函数为
Figure 564048DEST_PATH_IMAGE031
，并对
Figure 574729DEST_PATH_IMAGE021
个天线组合的目标函数按照从小到大排序，即按照方向图旁瓣能量从低到高排序；
其中，所述天线组合优化的目标函数
Figure 480368DEST_PATH_IMAGE031
，中的每个目标函数，包括如下两种：
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；
步骤8、取前
Figure 576500DEST_PATH_IMAGE062
个天线组合，计算天线选通概率向量的迭代值
Figure 225787DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 90975DEST_PATH_IMAGE033
计算方式为(7)：
Figure 433095DEST_PATH_IMAGE034
(7)
其中，
Figure 688627DEST_PATH_IMAGE035
表示前
Figure 203922DEST_PATH_IMAGE032
个天线组合中第
Figure 861299DEST_PATH_IMAGE036
个天线组合中
Figure 171058DEST_PATH_IMAGE001
根发射天线的权重，
Figure 176535DEST_PATH_IMAGE037
；
步骤9、判断迭代次数
Figure 229942DEST_PATH_IMAGE063
是否达到迭代次数
Figure 7405DEST_PATH_IMAGE064
，如果未达到，则
Figure 488065DEST_PATH_IMAGE063
自增1，转至步骤3进行下一次迭代；如果已达到迭代次数
Figure 983769DEST_PATH_IMAGE039
，则结束交叉熵算法，输出模拟波束赋形矩阵
Figure 575287DEST_PATH_IMAGE024
和数字波束赋形矩阵
Figure 207256DEST_PATH_IMAGE027
；
步骤10、信号发送，具体为：发射机发送信号
Figure 62080DEST_PATH_IMAGE040
给
Figure 841817DEST_PATH_IMAGE008
个目标用户；
其中，
Figure 174710DEST_PATH_IMAGE041
表示
Figure 989082DEST_PATH_IMAGE042
的转置,
Figure 749227DEST_PATH_IMAGE043
是发射机发送给第k个目标用户的信号，
Figure 16261DEST_PATH_IMAGE044
；
步骤11、信号接收，具体为：
Figure 152844DEST_PATH_IMAGE008
个目标用户接收到信号
Figure 821723DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 743981DEST_PATH_IMAGE046
是第k个目标用户接收到的信号，
Figure 435993DEST_PATH_IMAGE044
，接收信号
Figure 173005DEST_PATH_IMAGE047
通过(8)得到：
Figure 634073DEST_PATH_IMAGE048
(8)
其中，
Figure 63918DEST_PATH_IMAGE049
表示
Figure 243226DEST_PATH_IMAGE050
的转置；
Figure 518350DEST_PATH_IMAGE024
为步骤4提到的选择后的模拟波束赋形矩阵，
Figure 99504DEST_PATH_IMAGE027
是步骤6提到的数字波束赋形矩阵，
Figure 434670DEST_PATH_IMAGE065
为复高斯白噪声；
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；
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，发射天线阵列共包含
Figure 762039DEST_PATH_IMAGE001
根天线，且天线之间的距离为d，
Figure 286037DEST_PATH_IMAGE002
，λ为载波波长；
所述信道为接收机与发射机之间的可视路径链路信道，在方向角θ的信道
Figure 331353DEST_PATH_IMAGE003
为(1)：
Figure 664246DEST_PATH_IMAGE004
(1)
其中，可视路径链路，即Line of Sight，简称LOS；
所述目标用户的数量为K个，分别位于发射机的方向角
Figure 150722DEST_PATH_IMAGE005
上；
所述发射机与K个目标用户之间的K个信道组成传输信道矩阵
Figure 238764DEST_PATH_IMAGE006
，其中，上标T表示共轭转置；
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；
步骤2、交叉熵算法初始化，令迭代次数i=0，每根天线初始选通概率
Figure 443480DEST_PATH_IMAGE007
，N根天线的选通概率组成天线选通概率向量
Figure 580063DEST_PATH_IMAGE008
；
步骤3、根据天线选通概率向量
Figure 983363DEST_PATH_IMAGE008
生成
Figure 179989DEST_PATH_IMAGE009
