基于空間傅里葉變換的方向調(diào)制信號(hào)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于空間傅里葉變換的方向調(diào)制信號(hào)設(shè)計(jì)方法，屬于無(wú)線通信技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無(wú)線通信技術(shù)在不同行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，通信信息在傳輸過(guò)程中的安全性問(wèn) 題越發(fā)引起人們的關(guān)注。由于傳輸媒介開(kāi)發(fā)性的特點(diǎn)，竊聽(tīng)者可以與合法用戶(hù)一樣接收到 包含相同通信信息的無(wú)線傳輸電波。傳統(tǒng)的解決方案都是采用密鑰和安全傳輸協(xié)議來(lái)保證 傳輸信息的安全性，但隨著竊聽(tīng)者計(jì)算能力的增強(qiáng)和新型無(wú)中心網(wǎng)絡(luò)不便于密鑰的管理和 分配的原因，傳統(tǒng)的安全解決方案受到越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。物理層安全是近年來(lái)在香農(nóng)信息 論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的利用無(wú)線通信系統(tǒng)自身的特點(diǎn)來(lái)解決傳輸信息安全性的研究熱點(diǎn)。
[0003] M.P.Daly 在 IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 57, NO. 9, 2009 上發(fā)表了 "Directional modulation technique for phased array "文中提出了一種基于相控陣的方向調(diào)制物理層安全通信信號(hào)，利用遺傳算 法控制相控陣射頻端的相移器完成數(shù)字信號(hào)調(diào)制功能。這樣發(fā)射的信號(hào)在空間不同方位接 收信號(hào)具有不同的調(diào)制信號(hào)星座圖，在期望方向合法用戶(hù)接收信號(hào)星座圖與傳統(tǒng)基帶數(shù)字 調(diào)制信號(hào)相同，采用普通的數(shù)字通信接收機(jī)就可以正常的解調(diào)接收信號(hào)；而在非期望方位 接收信號(hào)星座點(diǎn)之間的相對(duì)相位關(guān)系產(chǎn)生畸變，竊聽(tīng)接收機(jī)從接收信號(hào)中無(wú)法解調(diào)出有用 的通信信息。但基于遺傳算法的方向調(diào)制信號(hào)設(shè)計(jì)方法存在如下的三方面問(wèn)題：（1)遺傳 算法目標(biāo)函數(shù)只考慮了單個(gè)期望方位設(shè)計(jì)出基帶數(shù)字調(diào)制信號(hào)，只適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單用戶(hù) 信道模型，如系統(tǒng)要求方向調(diào)制信號(hào)為覆蓋一定范圍的廣播信道如衛(wèi)星通信系統(tǒng)，或多用 戶(hù)接入的正交信道如移動(dòng)通信系統(tǒng)，采用遺傳算法都無(wú)法方便的求解；（2)遺傳算法目標(biāo) 函數(shù)只考慮了在空間期望方位設(shè)計(jì)出數(shù)字調(diào)制信號(hào)，未考慮非期望方位接收信號(hào)星座點(diǎn)之 間的相對(duì)相位關(guān)系的畸變程度，而這點(diǎn)是與竊聽(tīng)接收機(jī)竊聽(tīng)性能密切相關(guān)的，如果空間中 某些方位星座點(diǎn)之間的相對(duì)相位關(guān)系畸變程度未超過(guò)星座圖的判決門(mén)限，竊聽(tīng)接收機(jī)可以 通過(guò)多天線接收或累積的方式提高接收信號(hào)信噪比，這樣仍然可以從接收信號(hào)中解調(diào)出有 用的通信信息；（3)遺傳算法實(shí)現(xiàn)具有一定的復(fù)雜度，需要在全空間搜索目標(biāo)函數(shù)的解，雖 然 Y. Ding 在 IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PR0PAGATI0N，V0L· 62, NO. 1,2014 上發(fā) 表了"A Vector Approach for the Analysis and Synthesis of Directional Modulation Transmitters"文中提出了一種基于矢量綜合法的方向調(diào)制信號(hào)設(shè)計(jì)方法大大降低了算法 的復(fù)雜度，但文中也只考慮了單個(gè)用戶(hù)在期望方位的方向調(diào)制信號(hào)設(shè)計(jì)，并沒(méi)有解決（1) 和（2)所涉及的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題作出改進(jìn)，即本發(fā)明要提供一種基于空間傅 里葉變換的方向調(diào)制信號(hào)設(shè)計(jì)方法，該方法能夠使方向調(diào)制信號(hào)應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單用戶(hù)信 道通信模型、覆蓋一定方位角范圍的廣播信道模型和多用戶(hù)接入的正交信道模型?？