CN106788652B - 基于波束成形的高阶方向调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术中的阵列信号处理领域，运用在进行需要进行防窃听通信的高速率传输中，实现方法是基于波束成形的高阶方向调制。本发明提供一种基于波束成形的高阶方向调制方法。本发明方法是是在对于高阶调制的时候利用波束成形的增益放大倍数实现不同幅度的调制,并且尽量逼近传统的波束成形增益。使用方向调制的方法进行阵元权值的更新替代基带调制，同时保证了期望方向的安全性和波束成形增益的非降低性。

Description

基于波束成形的高阶方向调制方法
技术领域
本发明属于通信技术中的阵列信号处理领域，运用在进行需要进行防窃听通信的高速率传输中，实现方法是基于波束成形的高阶方向调制。
背景技术
随着无线通信技术在不同行业中的广泛应用，通信信息在传输过程中的安全性问题越发引起人们的关注。传统的解决方案都是采用密钥和安全传输协议来保证通信信息的安全性，但随着窃听者计算能力的增强和新型无中心网络的发展，传统方式的安全方案受到越来越多的挑战。物理层安全是近年来在香农信息论基础上发展起来的利用无线通信***自身的特点来解决传输信息安全性的研究热点，如人工噪声辅助物理层安全通信***、基于编码技术的物理层安全通信***和基于博弈理论的协作物理层安全通信***。
传统的无线通信发射机都是在基带实现数字通信信息的调制,然后上变频到射频,调制射频信号经过放大器激励发射天线或天线阵辐射通信信息。以这种方式发射的无线通信信号,窃听接收机在旁瓣中接收信号包含的信息与主瓣期望接收机接收信号相同,唯一的不同之处在于接收信号的信噪比不同,如果窃听接收机足够的灵敏度仍然可以从接收信号中解调出有用的通信信息。针对这一情况来，近年来，研究者将多天线收发阵列应用于物理层安全通信领域，提出了方向调制技术。该技术利用无线通信***中多天线发射阵列直接在天线端综合出具有方向特性的数字调制信号，从信号调制角度解决通信信息在传输过程中的安全性问题。发射的无线通信信号在期望方位接收信号星座点之间的相对相位关系与基带数字调制信号相同，合法用户可以正常解调接收信号；而非期望方位窃听接收机接收信号星座点之间的相对相位关系产生畸变，窃听者无法从接收信号中解调通信信息。
传统的方向调制技术一般利用相控阵天线的N根天线不同相移值的变化在天线远端综合出想要的星座图，现阶段的方向调制一般是在恒包络的条件下进行有限的调制，而为了实现更高阶的星座图调制，需要考虑不同幅度的调制和不同相位点的调制问题，本文提出一个新的思路，通过波束成形增益实现不同幅度的调制，同时尽量减少损失由于方向调制带来的增益损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于波束成形的高阶方向调制方法。本发明方法是是在对于高阶调制的时候利用波束成形的增益放大倍数实现不同幅度的调制,并且尽量逼近传统的波束成形增益。
为了方便理解，首先介绍本发明使用的模型：
本发明用于在空间中实现阵列增益和方向调制的安全性结合，基本模型为阵列天线在远场所形成的电磁场值：
Figure BDA0001232007440000021
其中，
Figure BDA0001232007440000022
代表传输方向的波数矢量，
Figure BDA0001232007440000023
和
Figure BDA0001232007440000024
代表接收点位置矢量和各个阵元距离值。
对于全向天线阵元单个天线的方向图APn(θ)＝1,同时在线阵中使用半波长作为阵元间距,所以天线的远场E可以定义为公式
Figure BDA0001232007440000025
其中，θ是信号入射角，法线设定为90o，相位中心点设定为阵列中心，n＝1,2...N。
一种基于波束成形的高阶方向调制方法，具体步骤如下：
S1、建立不同于传统波束成形的天线远场模型：
Figure BDA0001232007440000026
