本發(fā)明涉及無線通信物理層安全傳輸技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于隨機(jī)頻率分集陣列和方向調(diào)制的精準(zhǔn)無線安全傳輸技術(shù)。

背景技術(shù)：

作為一項(xiàng)新興的物理層安全技術(shù)，方向調(diào)制在最近幾年得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。在傳統(tǒng)的波束成形系統(tǒng)中，主瓣直接指向期望方向，以保證可靠的傳輸。此類方法在預(yù)定方向能夠得到最大的接收功率，但在旁瓣上卻可能出現(xiàn)信息的泄漏。方向調(diào)制系統(tǒng)可以保證期望方向的安全傳輸，同時(shí)扭曲所有其他方向上信號(hào)的星座圖。即使竊聽端接收到的信號(hào)功率與期望方向相同甚至更高，也不能對(duì)信息進(jìn)行準(zhǔn)確修復(fù)。如附圖8所示的方向調(diào)制原理，由于標(biāo)準(zhǔn)的qpsk調(diào)制信號(hào)經(jīng)過方向調(diào)制系統(tǒng)的有關(guān)處理，在竊聽者1和竊聽者2處，qpsk星座圖扭曲的十分嚴(yán)重，幾乎沒有被正確恢復(fù)出來的可能性。而在期望用戶處，星座圖只會(huì)發(fā)生幅度上等比例的伸縮，很容易恢復(fù)有用信號(hào)。

目前方向調(diào)制的方法主要分為兩類，一種是利用射頻端元器件的組合來實(shí)現(xiàn)，另外一種側(cè)重于基帶信號(hào)的算法設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。但是基于射頻端元器件的方案受限于有限的天線陣列結(jié)構(gòu)排布、高速rf開關(guān)和高精度的相移器，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高，成本高昂，制約方向調(diào)制走向?qū)嵱没?。另外，由于元器件的排列缺乏靈活性，信號(hào)星座圖的變化范圍較小，竊聽者通過一段時(shí)間的觀察可以發(fā)現(xiàn)其中變化的規(guī)律，從而可以破譯有用信息。相比于前者，基于基帶信號(hào)處理的方案優(yōu)勢(shì)明顯，通過加入與期望方向垂直的人為干擾噪聲，信號(hào)的星座圖保持動(dòng)態(tài)變化，從而使竊聽者不能追蹤星座圖軌跡變化的規(guī)律，從而無法破解。

之前關(guān)于方向調(diào)制的研究是建立在相控天線陣列基礎(chǔ)上，在這些研究中，通常會(huì)默認(rèn)竊聽者與期望接收者的方向角不相同。但是在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景下，竊聽者往往處于靜默狀態(tài)，也就是不會(huì)主動(dòng)向外傳輸能量，發(fā)射機(jī)并不知道竊聽者的準(zhǔn)確位置，所以竊聽者同樣有可能會(huì)位于期望方向上。這就使得信息的傳輸不再安全。

頻率分集陣列可以生成可控的距離-角度波束圖，給解決上述問題帶來了希望，但是傳統(tǒng)的頻率分集陣列，也就是線性頻率分集陣列，生成的波束圖中距離和角度會(huì)出現(xiàn)耦合現(xiàn)象，周期性的在一些非期望的角度和距離的位置出現(xiàn)安全漏洞。最近有學(xué)者提出的隨機(jī)頻率分集陣列通過將隨機(jī)分配陣列中每個(gè)陣元的發(fā)射頻率，從而去除了波束圖里面的距離和角度的耦合。本發(fā)明中提出的基于隨機(jī)頻率分集陣列的方向調(diào)制，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的精準(zhǔn)通信。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種基于隨機(jī)頻率分集陣列和方向調(diào)制的精準(zhǔn)無線安全傳輸技術(shù)，通過使用隨機(jī)頻率分集陣列和人為干擾噪聲，使得方向調(diào)制算法支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的精準(zhǔn)通信，以充分提高物理層傳輸?shù)陌踩浴?/p>

