CN114978625A - 基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法，该方法为：利用双功能雷达通信基站在T1时刻发射带有人工噪声的信号，检测给定目标范围是否存在窃听者；根据基站所接收的雷达回波进行分析，得到雷达的性能指标即检测概率β和虚警概率α，根据在T1时刻的雷达性能指标，设计T2时刻所发射信号的波束成型向量：建立物理层安全的优化问题模型；通过忽略秩‑1，并利用matlab的cvx工具箱，根据半正定松弛SDR技术进行求解，再利用高斯随机化近似，得到最优的雷达通信一体化波束成形矩阵。本发明在秘密通信的速率方面得到较大的提升，能够有效的抑制Eve的窃听速率，增强下行链路用户的传输速率。

Description

基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法。

背景技术

随着连接设备数量的增加和频谱分配的低效，必须找到一个合适的额外频谱资源来满足用户的基本需求，其中雷达频段被广泛认为是最佳候选之一。

目前有两种方法来实现雷达和通信频谱共享(RCSS)：第一种是雷达-通信共存(RCC)，通过设计有效的干扰消除和管理技术，使雷达-通信两者相互不干扰。另一种是双功能雷达-通信系统(DFRC)，其特点是雷达和通信除了共享同一个频谱外，还共享同一个硬件平台，通过设计一个综合信号处理方案，同时实现通信和雷达感知功能。

DFRC技术的意义和应用远远超出了频谱利用率的提高，能够进一步应用于各种新的民用和军用场景，包括车联网、室内定位隐蔽通信。目前对于雷达通信一体化物理层安全的问题，主要是对于人工噪声的优化和对于传输信号波束成型向量和雷达波形矩阵的设计，但是现有的波束成型设计，存在秘密通信速率较低的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法，能够有效的抑制Eve的窃听速率，增强下行链路用户的传输速率。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法，利用双功能雷达通信基站在T1时刻发射长度为m带有人工噪声的信号，对给定目标范围进行雷达检测，检测是否存在窃听者Eve；根据基站所接收的雷达回波进行分析，得到雷达的性能指标即检测概率β和虚警概率α，根据在T1时刻的雷达性能指标，设计T2时刻所发射信号的波束成型向量。

进一步地，具体步骤如下：

步骤1、利用雷达通信一体化的特性来得到回波的二元假设；

步骤2、利用二元假设得出雷达的技术指标，即检测概率β和虚警概率α；

步骤3、根据所得到的雷达的技术指标，得到所使用的物理层安全的技术指标；

步骤4、根据技术指标，建立物理层安全的优化问题模型；

步骤5、通过忽略秩-1，并利用matlab的cvx工具箱，根据半正定松弛SDR技术进行求解，再利用高斯随机化近似，得到最优的雷达通信一体化波束成形矩阵。

进一步地，所述步骤1，具体为：

雷达通信基站会先发射一组带有人工噪声的波形矩阵，用于防止在未知是否存在窃听者的情况之下被窃听者窃听，利用回波的特性做出雷达的二元假设。

进一步地，所述步骤3，具体为：

所使用的物理层安全的技术指标为：

SR＝mSR₁+1/2(M-m)((α+β)SR₁+(1-α)SR₂)

其中SR代表着总的安全速率，SR₁代表在T1时刻的安全速率，SR₂代表在T2时刻的安全速率，M代表总的发射符号长度，m代表T1时刻发射符号长度。

进一步地，步骤4中，建立物理层安全的优化问题模型，具体为：

s.t.tr(U_i)＝1

tr(R_χ)＝P_t

m≤M

0≤P_z≤P_t

其中W_i＝w_iw_i ^H表示信号的波束成型向量矩阵，U_i＝u_iu_i ^H表示噪声信号矩阵，R_χ表示发射信号的协方差矩阵，p_z表示人工噪声发射功率，P_t则为发射信号的总功率。

进一步地，步骤1中，利用雷达通信一体化的特性来得到回波的二元假设，具体如下：

(1)雷达接收回波向量

针对由N根天线组成的线性均匀天线阵列的双功能雷达通信矩阵，下行链路中服务K个用户，并且在雷达检测范围内可能存在窃听者Eve，根据二元假设则雷达检测回波向量Y_A(t)表示为：