在方向调制(DM)中，Gn随着Dm的变化进行不停的更新，同时将
Figure BDA0001232007440000027
当成一个新的复数增益Gn'来控制波束成形网络同时代替基带Dm进行调制，其中，N为天线阵列数，θ是信号入射角；
S2、将高阶调制星座图分为幅度AMP和相位PHASE两部分，即单个星座点值为AMP(x)ejPHASE(x)，其中，x为第x个星座点，AMP为针对最***幅度进行归一化后的幅度；
S3、利用阵列天线数N，设定目标星座图最***星图点幅度为N-y，设定各个星座点在天线远场辐射目标值为(N-y)*AMP(x)ejPHASE(x)其中，0＜y≤1；
S4、经过阵列信号的权值的变化，合成期望目标星座点，具体步骤如下：
S41、建立利用相控阵天线权值合成星座点的模型如下：
Figure BDA0001232007440000031
其中，
Figure BDA0001232007440000032
中的φi为通过遗传算法或者粒子群算法等进行求全局求解后获得的数值，使其和等于期望星座点(N-y)*AMP(x)ejPHASE(x)，其中，i＝1,2,....,N；
S42、利用非数值算法例如遗传算法、粒子群算法等综合星座图，设定目标函数为第x个星座点AMP(x)ejPHASE(x)，通过多次迭代进行求解最优值的x组N个
Figure BDA0001232007440000033
S5、代入已经通过DOA估计算法或者预先指定期望安全接收方向
Figure BDA0001232007440000034
通过传统波束成形算法如(LCMV)算法获得N个天线阵元的权值
Figure BDA0001232007440000035
S6、得到的优化天线阵元权值
Figure BDA0001232007440000036
作为新的发射天线阵元权值；
S7、将基带调制信号进行分类，按照不同的符号对应不同的天线阵元组进行映射。在进行实际信号发射中，通过不同符号的映射每发射一个符号映射一次相应的天线权值，便形成了在期望方向上的高阶方向调制。
本发明的有益效果是：
高阶调制的包络不是恒定的，会有幅度的差别，如果将其幅度因素同时考虑进天线远场的辐射电场里，整体进行考虑，即通过波束成形网络的不同增益实现幅度的差异，在空气中传播的时候经历的是相同信道衰落，所以类似于传统的基带调制。同时，使用方向调制的方法进行阵元权值的更新替代基带调制，同时保证了期望方向的安全性和波束成形增益的非降低性。
附图说明
图1为传统的16APSK信号经过波束成形网络形成的星座图与基于波束成形方向调制的16APSK星座图。
图2为通过不同星座点的阵列增益值。
图3为不同角度上，16APSK经过信道后的误码率。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行说明。
一种基于波束成形的实现高阶方向调制方法，具体步骤如下：
S1：建立不同于传统波束成形的天线远场模型：
Figure BDA0001232007440000041
假设天线阵列数为N＝16，阵元间距为λ/2。
通过公式可以看出来，其不同的调制符号中，远场辐射矢量是一致的，通过在不同调制符号引入新的自由度能够有效的增强其辐射电场的安全性。
在方向调制(DM)中，Gmn随着Dm的变化进行不停的更新，同时将
Figure BDA0001232007440000042
当成一个新的复数增益Gmn'来控制波束成形网络同时代替基带Dm进行调制，、也可以将其看成一种新的天线权值。
S2：将16APSK调制星座图分为外圈幅度1，内圈幅度0.5540，8*8APSK调制，内外圈相位分别为π/8初始相位，以π/4为相位间隔，8个相位，内外圈相位相同。同时按照原定义的AMP(x)ejPHASE(x)进行分布，AMP为以最***幅度进行归一化后的幅度。
S3：利用阵列天线数16，设定目标星座图最***星图点幅度(16-0.5)，那么设定各个星座点在在天线远场辐射目标值为(16-0.5)*AMP(x)ejPHASE(x).
