CN113395097A - 一种优化稀疏阵列的多播方向调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种优化稀疏阵列的多播方向调制方法，通过调节每个天线子集阵元相移器的值得到指向固定方向的波束；同时，由于每次均随机选择发送给不同方向接收机的天线子集，随机的天线子集选择，对于其他非理想方向相当于一种乘性噪声，从而很大程度上扰乱非理想方向接收到的信号实现安全通信的目标，通过模拟退火优化算法对激活的天线阵元进行选择，去除某些造成高旁瓣的稀疏天线阵列组合，减少信息的旁瓣泄露，保证通信安全。本发明结合基于天线子集选择的方向调制技术保证在目标接收方向信息的正常接收，而在其他非目标接收方向由于天线子集的随机组合对有用信息进行扰乱，非目标接收方向无法解析出有用信息，保证卫星多播物理层安全通信。

Description

一种优化稀疏阵列的多播方向调制方法

技术领域

本发明涉及物理层安全领域，尤其是基于方向调制的物理层安全技术，具体为一种多播方向调制方法。

背景技术

近些年，卫星通信发展态势迅猛，但是伴随带来的安全性问题也越来越显著。传统的安全机制主要依赖于数据链路层、网络层、传输层、应用层等上层加密算法，理论认为处在开放信道中的窃听者如果在有效时间内无法破解加密算法，则认为收发双方的通信安全得到了保证，因此传统的安全机制主要取决于保密算法的计算量。随着计算机能力的大幅提高，尤其是新型量子计算机、超级计算机技术的发展，传统的依赖于计算复杂度的加密算法收到了严峻的考验。研究者将注意力集中在无线通信的物理层，希望通过无线信道的特性来增强通信安全，为传统的安全体制外加一层保护屏障。方向调制作为一种新兴的多天线物理层安全技术其利用合法信道和窃听信道之间的差异，将有用信息发送到期望方向上，同时在非期望方向上将有用信息扰乱，进而实现更加安全可靠的无线信息传输。

目前常用的方向调制技术主要有：双波束方向调制、噪声叠加的方向调制技术、切换天线方向调制技术。

双波束方向调制：将正交调制的I路信号和Q路信号合成作用放在空间中完成，缺点表现为在非期望方向信号的星座图变化不够随机。

噪声叠加的方向调制技术：将人工噪声的概念与方向调制技术进行了结合，发送有用信号的同时，通过分配一定功率的人工噪声达到方向调制的目标，缺点表现在需要提前对发射机的功率进行合理分配。

切换天线方向调制技术：通过随机闭合或关闭射频通路，达到方向调制的目标，广泛应用于毫米波通信中，但存在部分天线子集组合会产生较高的旁瓣，对物理层安全造成威胁。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种优化稀疏阵列的多播方向调制方法，属于切换天线方向调制技术的大类，以卫星多播信息传输为背景，本发明通过模拟退火优化算法对激活的天线阵元进行选择，去除某些造成高旁瓣的稀疏天线阵列组合，减少信息的旁瓣泄露，保证了通信安全。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤为：

步骤一：发射信号

如图1所示，发射端放置一个均匀线阵，该均匀线阵由N个阵元组成，相邻阵元之间的距离为d，每个阵元均与一个射频链路相连接，射频链路包括功率放大器和相移器；存在L个位于不同方位的理想接收机，每发送一个符号，发射端会随机形成L个天线子集，每个天线子集包括M个阵元，即N＝M*L；通过调节每个天线子集阵元相移器的值得到指向固定方向的波束；同时，由于每次均随机选择发送给不同方向接收机的天线子集，随机的天线子集选择，对于其他非理想方向相当于一种乘性噪声，从而很大程度上扰乱非理想方向接收到的信号实现了安全通信的目标；