Y_A(t)＝V

其中

代表无效假设，即在雷达的探测范围内没有现有目标；

代表备选假设，即在探测范围内确实有目标；其中

和

分别为雷达截面RCS因子和发射信号矩阵；τ′和V则分别表示为时延和噪声，并且假设有相等的引导向量A(θ)＝a(θ)a(θ)^H其中

则推导出雷达性能指标，即检测概率

和虚警概率

对于发射信号向量x仍然存在着二元假设问题表示为：

其中w_i表示为信号的波束成型向量，u_i表示为噪声信号向量，P_z则表示人工噪声的功率，s_i发射信号符号；

(2)理想雷达方向图设计

理想的雷达图案设计优化方程表示为

s.t.tr(R_χ)＝P_t,

t≥0

其中R_χ表示这发射信号的协方差矩阵，R_d则为理想的雷达方向图，这里的θ_i表示目标所在角度信息，t和P(θ_i)为优化系数和优化图像；

(3)人工噪声矩阵设计

通过调制方式的星座图来判断噪声是否为有益的人工噪声，具体的优化方程表示为

s.t.arg(s_i)-π/M≤arg(q_i)≤arg(s_i)+π/M

其中的q_i表示第i个调制符号和第i个信道增益的积，s_i则表示所发射的第i个调制符号；

将求得的最优解定义为

将剩下的噪声向量定义为d₂＝d-d_k，信道向量定义为h₂＝h-h_k，将剩下噪声波束成形向量映射到信道的零空间，表示为

则人工噪声向量表示为：

u_i＝e₁z_k+E₂z₂

进一步地，在T1时刻的安全速率SR₁，在T2时刻的安全速率SR₂，定义为：

其中R_Bi和R_Ei分别表示下行链路中第i个用户速率和窃听者速率。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)通过雷达的性能指标检测概率和虚警概率，得出所使用的秘密通信的性能指标，能够最大化秘密传输速率，同时雷达通信一体化系统也能够增加频谱利用率；(2)设计了对于下行链路有积极影响的有益噪声，并且利用双功雷达通信基站的特点传输不同的雷达通信信号的波形；(3)能够有效的利用雷达的优势，从而提高整体的秘密通信速率，并能够有效的抑制Eve的窃听速率，增强下行链路用户的传输速率。

附图说明

图1是本发明基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法的流程图。

图2是DFRC-BS信号发射流程图。

图3是在不同理想雷达相似度的情况下雷达的方向图。

图4是人工噪声和符号长度不同时秘密通信速率的曲线图。

具体实施方式

本发明一种基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法，为了最大化秘密速率，首先利用双功能雷达通信基站在T1时刻发射长度为m带有人工噪声的信号，对给定目标范围进行雷达检测，检测是否存在窃听者Eve；根据基站所接收的雷达回波进行分析，得到雷达的性能指标即检测概率β和虚警概率α，根据在T1时刻的雷达性能指标，设计T2时刻所发射信号的波束成型向量。具体步骤包括：

步骤1、利用雷达通信一体化的特性来得到回波的二元假设；

步骤2、利用二元假设得出雷达的技术指标，即检测概率β和虚警概率α；

步骤3、根据所得到的雷达的技术指标，得到所使用的物理层安全的技术指标；

步骤4、根据技术指标，建立物理层安全的优化问题模型；

步骤5、通过忽略秩-1，并利用matlab的cvx工具箱，根据半正定松弛(Semidefinite relaxation,SDR)技术进行求解，再利用高斯随机化近似，得到最优的雷达通信一体化波束成形矩阵。

作为一种具体实施方式，所述步骤1，具体为：

雷达通信基站会先发射一组带有人工噪声的波形矩阵，用于防止在未知是否存在窃听者的情况之下被窃听者窃听，利用回波的特性做出雷达的二元假设。

作为一种具体实施方式，所述步骤3，具体为：

所使用的物理层安全的技术指标为：

SR＝mSR₁+1/2(M-m)((α+β)SR₁+(1-α)SR₂)

其中SR代表着总的安全速率，SR₁代表在T1时刻的安全速率，SR₂代表在T2时刻的安全速率，M代表总的发射符号长度，m代表T1时刻发射符号长度。

作为一种具体实施方式，步骤4中，建立物理层安全的优化问题模型，具体为：

s.t.tr(U_i)＝1

tr(R_χ)＝P_t

m≤M

0≤P_z≤P_t

其中W_i＝w_iw_i ^H表示信号的波束成型向量矩阵，U_i＝u_iu_i ^H表示噪声信号矩阵，R_χ表示发射信号的协方差矩阵，p_z表示人工噪声发射功率，P_t则为发射信号的总功率。