朔?基于遺傳算法的方向調(diào)制信號(hào)和基于矢量合成法的方向調(diào)制信號(hào)只能應(yīng)用于單一的點(diǎn)對(duì) 點(diǎn)通信模型；本發(fā)明的方向調(diào)制信號(hào)發(fā)射機(jī)相控陣加權(quán)值與不同通信模型下建立的相位波 束空間覆蓋函數(shù)符合空間傅里葉變換對(duì)關(guān)系，采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法可以根據(jù)空間傅里葉 變換對(duì)得到不同通信模型下相控陣加權(quán)值，算法相比于遺傳算法和矢量合成法更加簡(jiǎn)單， 使得工程實(shí)現(xiàn)難度大大降低。具體地，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：
[0005] -種基于空間傅里葉變換的方向調(diào)制信號(hào)設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：
[0006] S1、針對(duì)不同的通信模型建立理想情況下期望的相位波束空間覆蓋函數(shù)；
[0007] S2、根據(jù)相位波束與方向調(diào)制信號(hào)發(fā)射機(jī)中相控陣陣元加權(quán)值之間的空間傅里葉 變換對(duì)關(guān)系得到相控陣陣元加權(quán)值，實(shí)現(xiàn)不同通信模型下方向調(diào)制信號(hào)的設(shè)計(jì)；
[0008] S3、對(duì)相控陣加權(quán)值的修正。
[0009] 進(jìn)一步的，Sl中不同通信模型下建立相應(yīng)的相位波束賦形函數(shù)：設(shè)期望的陣列輻 射方向圖函數(shù)S d(0)由下式表示：
[0010] sd(0) = |sd(0) |eJ-f(0) (I)
[0011] 其中：I sd(0) I為輻射方向圖的幅度函數(shù)，f(0)為輻射方向圖的相位函數(shù)；方向 調(diào)制信號(hào)在空間不同方位的誤碼性能由接收信號(hào)星座點(diǎn)之間的相對(duì)相位關(guān)系決定，即不同 符號(hào)對(duì)應(yīng)的相位函數(shù)f( Θ)決定。
[0012] 進(jìn)一步的，對(duì)于筆形相位波束點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道表達(dá)式為：
[0013]
[0014] 其中：0d表示期望接收機(jī)所在的空間方位信息，Δ Θ相位波束的半波束 寬度，f(9)的值在期望方位對(duì)應(yīng)于不同調(diào)制符號(hào)相位值，以QPSK調(diào)制符號(hào)為例
在期望方位滿(mǎn)足
[0015] 進(jìn)一步的，對(duì)于扇形相位波束的廣播信道表達(dá)式為：[0016]
、 - ⑶
[0017] 其中：表示扇形相位波束覆蓋的方位角范圍，f( Θ )的值在覆蓋范圍內(nèi)對(duì) 應(yīng)于不同調(diào)制符號(hào)相位值，在覆蓋范圍內(nèi)滿(mǎn)萬(wàn)
[0018] 進(jìn)一步的，對(duì)于多用戶(hù)的正交相位表達(dá)式為：
[0019]
(4):
[0020] 其中：m = 1，2,…，M表不系統(tǒng)中的第m個(gè)用戶(hù)，&，…，（分別表不第m個(gè)合法用 戶(hù)所在的空間方位信息，f\( Θ )，…，fM( Θ )的值應(yīng)于不同調(diào)制符號(hào)相位值，由于不同用戶(hù)的 通信信息不同，在對(duì)應(yīng)方位取值也不相同，但都滿(mǎn)足
[0021] 進(jìn)一步的，S2中求解相控陣加權(quán)值具體為：根據(jù)期望的輻射方向圖函數(shù)Sd( Θ )與 陣元加權(quán)值^之間的空間傅里葉變換對(duì)關(guān)系，陣元加權(quán)值w k可以表示如下：
(5)
[0023] 其中：u = π cos Θ ;將不同通信模型的表達(dá)式代入到式（5)，就可以得到不同通信 模型下相控陣的加權(quán)值w'k。
