本發(fā)明屬于通信技術(shù)中的陣列信號處理領(lǐng)域，具體的說是涉及一種基于波束成形的動態(tài)方向調(diào)制方法。

背景技術(shù)：

無線通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用給生活帶來了很大的方便，由于無線通信是一個開放的系統(tǒng)，它在帶來方便的同時，安全性也是一個值得考慮和解決的問題。隨著對信息安全要求的提高，以及竊聽技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的安全方法受到越來越大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的安全技術(shù)亟待增強(qiáng)。物理層安全技術(shù)研究方向涉及的內(nèi)容是在竊聽接收機(jī)與期望接收具有相同的無線通信信號解調(diào)方法的條件下，如何在物理層實(shí)現(xiàn)無線通信信息安全的傳輸給接收機(jī)，而不是借助上層加密技術(shù)或保密通信協(xié)議等方法實(shí)現(xiàn)無線通信信息在物理層的安全傳輸。物理層安全技術(shù)目前成為通信安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)的無線通信發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號在各個方向上僅存在信噪比的差異，信號的格式完全一致，位于非期望方向的竊聽者使用高靈敏度的接收機(jī)就能夠?qū)崿F(xiàn)保密信息的截獲，針對這一情況來，近年來，研究者將多天線收發(fā)陣列應(yīng)用于物理層安全通信領(lǐng)域，提出了方向調(diào)制技術(shù)。該技術(shù)利用無線通信系統(tǒng)中多天線發(fā)射陣列直接在天線端綜合出具有方向特性的數(shù)字調(diào)制信號，從信號調(diào)制角度解決通信信息在傳輸過程中的安全性問題。方向調(diào)制信號具有很強(qiáng)的方向性，發(fā)射的無線通信信號在期望方位接收信號星座點(diǎn)之間的相對相位關(guān)系與基帶數(shù)字調(diào)制信號相同，合法用戶可以正常解調(diào)接收信號；而非期望方位竊聽接收機(jī)接收信號星座點(diǎn)之間的相對相位關(guān)系產(chǎn)生畸變，竊聽者無法從接收信號中解調(diào)通信信息。

方向調(diào)制系統(tǒng)能夠使非目標(biāo)方向的信號星座圖產(chǎn)生失真。根據(jù)目標(biāo)方向星座圖的變化，可以將方向調(diào)制系統(tǒng)分為靜態(tài)系統(tǒng)和動態(tài)系統(tǒng)。在靜態(tài)系統(tǒng)中，非目標(biāo)方向的星座圖失真是恒定的。而在動態(tài)系統(tǒng)中，非目標(biāo)方向的失真是隨著信息流動態(tài)變化的。因此，動態(tài)系統(tǒng)比靜態(tài)系統(tǒng)具有更高的安全性。傳統(tǒng)的方向調(diào)制動態(tài)系統(tǒng)有正交矢量法動態(tài)系統(tǒng)、切換天線陣系統(tǒng)和天線子集系統(tǒng)。正交矢量法動態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動態(tài)方向調(diào)制的方法是：以符號速率不斷更新在期望方向的信道矩陣的復(fù)共軛轉(zhuǎn)置的零域的正交基，然后再與激勵權(quán)重相組合；切換天線陣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動態(tài)方向調(diào)制的方法是：將天線陣進(jìn)行分組，在不同的時間內(nèi)選擇不同的天線組進(jìn)行傳輸，每次傳輸前要對天線進(jìn)行綜合以達(dá)到方向調(diào)制的效果；天線子集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動態(tài)方向調(diào)制的方法：在天線陣較大的情況下，如N根天線組成的線陣，在不同的時間內(nèi)在天線陣中隨機(jī)選擇M<N根天線進(jìn)行傳輸，每次都有進(jìn)行天線的綜合。這些方法在進(jìn)行動態(tài)方向調(diào)制時，都需要對天線進(jìn)行多次綜合，要想綜合能達(dá)到很好的效果，對算法的要求較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，針對上述問題，提出一種在對天線進(jìn)行一次綜合的情況下就能實(shí)現(xiàn)動態(tài)方向調(diào)制的方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種基于波束成形的動態(tài)方向調(diào)制方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、建立波束成形的天線遠(yuǎn)場模型如下公式1：

其中，θ是信號入射角，法線設(shè)定為90°，N為陣列天線數(shù)，

S2、將將調(diào)制星座圖分為幅度AMP和相位PHASE兩部分，即單個星座點(diǎn)值為AMP(x)e^jPHASE(x)，其中x為第x個星座點(diǎn)，AMP為針對最外圍幅度進(jìn)行歸一化后的幅度；

S3、利用陣列天線數(shù)N，設(shè)定目標(biāo)星座圖，最外圍星圖點(diǎn)幅度N1，其中0<N1≤N，設(shè)定各個星座點(diǎn)在天線遠(yuǎn)場輻射目標(biāo)值為N1*AMP(x)e^jPHASE(x)；