本发明基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法，选择性利用双功能雷达的特点设计在不同情况之下设计不同的波束成型向量。利用调制的星座图，从中找到对于用户端有益的1维噪声，通过对信道向量的零空间映射，得出对下行链路传输没有影响的噪声向量。所提出的波束成型的设计方法能够最大化秘密传输速率，同时雷达通信一体化系统也能够增加频谱利用率。

下面结合附图和具体实例，进一步阐明本发明，应理解这些实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。

实施例

结合图1，本实施例提供一种基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法，能够有效的抑制Eve的窃听速率，增强下行链路用户的传输速率。

(1)雷达接收回波向量：

考虑由N根天线组成的线性均匀天线阵列的双功能雷达通信矩阵(DFRC BS)，下行链路中服务K个用户，并且在雷达检测范围内可能存在窃听者(Eve)，根据二元假设则雷达检测回波向量Y_A(t)可以表示为：

Y_A(t)＝V.

其中

代表无效假设，即在雷达的探测范围内没有现有目标，

代表备选假设，即在探测范围内确实有目标，其中

和

分别为雷达截面(RCS)因子和发射信号矩阵，τ′和V则分别表示为时延和噪声，并且假设有相等的引导向量.A(θ)＝a(θ)a(θ)^H其中

则可以推导出雷达性能指标，即检测概率

和虚警概率

对于发射信号向量x仍然存在着二元假设问题表示为：

其中w_i表示为信号的波束成型向量，u_i表示为噪声信号向量，P_z则表示人工噪声的功率，s_i发射信号符号。

(2)理想雷达方向图设计：

对于雷达端来说理想的方向图案决定了雷达检测性能的关键因素，则对于理想的雷达图案设计优化方程可以表示为

s.t.tr(R_χ)＝P_t,

t≥0.

其中R_χ表示这发射信号的协方差矩阵，R_d则为理想的雷达方向图，这里的θ_i表示目标所在角度信息，t和P(θ_i)为优化系数和优化图像。

(3)人工噪声矩阵设计

通过调制方式的星座图来判断噪声是否为有益的人工噪声，具体的优化方程可以表示为

max Re(q_i)Re(s_i)+Im(q_i)Im(s_i),

i

s.t.arg(s_i)-π/M≤arg(q_i)≤arg(s_i)+π/M.

其中的q_i表示第i个调制符号和第i个信道增益的积，s_i则表示所发射的第i个调制符号。将求得的最优解定义为

将剩下的噪声向量定义为d₂＝d-d_k，信道向量定义为h₂＝h-h_k，将剩下噪声波束成形向量映射到信道的零空间，表示为

则对与人工噪声向量可以表示为

u_i＝e₁z_k+E₂z₂

(4)设计优化方程求解

将T1和T2时刻所得到的秘密传输速率定义为

其中R_Bi＝log₂(1+γ_Bi)和R_Ei＝log₂(1+γ_Ei)分别表示下行链路中第i个用户速率和窃听者速率，其中γ代表着信号干扰噪声比，β和α分别是检测概率和虚警概率，M为发射符号长度，m为T1时刻发射符号长度。

(5)建立优化方程求解最优波束成型矩阵

s.t.tr(U_i)＝1

tr(R_χ)＝P_t

m≤M

0≤P_z≤P_t

其中W_i＝w_iw_i ^H表示为信号的波束成型向量矩阵，U_i＝u_iu_i ^H表示为噪声信号矩阵，R_d则为理想情况下的波束成型图像，R_X表示为发射信号的协方差矩阵，p_z表示人工噪声发射功率，P_t则为发射信号的总功率。

利用半定松弛技术进行求解，最后通过MATLAB的CVX工具包得出最优的波束成型矩阵。

图2为DFRC-BS信号发射流程图，图3为不同波束形成方式下的雷达波束模式N＝16，K＝4，P_t＝30dBm，P_z＝3dBm，

γ_b＝30dBm，图4为安全速率的曲线N＝16，K＝4，P_t＝30dBm，

综上可知，本发明选择性利用双功能雷达的特点设计在不同情况之下设计不同的波束成型向量；利用调试的星座图找到对于用户端有益的1维噪声，通过对信道向量的零空间映射，得出不干扰下行链路传输的噪声向量；与传统的物理层安全的波束成型设计相比，在秘密通信的速率方面得到较大的提升，并且得出了新的秘密速率的性能指标，能够有效的抑制Eve的窃听速率，增强下行链路用户的传输速率。