1.一種基于隨機(jī)頻率分集陣列和方向調(diào)制的精準(zhǔn)無線安全傳輸技術(shù)，在本發(fā)明中，采用隨機(jī)頻率分集陣列和人為噪聲來增強(qiáng)無線通信物理層傳輸?shù)陌踩?。相比傳統(tǒng)的基于相控天線陣列的方向調(diào)制技術(shù)，本發(fā)明將安全傳輸從一維(角度)提升為二維(距離和角度)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)傳輸。基于隨機(jī)頻率分集的方向調(diào)制信號(hào)合成的具體過程包括：

(1)每個(gè)陣元的載波頻率在一定帶寬內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)映射，

fn＝fc+knδf,n＝0,1,...,n-1(1.12)

其中，fc是中心載波頻率，δf是頻率增量。kn是隨機(jī)頻率映射因子，其分布滿足隨機(jī)分布，例如，連續(xù)均勻分布和離散均勻分布。

以連續(xù)隨機(jī)均勻分布為例，kn的取值范圍是的概率密度函數(shù)是

(2)隨機(jī)頻率分集陣列的第n個(gè)天線陣元的相位偏移為

發(fā)射機(jī)陣列的導(dǎo)向向量表示為

(3)人工噪聲向量z由n個(gè)功率為1的復(fù)高斯變量組成，即z～cn(0,in)，其中，in表示n×n的單位矩陣，通常z與h(θd,rd)不在同一平面。向量ζh(θd,rd)位于h(θd,rd)平面內(nèi)，z-ζh(θd,rd)與h(θd,rd)平面正交。因此，對(duì)于ζ，使得向量z-ζh(θd,rd)與h(θd,rd)正交，因而，我們得到

h^h(θd,rd)(z-ζh(θd,rd))＝0(1.16)

通過上式，可以得到

將ζ代入z-ζh(θd,rd)中，可以得到

z-ζh(θd,rd)＝(in-h(θd,rd)h^h(θd,rd))z(1.18)

我們發(fā)現(xiàn)矩陣(in-h(θd,rd)h^h(θd,rd))可以將向量z投影到h^h(θd,rd)的零空間。因此，我們定義投影矩陣如下

p(θd,rd)＝in-h^h(θd,rd)h(θd,rd)(1.19)

可以得到歸一化的人為干擾噪聲向量

基帶發(fā)送信號(hào)可以表示為

其中，x為復(fù)信號(hào)星座圖的符號(hào)，其平均功率滿足e[||x||²]＝1。這里的e[]表示期望運(yùn)算，||||表示復(fù)數(shù)的范數(shù)。在式(1.10)中，ps是平均發(fā)射功率，α是功率分配因子。此外，v表示激勵(lì)信號(hào)向量，用于保存沿θd方向發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)星座圖。由于期望方向的導(dǎo)向向量為h(θd,rd)，因此我們定義v＝h(θd,rd)。

(4)通過使用統(tǒng)計(jì)理論和矩陣?yán)碚摗１景l(fā)明的遍歷安全速率下界為

通過此閉合表達(dá)式的數(shù)值計(jì)算，可以獲得最佳的功率分配因子α。

進(jìn)一步地，所述的算法工作在視距(lineofsight，los)信道環(huán)境中。

進(jìn)一步地，所述的算法中期望接收機(jī)和竊聽接收機(jī)的天線數(shù)為1。

進(jìn)一步地，所述的算法中隨機(jī)頻率映射因子kn在每一幀數(shù)據(jù)發(fā)射后重新分配以防止

竊聽者追蹤星座圖的變化趨勢(shì)從而破譯出有用信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述的算法中隨機(jī)頻率增量的變化范圍滿足max{n,m}·δffc