S4：设定经过阵列信号的权值的变化，合成期望目标星座点，具体步骤如下：
S41：建立利用相控阵天线权值合成星座点的模型如下：
Figure BDA0001232007440000051
其中，
Figure BDA0001232007440000052
中的φi为通过遗传算法或者粒子群算法等进行求全局解后获得的数值，使其和等于期望星座点(15.5)*AMP(x)ejPHASE(x)。
S42：利用非数值算法例如遗传算法综合星座图，设定目标函数为第x个星座点AMP(x)ejPHASE(x)，通过多次迭代进行求解最优值的x组16个
Figure BDA0001232007440000053
S421：随机生成10000个二进制遗传个体。
S422：设定相控阵的范围-pi～+pi，将随机生成的二进制序列范围设定为相控阵范围，一一对应，求目标函数值
Figure BDA0001232007440000054
设定N＝16。
S423：计算个体适应值。
S424：选择、单点重组交叉
S425：交叉变异。
S426：二进制到十进制转换，然后计算目标函数值。
S427：再次迭代，设定遗传代数为50代，保存最优值。
S5:假设已经通过DOA估计算法或者预先指定期望安全接收方向θ，通过传统波束成形算法如(LCMV)算法等获得16个天线阵元的权值
Figure BDA0001232007440000055
S6：结合S4和S5得到的优化天线阵元权值
Figure BDA0001232007440000056
作为新的发射天线阵元权值。
S7：将基带调制信号进行分类，按照不同的符号对应不同的天线阵元组进行映射。在进行实际信号发射中，通过不同符号的映射每发射一个符号映射一次相应的天线权值，便形成了在期望方向上的高阶方向调制。
S5:假设已经通过DOA估计算法或者预先指定期望安全接收方向θ，通过传统波束成形算法如(LCMV)算法等获得N个天线阵元的权值
Figure BDA0001232007440000057
S6：结合S4和S5得到的优化天线阵元权值
Figure BDA0001232007440000058
作为新的发射天线阵元权值。
S7：将基带调制信号进行分类，按照不同的符号对应不同的天线阵元组进行映射。在进行实际信号发射中，通过不同符号的映射每发射一个符号映射一次相应的天线权值，便形成了在期望方向上的高阶方向调制。
下面将其他相关算法同本发明方法的算法性能对比分析，以进一步验证本发明的性能。
采用了三个方面来度量算法的有效性，一个是用经过传统基带调制后经过16阵元天线后形成的星座图和经过本方法实现的星座图进行对比；一个是用是不同星座点的波束方向图验证其阵列增益的损失；一个是使用传统误码率曲线说明本方法实现的方向调制的安全性是有效的，只在期望方向的误码率随着误码率升高而降低，而非期望方向随着误码率升高无改变。
图1为传统星座图和本方法产生星座图对比(都是添加了阵列增益后的)，打叉为传统星座图点，圆圈的为本方法星座图点，可以看得出来，其完全重合。
图2为通过不同星座点阵列增益，会发现最外圈的星座点正好接近满阵列增益，达到传统波束成形的效果，内圈利用增益实现了幅度的放缩。
图3为四个不同方向的误码率曲线，可以看到在期望角度45o上随着误码率升高而降低，而非期望方向随着误码率升高无改变。
综上所诉，本专利提出了一个新的基于波束成形的实现高阶方向调制方法方法。通过将波束成形的增益和方向调制自身的调制原理结合，将其幅度因素同时考虑进天线远场的辐射电场里，整体进行考虑，即通过波束成形网络的不同增益实现幅度的差异，在空气中传播的时候经历的是相同信道衰落，所以类似于传统的基带调制。同时使用方向调制的方法进行阵元权值的更新来实现代替基带调制，保证了期望方向的安全性和波束成形增益的非降低性。实验结果显示，本发明提出的算法可以在尽量不减少波束成形增益的条件下，实现方向调制的安全性。

Claims (1)

1.一种基于波束成形的高阶方向调制方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、建立不同于传统波束成形的天线远场模型：
Figure FDA0002510783040000011
在方向调制中，Gn随着Dm的变化进行不停的更新，同时将
Figure FDA0002510783040000012
当成一个新的复数增益Gn'来控制波束成形网络同时代替基带Dm进行调制，其中，N为天线阵列数，θ是信号入射角；
S2、将高阶调制星座图分为幅度AMP和相位PHASE两部分，即单个星座点值为AMP(x)ejPHASE(x)，其中x为第x个星座点，AMP为针对最***幅度进行归一化后的幅度；
S3、利用阵列天线数N，设定目标星座图最***星图点幅度N-y，那么设定各个星座点在天线远场辐射目标值为(N-y)*AMP(x)ejPHASE(x)，其中0<y≤1；
S4、经过阵列信号的权值的变化，合成期望目标星座点，具体步骤如下：
S41、建立利用相控阵天线权值合成星座点的模型如下：
Figure FDA0002510783040000013
其中，
Figure FDA0002510783040000014
中的φix为通过遗传算法或者粒子群算法进行求全局求解后获得的数值，使其和等于期望星座点(N-y)*AMP(x)ejPHASE(x)，其中，i＝1,2，… ，N；
S42、利用非数值算法综合星座图，所述非数值算法包括遗传算法和粒子群算法，设定目标函数为第x个星座点AMP(x)ejPHASE(x)，通过多次迭代进行求解最优值的x组N个
Figure FDA0002510783040000015
S5、代入预先指定期望安全接收方向θS，通过LCMV算法获得N个天线阵元的权值
Figure FDA0002510783040000021
S6、得到的优化天线阵元权值
Figure FDA0002510783040000022
作为新的发射天线阵元权值；
S7、将基带调制信号进行分类，按照不同的符号对应不同的天线阵元组进行映射，在进行实际信号发射中，通过不同符号的映射每发射一个符号映射一次相应的新的发射天线阵元权值，便形成了在期望方向上的高阶方向调制。
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