Claims (7)

1.一种基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法，其特征在于，利用双功能雷达通信基站在T1时刻发射长度为m带有人工噪声的信号，对给定目标范围进行雷达检测，检测是否存在窃听者Eve；根据基站所接收的雷达回波进行分析，得到雷达的性能指标即检测概率β和虚警概率α，根据在T1时刻的雷达性能指标，设计T2时刻所发射信号的波束成型向量。

2.根据权利要求1所述的基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1、利用雷达通信一体化的特性来得到回波的二元假设；

步骤2、利用二元假设得出雷达的技术指标，即检测概率β和虚警概率α；

步骤3、根据所得到的雷达的技术指标，得到所使用的物理层安全的技术指标；

步骤4、根据技术指标，建立物理层安全的优化问题模型；

步骤5、通过忽略秩-1，并利用matlab的cvx工具箱，根据半正定松弛SDR技术进行求解，再利用高斯随机化近似，得到最优的雷达通信一体化波束成形矩阵。

3.根据权利要求2所述的基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法，其特征在于，所述步骤1，具体为：

雷达通信基站会先发射一组带有人工噪声的波形矩阵，用于防止在未知是否存在窃听者的情况之下被窃听者窃听，利用回波的特性做出雷达的二元假设。

4.根据权利要求3所述的基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法，其特征在于，所述步骤3，具体为：

所使用的物理层安全的技术指标为：

SR＝mSR₁+1/2(M-m)((α+β)SR₁+(1-α)SR₂)

其中SR代表着总的安全速率，SR₁代表在T1时刻的安全速率，SR₂代表在T2时刻的安全速率，M代表总的发射符号长度，m代表T1时刻发射符号长度。

5.根据权利要求4所述的基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法，其特征在于，步骤4中，建立物理层安全的优化问题模型，具体为：

s.t.tr(U_i)＝1

tr(R_χ)＝P_t

m≤M

0≤P_z≤P_t

其中W_i＝w_iw_i ^H表示信号的波束成型向量矩阵，U_i＝u_iu_i ^H表示噪声信号矩阵，R_χ表示发射信号的协方差矩阵，p_z表示人工噪声发射功率，P_t则为发射信号的总功率。

6.根据权利要求5所述的基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法，其特征在于，步骤1中，利用雷达通信一体化的特性来得到回波的二元假设，具体如下：

(1)雷达接收回波向量

针对由N根天线组成的线性均匀天线阵列的双功能雷达通信矩阵，下行链路中服务K个用户，并且在雷达检测范围内可能存在窃听者Eve，根据二元假设则雷达检测回波向量Y_A(t)表示为：

Y_A(t)＝V

其中

代表无效假设，即在雷达的探测范围内没有现有目标；

代表备选假设，即在探测范围内确实有目标；其中

和

分别为雷达截面RCS因子和发射信号矩阵；τ′和V则分别表示为时延和噪声，并且假设有相等的引导向量A(θ)＝a(θ)a(θ)^H其中

则推导出雷达性能指标，即检测概率

和虚警概率

对于发射信号向量x仍然存在着二元假设问题表示为：

其中w_i表示为信号的波束成型向量，u_i表示为噪声信号向量，P_z则表示人工噪声的功率，s_i发射信号符号；

(2)理想雷达方向图设计

理想的雷达图案设计优化方程表示为

s.t.tr(R_χ)＝P_t,

R_d≥0,

t≥0

其中R_χ表示这发射信号的协方差矩阵，R_d则为理想的雷达方向图，这里的θ_i表示目标所在角度信息，t和P(θ_i)为优化系数和优化图像；

(3)人工噪声矩阵设计

通过调制方式的星座图来判断噪声是否为有益的人工噪声，具体的优化方程表示为

s.t.arg(s_i)-π/M≤arg(q_i)≤arg(s_i)+π/M

其中的q_i表示第i个调制符号和第i个信道增益的积，s_i则表示所发射的第i个调制符号；

将求得的最优解定义为

将剩下的噪声向量定义为d₂＝d-d_k，信道向量定义为h₂＝h-h_k，将剩下噪声波束成形向量映射到信道的零空间，表示为

则人工噪声向量表示为：

u_i＝e₁z_k+E₂z₂。

7.根据权利要求6所述的基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法，其特征在于，在T1时刻的安全速率SR₁，在T2时刻的安全速率SR₂，定义为：

其中R_Bi和R_Ei分别表示下行链路中第i个用户速率和窃听者速率。

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