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說明

圖1示出了基于隨機(jī)頻率分集陣列和方向調(diào)制算法流程圖。

圖2示出了固定發(fā)射陣列陣元數(shù)目n，設(shè)置不同的信噪比μb的情況下，基于相控天線陣列的方向調(diào)制(pa-dm-an)、基于線性頻率分集陣列(lfda-dm-an)的方向調(diào)制和基于隨機(jī)頻率分集陣列(rfda-dm-an)的方向調(diào)制的安全速率變化曲線。

圖3、圖4和圖5中依次示出了三種方法(基于相控天線陣列的方向調(diào)制、基于線性頻率分集陣列的方向調(diào)制和基于隨機(jī)頻率分集陣列的方向調(diào)制)竊聽者導(dǎo)向向量h(θu,ru)和期望用戶導(dǎo)向向量h(θd,rd)的相關(guān)系數(shù)的三維圖。

圖6中示出了實(shí)際的平均遍歷安全速率(c)和平均遍歷安全速率的下界(clb)隨功率分配因子α的變化曲線。

圖7示出了隨機(jī)頻率映射因子kn在兩種隨機(jī)分布(連續(xù)均勻分布(continuousuniformdistribution)和離散均勻分布(discreteuniformdistribution))下，平均遍歷安全速率吞吐量隨功率分配因子α的變化曲線。

圖8示出了方向調(diào)制原理。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

1.一種基于隨機(jī)頻率分集陣列和方向調(diào)制的精準(zhǔn)無線安全傳輸技術(shù)，在本發(fā)明中，采用隨機(jī)頻率分集陣列和人為噪聲來增強(qiáng)無線通信物理層傳輸?shù)陌踩?。相比傳統(tǒng)的基于相控天線陣列的方向調(diào)制技術(shù)，本發(fā)明將安全傳輸從一維(角度)提升為二維(距離和角度)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)傳輸?；陔S機(jī)頻率分集的方向調(diào)制信號(hào)合成的具體過程包括：

(1)每個(gè)陣元的載波頻率在一定帶寬內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)映射，

fn＝fc+knδf,n＝0,1,...,n-1(1.23)

其中，fc是中心載波頻率，δf是頻率增量。kn是隨機(jī)頻率映射因子，其分布滿足隨機(jī)分布，例如，連續(xù)均勻分布和離散均勻分布。

以連續(xù)隨機(jī)均勻分布為例，kn的取值范圍是的概率密度函數(shù)是

(2)隨機(jī)頻率分集陣列的第n個(gè)天線陣元的相位偏移為

發(fā)射機(jī)陣列的導(dǎo)向向量表示為

(3)人工噪聲向量z由n個(gè)功率為1的復(fù)高斯變量組成，即z～cn(0,in)，其中，in表示n×n的單位矩陣，通常z與h(θd,rd)不在同一平面。向量ζh(θd,rd)位于h(θd,rd)平面內(nèi)，z-ζh(θd,rd)與h(θd,rd)平面正交。因此，對(duì)于ζ，使得向量z-ζh(θd,rd)與h(θd,rd)正交，因而，我們得到

h^h(θd,rd)(z-ζh(θd,rd))＝0(1.27)

通過上式，可以得到

將ζ代入z-ζh(θd,rd)中，可以得到

z-ζh(θd,rd)＝(in-h(θd,rd)h^h(θd,rd))z(1.29)

我們發(fā)現(xiàn)矩陣(in-h(θd,rd)h^h(θd,rd))可以將向量z投影到h^h(θd,rd)的零空間。因此，我們定義投影矩陣如下

p(θd,rd)＝in-h^h(θd,rd)h(θd,rd)(1.30)

可以得到歸一化的人為干擾噪聲向量

基帶發(fā)送信號(hào)可以表示為

其中，x為復(fù)信號(hào)星座圖的符號(hào)，其平均功率滿足e[||x||²]＝1。這里的e[]表示期望運(yùn)算，||||表示復(fù)數(shù)的范數(shù)。在式(1.10)中，ps是平均發(fā)射功率，α是功率分配因子。此外，v表示激勵(lì)信號(hào)向量，用于保存沿θd方向發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)星座圖。由于期望方向的導(dǎo)向向量為h(θd,rd)，因此我們定義v＝h(θd,rd)。