S4、合成期望目標(biāo)星座點(diǎn)，具體方法為：

S41、建立利用相控陣天線權(quán)值合成星座點(diǎn)的模型如下公式2所示：

其中，中的φ_i為通過遺傳算法或者粒子群算法進(jìn)行求全局求解后獲得的數(shù)值，使其和等于期望星座點(diǎn)N1*AMP(x)e^jPHASE(x)；

S42、利用非數(shù)值算法綜合星座圖，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為第x個星座點(diǎn)AMP(x)e^jPHASE(x)，通過多次迭代進(jìn)行求解最優(yōu)值的x組N個

S5、假設(shè)已知安全接收方向θ，通過傳統(tǒng)波束成形算法獲得N個天線陣元的權(quán)值

S6、在靜態(tài)方向調(diào)制系統(tǒng)中：將步驟S4和步驟S5結(jié)合獲得優(yōu)化天線陣元權(quán)值作為新的發(fā)射天線陣元權(quán)值；

在動態(tài)方向調(diào)制系統(tǒng)中：將N個天線陣元的權(quán)值進(jìn)行順序隨機(jī)打亂，形成一定數(shù)量的N個天線陣元的權(quán)值組，再分別與陣因子相乘，得到不同的優(yōu)化的最終天線陣元權(quán)值；

S7、將基帶調(diào)制信號進(jìn)行分類，按照不同的符號對應(yīng)不同的天線陣元組進(jìn)行映射，其中不同的符號周期，采用不同的天線陣元順序；在進(jìn)行信號發(fā)射中，通過不同符號的映射每發(fā)射一個符號映射一次相應(yīng)的天線權(quán)值，形成在期望方向上動態(tài)方向調(diào)制。

本發(fā)明的有益效果是：相對于傳統(tǒng)技術(shù)，本發(fā)明的方法具有更強(qiáng)的安全性，只需要進(jìn)行一次天線權(quán)值的綜合，從而極大減少了計(jì)算復(fù)雜度，同時，使用方向調(diào)制的方法進(jìn)行陣元權(quán)值的更新替代基帶調(diào)制，保證了期望方向的安全性和波束成形增益的非降低性。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)的16APSK信號經(jīng)過波束成形網(wǎng)絡(luò)形成的星座圖與基于波束成形的動態(tài)方向調(diào)制的16APSK星座圖對比示意圖；

圖2為不同角度上，16APSK的相位圖；

圖3為選取幾個角度，16APSK未經(jīng)信道的星座圖，其中(a)為非期望方向星座圖，(b)為非期望方向星座圖，(c)為期望方向星座圖；

圖4為不同角度上，16APSK經(jīng)過信道后的誤碼率對比示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案：

本發(fā)明的核心思想是利用直線均勻線陣的波束成形實(shí)現(xiàn)動態(tài)方向調(diào)制。

本發(fā)明用于在空間中實(shí)現(xiàn)陣列增益和方向調(diào)制的安全性結(jié)合，基本模型為陣列天線在遠(yuǎn)場所形成的電磁場值：

其中，代表傳輸方向的波數(shù)矢量，和代表接收點(diǎn)位置矢量和各個陣元距離值。

對于全向天線陣元單個天線的方向圖AP_n(θ)＝1(n＝1,2...N),同時在線陣中使用半波長作為陣元間距,所以天線的遠(yuǎn)場E可以定義為公式

其中，θ是信號入射角，法線設(shè)定為90o，相位中心點(diǎn)設(shè)定為陣列中心。

實(shí)施例：

以16APSK調(diào)制星座圖為例，本例包括以下步驟：

S1：建立不同于傳統(tǒng)波束成形的天線遠(yuǎn)場模型：

假設(shè)天線陣列數(shù)為N＝16，陣元間距為λ/2；

通過公式可以看出來，其不同的調(diào)制符號中，遠(yuǎn)場輻射矢量是一致的，通過在不同調(diào)制符號引入新的自由度能夠有效的增強(qiáng)其輻射電場的安全性。

在方向調(diào)制(DM)中，G_mn隨著D_m的變化進(jìn)行不停的更新，將當(dāng)成一個新的復(fù)數(shù)增益G_mn'來控制波束成形網(wǎng)絡(luò)同時代替基帶D_m進(jìn)行調(diào)制，也可以將其看成一種新的天線權(quán)值；

S2：將16APSK調(diào)制星座圖分為外圈幅度1，內(nèi)圈幅度0.5540，8+8APSK調(diào)制，內(nèi)圈相位為π/8初始相位，以π/4為相位間隔，8個相位，外圈相位為0初始相位，以π/4為相位間隔，8個相位。同時按照原定義的AMP(x)e^jPHASE(x)進(jìn)行分布，其中x為第x個星座點(diǎn)，AMP為以最外圍幅度進(jìn)行歸一化后的幅度。

S3：利用陣列天線數(shù)16，設(shè)定目標(biāo)星座圖最外圍星圖點(diǎn)幅度16，那么設(shè)定各個星座點(diǎn)在在天線遠(yuǎn)場輻射目標(biāo)值為16*AMP(x)e^jPHASE(x).