个天线组合矢量；
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；
步骤4、将模拟波束赋形矩阵
Figure 872001DEST_PATH_IMAGE010
的每一列与天线组合矢量b点乘，得到选择后的模拟波束赋形矩阵
Figure 609013DEST_PATH_IMAGE011
；
步骤5、将传输信道矩阵H与选择后的模拟波束赋形矩阵
Figure 960096DEST_PATH_IMAGE011
相乘，得出等效信道
Figure 327624DEST_PATH_IMAGE012
；
步骤6、根据迫零准则，针对等效信道设计数字波束赋形矩阵
Figure 303670DEST_PATH_IMAGE013
，具体为：
数字波束赋形矩阵
Figure 782056DEST_PATH_IMAGE014
通过(2)计算：
Figure 300893DEST_PATH_IMAGE015
(2)
其中，上标T表示共轭转置，上标-1表示取逆矩阵；
步骤7、计算每个天线组合优化的目标函数为
Figure 72278DEST_PATH_IMAGE016
，并对
Figure 741812DEST_PATH_IMAGE009
个天线组合的目标函数按照从小到大排序，即按照方向图旁瓣能量从低到高排序；
步骤8、取前
Figure 758310DEST_PATH_IMAGE017
个天线组合，计算天线选通概率向量的迭代值
Figure 256287DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 700038DEST_PATH_IMAGE018
计算方式为(3)：
Figure 853939DEST_PATH_IMAGE019
(3)
其中，
Figure 234979DEST_PATH_IMAGE020
表示前
Figure 197250DEST_PATH_IMAGE021
个天线组合中第l个天线组合中N根发射天线的权重，
Figure 343061DEST_PATH_IMAGE022
；
步骤9、判断迭代次数i是否达到迭代次数
Figure 780995DEST_PATH_IMAGE023
，如果未达到，则i自增1，转至步骤3进行下一次迭代；如果已达到迭代次数
Figure 873716DEST_PATH_IMAGE023
，则结束交叉熵算法，输出模拟波束赋形矩阵
Figure 540759DEST_PATH_IMAGE011
和数字波束赋形矩阵
Figure 388629DEST_PATH_IMAGE024
；
步骤10、信号发送，具体为：发射机发送信号
Figure 251543DEST_PATH_IMAGE025
给K个目标用户；
其中，
Figure 147955DEST_PATH_IMAGE026
表示
Figure 475031DEST_PATH_IMAGE027
的转置,
Figure 962644DEST_PATH_IMAGE028
是发射机发送给第k个目标用户的信号，
Figure 375171DEST_PATH_IMAGE029
；
步骤11、信号接收，具体为：K个目标用户接收到信号
Figure 809695DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 928960DEST_PATH_IMAGE031
是第k个目标用户接收到的信号，
Figure 384212DEST_PATH_IMAGE029
，接收信号y通过(4)得到：
Figure 487298DEST_PATH_IMAGE032
(4)
其中，
Figure 410998DEST_PATH_IMAGE033
表示
Figure 384770DEST_PATH_IMAGE034
的转置；
Figure 948607DEST_PATH_IMAGE035
为步骤4提到的选择后的模拟波束赋形矩阵，
Figure 335726DEST_PATH_IMAGE024
是步骤6提到的数字波束赋形矩阵，n为复高斯白噪声。
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。
4.根据权利要求3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，发射机模拟波束赋形装置的天线权重
Figure 377631DEST_PATH_IMAGE036
的不同取值代表安全通信不同的波束赋形模式。
5.根据权利要求4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：步骤4中，模拟波束赋形矩阵
Figure 533806DEST_PATH_IMAGE010
为传输信道矩阵H的共轭转置矩阵。
6.根据权利要求5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：步骤7中，所述天线组合优化的目标函数
Figure 537053DEST_PATH_IMAGE016
中的每个目标函数，包括如下两种：
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。
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《信号处理》2017年总目次;《信号处理》;20171225(第12期) *

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