(4)通過使用統(tǒng)計(jì)理論和矩陣?yán)碚?。本發(fā)明的遍歷安全速率下界為

通過此閉合表達(dá)式的數(shù)值計(jì)算，可以獲得最佳的功率分配因子α。

作為優(yōu)選方案，所述的算法工作在視距(lineofsight，los)信道環(huán)境中。

作為優(yōu)選方案，所述的算法中期望接收機(jī)和竊聽接收機(jī)的天線數(shù)為1。

作為優(yōu)選方案，所述的算法中隨機(jī)頻率映射因子kn在每一幀數(shù)據(jù)發(fā)射后重新分配以

防止竊聽者追蹤星座圖的變化趨勢(shì)從而破譯出有用信號(hào)。

作為優(yōu)選方案，所述的算法中隨機(jī)頻率增量的變化范圍滿足max{n,m}·δffc

圖1示出一種基于隨機(jī)頻率分集陣列的方向調(diào)制實(shí)現(xiàn)流程圖。

圖2中反映了當(dāng)天線陣列陣元數(shù)為n＝32，期望接收機(jī)的位置為(45°,120m)，竊聽者的位置為(45°,239m)?；谙嗫靥炀€陣列的方向調(diào)制的安全速率為0，因?yàn)楦`聽者位于期望方向上?；诰€性頻率分集陣列的方向調(diào)制隨μb的變化安全速率很低，因?yàn)楦`聽者的位置剛好在因?yàn)榫€性頻率分集陣列距離和角度耦合現(xiàn)象出現(xiàn)的不安全區(qū)域。基于隨機(jī)頻率分集陣列的方向調(diào)制能夠克服上述兩種方法出現(xiàn)的問題，安全速率的變化曲線隨μb取值的變大而升高。從圖2可以看出本發(fā)明提出的方法可以顯著提高系統(tǒng)的安全傳輸速率。

圖3、圖4和圖5中依次反映了三種方法(基于相控天線陣列的方向調(diào)制、基于線性頻率分集陣列的方向調(diào)制和基于隨機(jī)頻率分集陣列的方向調(diào)制)竊聽者導(dǎo)向向量h(θu,ru)和期望用戶導(dǎo)向向量h(θd,rd)的相關(guān)系數(shù)的三維圖，圖中區(qū)域的顏色越淺代表兩者相關(guān)性越高，也就意味著越不安全。從圖中可知，基于相控天線陣列的方向調(diào)制在期望方向上是不安全的；基于線性頻率分集陣列的方向調(diào)制因?yàn)椴ㄊ鴪D出現(xiàn)距離和角度的耦合現(xiàn)象，導(dǎo)致一些不安全區(qū)域周期出現(xiàn)；基于隨機(jī)頻率分集陣列的方向調(diào)制只有當(dāng)竊聽者和期望接收者位置重合才會(huì)出現(xiàn)安全隱患。結(jié)果表明本發(fā)明提出的方法可以很好的提高系統(tǒng)的安全性。

圖6中反映了實(shí)際的平均遍歷安全速率(c)和平均遍歷安全速率的下界(clb)隨功率分配因子α的變化曲線?？梢钥闯龅腸lb與c的最佳功率分配因子很相近，且隨著天線數(shù)n的增加兩者進(jìn)一步靠近。這表明可以用clb的曲線來設(shè)置發(fā)射信號(hào)的最佳功率分配因子。

圖7中反映了連續(xù)均勻分布和離散均勻分布對(duì)本發(fā)明的性能影響，由于連續(xù)均勻分布使得kn分布更加隨機(jī)，帶來了一定的分集增益。同時(shí)根據(jù)μb不同的數(shù)值大小，可以看出當(dāng)信噪比較小的時(shí)候，最佳功率分配因子α的值為1，意味著所有的傳輸功率用來發(fā)射信號(hào)。