在一个窄带系统中，T时刻发送给L个理想接收方向的符号为：

其中，E_sl表示发送给第l个理想接收机的符号能量，φ_l表示发送给第l个理想接收机的符号相位；

因此，发射端传输信号的导向矢量表示为：

w_l表示属于第l个理想接收方向的加权导向矢量，对于每个符号，在不同方向所选择的天线子集完全不同，因此，引入b_l作为表征在某个理想接收方向天线子集的阵列形式，b_l中的元素取值非0即1，如果b_l中第i个元素b_li＝1，表示该位置的阵元被激活，如果b_l中第i个元素b_li＝0，表示该位置的阵元未被激活；由于每个天线子集激活的阵元数为一确定值M，因此||b_l||₁＝M，同时分配给每个方向的天线子集不存在相互重复的阵元，不同天线子阵列形式之间的内积为0，即b_m·b_n＝0，b_m、b_n分别表示第m、n个理想接收方向天线子集的阵列形式，因此第l个理想接收方向的加权导向矢量表示为：

h_l(θ_l)表示θ_l方向的信道导向矢量，对于N元均匀线阵：

其中，λ表示波长；

步骤二：接收信号

信息完全同步，则位于θ_l角度接收机的接收信号表示为：

其中，n表示叠加的噪声，服从复高斯分布；

在目标接收端收到的信号中保留有发射信号的全部信息，在多播系统中，接受端接收到的信号受到发送到其他方向信号的相互干扰，但这种干扰相比于信号功率是非常小的，可以比拟为方向图主瓣与旁瓣之间的相对大小，因此由于这种干扰而产生的星座点大幅度漂移的可能性是极小的，从而保证了理想方向上的信息的可靠接收。

以上描述了在已知天线子集的阵列形式b_l条件下多波方向调制的方法流程，采用模拟退火算法对天线子集的阵列形式b_l进行优化的步骤为：

确定所用阵列形式的数量为K，第k个阵列形式的产生过程如下：

步骤1：采用随机天线选择方法生成有P个天线子集阵列形式作为解空间；

步骤2：初始化初始温度T₀，温度衰减因子β，将解空间中的第一个解b₁₁,b₁₂,...,b_1L作为初始解；

步骤3：采用模拟退火算法进行迭代优化，迭代次数为P；

步骤4：每迭代P次，产生一个解，将解进行保存，回到步骤1，直到k＝K，完成对K个天线子集阵列形式的优化。

所述步骤3中，对于第i次迭代，2≤i≤P，迭代过程为：

步骤3.1：T_i＝βT_i-1，β＜1，设置最优解变量为b_temp1,b_temp2,b_temp3＝b₁₁,b₁₂,b₁₃；初始化迭代时，默认最优解变量为解空间的第一组解；

步骤3.2：解空间中按顺序抽取一组解记作：b_i1,b_i2,b_i3，2≤i≤P；

步骤3.3：计算目标函数的差值：ΔE＝E(b_i1,b_i2,b_i3)-E(b_temp1,b_temp2,b_temp3)，目标函数定义为旁瓣水平的最大值：

SLL表示旁瓣水平；

步骤3.4：如果ΔE＜0或

rand[0,1]表示从0与1之间随机选择一个数，则下一次迭代的初始值更新为：b_temp1,b_temp2,b_temp3＝b_i1,b_i2,b_i3；

步骤3.5：如果ΔE≥0且

下一次迭代的初始值保持不变b_temp1,b_temp2,b_temp3＝b_temp1,b_temp2,b_temp3；

步骤3.6：令i加1，如i＝P，则结束计算，否则回到步骤3.1继续迭代。

本发明的有益效果在于针对稀疏阵列本身存在旁瓣较高的缺点，采用模拟退火算法对稀疏阵列进行优化选择，淘汰旁瓣高的阵列组合，在一定程度抑制了主瓣能量的泄露，同时结合基于天线子集选择的方向调制技术保证在目标接收方向信息的正常接收，而在其他非目标接收方向由于天线子集的随机组合对有用信息进行扰乱，因此非目标接收方向无法解析出有用信息，进一步保证卫星多播物理层安全通信。