[0024] 進(jìn)一步的，S3中對(duì)相控陣加權(quán)值的修正：由于Sd(0)與w' k之間符合空間傅里葉 變換對(duì)的前提條件是發(fā)射陣元數(shù)目趨向于無(wú)窮，因此式（5)得到的陣元加權(quán)值只是理想加 權(quán)值的截短函數(shù)；為了保證在期望方位綜合出基帶數(shù)字調(diào)制信號(hào)，需要對(duì)式（5)得到的加 權(quán)值進(jìn)行修正。
[0025] 本發(fā)明的有益效果是：1、本發(fā)明中的基于空間傅里葉變換的方向調(diào)制信號(hào)設(shè)計(jì)方 法適用于不同通信模型下方向調(diào)制信號(hào)的設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)的基于遺傳算法的方向調(diào)制信 號(hào)設(shè)計(jì)方法和基于矢量合成的方向調(diào)制信號(hào)設(shè)計(jì)方法只適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單信道通信模型的 缺點(diǎn)。根據(jù)不同的方向調(diào)制信號(hào)設(shè)計(jì)要求建立相應(yīng)的相位波束函數(shù)，只需要通過(guò)空間傅里 葉變換就可以得到方向調(diào)制信號(hào)發(fā)射機(jī)相控陣的加權(quán)值，設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單直觀，易于工程實(shí) 現(xiàn)。
[0026] 2、本發(fā)明中的相位波束目標(biāo)函數(shù)不僅考慮了期望方位設(shè)計(jì)出基帶數(shù)字調(diào)制信號(hào)， 還考慮了非期望方位竊聽(tīng)接收機(jī)接收信號(hào)星座點(diǎn)之間的相對(duì)相位關(guān)系，保證在旁瓣方位不 出現(xiàn)于期望方位相似的接收信號(hào)星座點(diǎn)相對(duì)相位關(guān)系，保證了竊聽(tīng)接收機(jī)接收信號(hào)的畸變 程度，克服了傳統(tǒng)的基于遺傳算法的方向調(diào)制信號(hào)設(shè)計(jì)方法和基于矢量合成的方向調(diào)制信 號(hào)設(shè)計(jì)方法中只是以期望方位作為單一的目標(biāo)函數(shù)。
[0027] 3、本文提出的方向調(diào)制信號(hào)設(shè)計(jì)方法是基于空間傅里葉變換的，現(xiàn)實(shí)中工程實(shí)現(xiàn) 相比于基于遺傳算法的方向調(diào)制信號(hào)設(shè)計(jì)方法和基于矢量合成的方向調(diào)制信號(hào)設(shè)計(jì)方法 更加簡(jiǎn)單方便。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與本發(fā)明的實(shí) 施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：
[0029] 圖1為本發(fā)明的方向調(diào)制信號(hào)通信系統(tǒng)模型。
[0030] 圖2 (a)為理想情況下點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單用戶(hù)信道期望的相位波束賦形函數(shù)。
[0031] 圖2 (b)為理想情況下廣播信道期望的相位波束賦形函數(shù)。
[0032] 圖2 (c)為理想情況下正交信道期望的相位波束賦形函數(shù)。
[0033] 圖3 (a)筆形相位波束加權(quán)信號(hào)相對(duì)幅度圖。
[0034] 圖3 (b)筆形相位波束加權(quán)信號(hào)相位圖。
[0035] 圖4(a)筆形相位波束幅度函數(shù)。
[0036] 圖4(b)筆形相位波束相位函數(shù)。
[0037] 圖4 (C)筆形輻射方向圖函數(shù)傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)輻射方向圖函數(shù)。
[0038] 圖5(a)筆形相位波束方向調(diào)制信號(hào)不同方位接收信號(hào)星座圖。
[0039] 圖5(b)筆形輻射方向圖函數(shù)傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)不同方位接收信號(hào)星座圖。
[0040] 圖6 (a)筆形相位波束方向調(diào)制信號(hào)誤符號(hào)性能隨著方位角變化曲線。
[0041] 圖6(b)筆形相位波束方向調(diào)制信號(hào)誤符號(hào)性能隨著信噪比變化曲線。
[0042] 圖7 (a)扇形相位波束加權(quán)信號(hào)相對(duì)幅度圖。
[0043] 圖7 (b)扇形相位波束加權(quán)信號(hào)相位圖。
[0044] 圖8 (a)扇形相位波束幅度函數(shù)。
[0045] 圖8 (b)扇形相位波束相位函數(shù)。
[0046] 圖8 (c)扇