S4：設(shè)定經(jīng)過陣列信號的權(quán)值的變化，合成期望目標(biāo)星座點(diǎn)，具體步驟如下：

S41：建立利用相控陣天線權(quán)值合成星座點(diǎn)的模型如下：

其中，中的φ_i為通過遺傳算法或者粒子群算法等進(jìn)行求全局解后獲得的數(shù)值，使其和等于期望星座點(diǎn)16*AMP(x)e^jPHASE(x)；

S42：利用非數(shù)值算法例如遺傳算法綜合星座圖，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為第x個星座點(diǎn)AMP(x)e^jPHASE(x)，通過多次迭代進(jìn)行求解最優(yōu)值的x組16個

S421：隨機(jī)生成10000個二進(jìn)制遺傳個體；

S422：設(shè)定相控陣的范圍-pi～+pi，將隨機(jī)生成的二進(jìn)制序列范圍設(shè)定為相控陣范圍，一一對應(yīng)，求目標(biāo)函數(shù)值設(shè)定N＝16；

S423：計(jì)算個體適應(yīng)值；

S424：選擇、單點(diǎn)重組交叉；

S425：交叉變異；

S426：二進(jìn)制到十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，然后計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值；

S427：再次迭代，設(shè)定遺傳代數(shù)為50代，保存最優(yōu)值；

S5:假設(shè)已經(jīng)通過DOA估計(jì)算法或者預(yù)先指定期望安全接收方向θ，通過傳統(tǒng)波束成形算法如(LCMV)算法等獲得16個天線陣元的權(quán)值

S6：將16個天線陣元的權(quán)值順序不斷隨機(jī)化，形成很多數(shù)量的16個天線陣元的權(quán)值組，不同的符號用不同的優(yōu)化天線陣元權(quán)值組作為新的發(fā)射天線陣元權(quán)值；

S7：將基帶調(diào)制信號進(jìn)行分類，按照不同的符號對應(yīng)不同的天線陣元組進(jìn)行映射。在進(jìn)行實(shí)際信號發(fā)射中，通過不同符號的映射每發(fā)射一個符號映射一次相應(yīng)的天線權(quán)值，便形成了在期望方向上的高階方向調(diào)制。

下面將其他相關(guān)算法同本發(fā)明方法的算法性能對比分析，以進(jìn)一步驗(yàn)證本發(fā)明的性能。

采用了四個方面來度量算法的有效性，一個是用經(jīng)過傳統(tǒng)基帶調(diào)制后經(jīng)過16陣元天線后形成的星座圖和經(jīng)過本方法實(shí)現(xiàn)的星座圖進(jìn)行對比；一個是用是不同角度的相位圖驗(yàn)證動態(tài)方向調(diào)制的效果；一個是在非期望角度和期望角度在幾種不同順序權(quán)值綜合下的星座圖畸變情況；一個是使用傳統(tǒng)誤碼率曲線說明本方法實(shí)現(xiàn)的方向調(diào)制的安全性是有效的，只在期望方向的誤碼率隨著誤碼率升高而降低，而非期望方向隨著誤碼率升高無改變。

圖1為傳統(tǒng)星座圖和本方法產(chǎn)生星座圖對比(都是添加了陣列增益后的)，圓圈的為傳統(tǒng)星座圖點(diǎn)，打叉的為本方法星座圖點(diǎn)，可以看得出來，其完全重合。

圖2為不同角度上，16APSK的相位圖，可以看出只有在目標(biāo)角度60度才有明顯的相位交點(diǎn)，其他角度相位產(chǎn)生畸變并且不斷隨信息流變化。

圖3為選取幾個角度，16APSK未經(jīng)信道的星座圖。圖3(a)和圖3(b)是非期望方向的星座圖，可以看出星座點(diǎn)發(fā)生了畸變，且會隨著信息流不斷發(fā)生變化。圖3(c)是期望方向的星座圖，沒有產(chǎn)生畸變。

圖4為四個不同方向的誤碼率曲線，可以看到在期望角度60°上隨著誤碼率升高而降低，而非期望方向隨著誤碼率升高無改變。

綜上所述，本發(fā)明提出了一個新的基于波束成形的實(shí)現(xiàn)動態(tài)方向調(diào)制方法。通過算法對天線進(jìn)行一次綜合求出一組天線權(quán)值，在不同的符號周期內(nèi)天線權(quán)值不需要重新計(jì)算，只需要將天線權(quán)值數(shù)據(jù)隨機(jī)變化順序，然后選取其中一組天線權(quán)值進(jìn)行綜合，這樣實(shí)現(xiàn)了低復(fù)雜度的動態(tài)方向調(diào)制。使用方向調(diào)制的方法進(jìn)行陣元權(quán)值的更新來實(shí)現(xiàn)代替基帶調(diào)制。本發(fā)明提出的算法可以在降低復(fù)雜度的情況下實(shí)現(xiàn)動態(tài)方向調(diào)制的安全性。