附图说明

图1是本发明优化稀疏阵列的多播方向调制方法系统模型图

图2是本发明的方法与随机天线子集选择方法生成的方向对比图。

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。

本发明提出了一种优化稀疏阵列的多播方向调制方法，通过模拟退火优化算法对激活的天线阵元进行选择，去除某些造成高旁瓣的稀疏天线阵列组合，减少信息的旁瓣泄露，保证了通信安全。以图1中的情景为例，发射端放置一个均匀线阵，该均匀线阵由90个阵元组成，相邻阵元之间的距离为d，每个阵元均与一个射频链路相连接，射频链路由功率放大器、相移器组成。假设存在3个位于不同方位的理想接收机，每发送一个符号，发射端会随机形成3个天线子集，每个天线子集包括30个阵元，即90＝30*3。

步骤一：发射信号

在一个窄带系统中，采用QPSK调制方式，T时刻发送给3个理想接收方向的符号为：

因此，发射端传输信号的导向矢量可以表示为：

w_l表示属于第l个理想接收方向的加权导向矢量，可以表示为：

h_l(θ_l)表示θ_l方向的信道导向矢量，对于90元均匀线阵：

采用模拟退火算法，优化天线子集的阵列形式b_l的步骤为：

1.确定所用阵列形式的数量为K＝500，第k个阵列形式的产生过程如下:

2.采用随机天线选择方法生成有P＝100个天线子集阵列形式作为解空间；

3.初始化初始温度T₀＝100，温度衰减因子0.6，将解空间中的第一个解b₁₁,b₁₂,b₁₃作为初始解；

4.采用模拟退火算法进行迭代优化，迭代次数为P＝100，对于第i(2≤i≤P)次迭代：

步骤4.1：T_i＝βT_i-1，设置最优解变量为b_temp1,b_temp2,b_temp3＝b₁₁,b₁₂,b₁₃；

步骤4.2：从解空间中按顺序抽取一组解记作：b_i1,b_i2,b_i3；

步骤4.3：计算目标函数的差值：ΔE＝E(b_i1,b_i2,b_i3)-E(b_temp1,b_temp2,b_temp3)，目标函数定义为旁瓣水平的最大值：

SLL表示旁瓣水平；

步骤4.4：如果ΔE＜0或

rand[0,1]，表示从0与1之间随机选择一个数，则下一次迭代最优解变量为：b_temp1,b_temp2,b_temp3＝b_i1,b_i2,b_i3；

步骤4.5：否则b_temp1,b_temp2,b_temp3＝b_temp1,b_temp2,b_temp3；

步骤4.6：i加1，回到步骤1)，直到i＝P；

5.每迭代P＝100次，产生一个解，进行保存。回到步骤1，直到k＝K。

步骤二：接收信号

假设拥有完美的同步信息，因此位于θ_l角度接收机的接收信号可以表示为：

在理想接收端收到的信号中保留有发射信号的全部信息。在多播系统中，接受端接收到的信号会受到发送到其他方向信号的相互干扰，但这种

干扰相比于信号功率是非常小的，可以比拟为方向图主瓣与旁瓣之间的相对大小，因此由于这种干扰而产生的星座点大幅度漂移的可能性是极小的，从而保证了理想方向上的信息的可靠接收。

图2为采用本发明的方法与传统的随机天线选择的方法所生成的的方向图的差异，证明通过模拟退火优化算法对激活的天线阵元进行选择，去除某些造成高旁瓣的稀疏天线阵列组合，改善信息旁瓣泄露的不足，保证了物理层通信的安全。

Claims (3)

1.一种优化稀疏阵列的多播方向调制方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一：发射信号

发射端放置一个均匀线阵，该均匀线阵由N个阵元组成，相邻阵元之间的距离为d，每个阵元均与一个射频链路相连接，射频链路包括功率放大器和相移器；存在L个位于不同方位的理想接收机，每发送一个符号，发射端会随机形成L个天线子集，每个天线子集包括M个阵元，即N＝M*L；通过调节每个天线子集阵元相移器的值得到指向固定方向的波束；同时，由于每次均随机选择发送给不同方向接收机的天线子集，随机的天线子集选择，对于其他非理想方向相当于一种乘性噪声，从而很大程度上扰乱非理想方向接收到的信号实现了安全通信的目标；

在一个窄带系统中，T时刻发送给L个理想接收方向的符号为：

其中，E_sl表示发送给第l个理想接收机的符号能量，φ_l表示发送给第l个理想接收机的符号相位；

因此，发射端传输信号的导向矢量表示为：

w_l表示属于第l个理想接收方向的加权导向矢量，对于每个符号，在不同方向所选择的天线子集完全不同，因此，引入b_l作为表征在某个理想接收方向天线子集的阵列形式，b_l中的元素取值非0即1，如果b_l中第i个元素b_li＝1，表示该位置的阵元被激活，如果b_l中第i个元素b_li＝0，表示该位置的阵元未被激活；由于每个天线子集激活的阵元数为一确定值M，因此||b_l||₁＝M，同时分配给每个方向的天线子集不存在相互重复的阵元，不同天线子阵列形式之间的内积为0，即b_m·b_n＝0，b_m、b_n分别表示第m、n个理想接收方向天线子集的阵列形式，因此第l个理想接收方向的加权导向矢量表示为：

h_l(θ_l)表示θ_l方向的信道导向矢量，对于N元均匀线阵：

其中，λ表示波长；

步骤二：接收信号

信息完全同步，则位于θ_l角度接收机的接收信号表示为：

其中，n表示叠加的噪声，服从复高斯分布；

在目标接收端收到的信号中保留有发射信号的全部信息，在多播系统中，接受端接收到的信号受到发送到其他方向信号的相互干扰，干扰产生的星座点大幅度漂移的可能性极小，从而保证了理想方向上的信息的可靠接收。

2.根据权利要求1所述的一种优化稀疏阵列的多播方向调制方法，其特征在于：

采用模拟退火算法对天线子集的阵列形式b_l进行优化的步骤为：

确定所用阵列形式的数量为K，第k个阵列形式的产生过程如下：

步骤1：采用随机天线选择方法生成有P个天线子集阵列形式作为解空间；

步骤2：初始化初始温度T₀，温度衰减因子β，将解空间中的第一个解b₁₁,b₁₂,...,b_1L作为初始解；

步骤3：采用模拟退火算法进行迭代优化，迭代次数为P；

步骤4：每迭代P次，产生一个解，将解进行保存，回到步骤1，直到k＝K，完成对K个天线子集阵列形式的优化。

3.根据权利要求2所述的一种优化稀疏阵列的多播方向调制方法，其特征在于：

所述步骤3中，对于第i次迭代，2≤i≤P，迭代过程为：

步骤3.1：T_i＝βT_i-1，β＜1，设置最优解变量为b_temp1,b_temp2,b_temp3＝b₁₁,b₁₂,b₁₃；初始化迭代时，默认最优解变量为解空间的第一组解；

步骤3.2：解空间中按顺序抽取一组解记作：b_i1,b_i2,b_i3，2≤i≤P；

步骤3.3：计算目标函数的差值：ΔE＝E(b_i1,b_i2,b_i3)-E(b_temp1,b_temp2,b_temp3)，目标函数定义为旁瓣水平的最大值：

SLL表示旁瓣水平；

步骤3.4：如果ΔE＜0或

rand[0,1]表示从0与1之间随机选择一个数，则下一次迭代的初始值更新为：b_temp1,b_temp2,b_temp3＝b_i1,b_i2,b_i3；

步骤3.5：如果ΔE≥0且

下一次迭代的初始值保持不变b_temp1,b_temp2,b_temp3＝b_temp1,b_temp2,b_temp3；

步骤3.6：令i加1，如i＝P，则结束计算，否则回到步骤3.1继续迭代。

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