CN107231179A - 一种无线通信方向调制目标函数 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线通信方向调制目标函数，以及利用该无线通信方向调制目标函数进行的基于伍德沃德‑劳森综合法的方向调制算法。本发明从无线通信传输的目标函数着手，通过提高理想目标信号的相位函数在期望方向的畸变程度来加强相位约束，从而减小信息波束宽度，解决了信息的旁瓣泄露问题，提高了通信信息的安全性。通过对目标函数在不同的离散角度进行抽样来实现理想目标函数，该方法原理简单，降低了方向调制算法的复杂度。

Description

一种无线通信方向调制目标函数
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种无线通信方向调制目标函数，及其在伍德沃德-劳森综合法的方向调制方面的应用。
背景技术
随着多输入多输出天线***、协作无线通信技术的高速发展，无线通信技术在各行各业所起的作用越来越重要。由于无线通信收发***具有一定的开放性，使得信息在传输过程中的安全性问题备受关注。其中，物理层安全通信是近年来的研究热点之一。在物理层安全领域，研究者提出了一种方向调制(Directional Modulation,DM)技术，该技术是一种射频调制技术，在射频端通过不同的射频结构实现数字信息的调制。它与传统数字基带技术的不同之处在于：在期望方位上接收机可以正常地解调通信信息；而在非期望方向上接收信号的相位会产生畸变，从而影响窃听接收机的解调性能。
方向调制的误码率性能与目标函数的相位和幅度分布密切相关，它们的畸变越大，误码率性能就越差。现有的研究是将重点放在怎样更好地接近目标函数，而相对忽略了目标函数本身的作用。
在传统无线通信***中，数字通信信息是在基带进行调制然后再由混频器对调制信号进行上变频，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。基于相控阵的方向调制信号在无线通信传输中，以在期望方向综合出数字基带信号为目标函数，采用相应算法综合出相控阵中相移器的相移值，在射频端完成信息的调制功能。图1分别给出了传统无线通信发射机和方向调制无线通信发射机的原理模型。在图1中，以BPSK调制为例，假设窃听接收机和期望接收机有30°的相位偏移。对于传统无线通信***，信号在基带调制。当发送比特“1”和比特“0”时，窃听接收机可以根据相位差解调出原信号信息；对于方向调制发射机，信号信息用相移器控制，信号调制在射频端完成。发“1”和“0”时接收到的信号幅度和相位一样，接收机难以解调出原信号信息。
无线通信传输目标信号的一般表示式为
Ei(θ)＝|Ei(θ)|ejph(θ) (1)
其中，|Ei(θ)|为无线通信传输目标信号分布的幅度函数，ph(θ)为无线通信传输目标信号分布的相位函数。
方向调制得到的信号经加性高斯白噪声信道传输，接收端分别用标准接收机和先进接收机解调收到的信号信息。其中，标准接收机是根据接收信号所在象限来判断误码率的，先进接收机是根据接收符号间的最小欧氏距离来衡量的，它的误码率计算公式为：
其中，N表示星座点的个数，di表示星座点i到其他星座点之间的最小欧氏距离，N0/2表示噪声功率谱密度，Q(x)表示互补高斯误差函数。
无线通信传输目标信号分布的相位函数、幅度函数与方向调制信号的误码率性能密切相关，相位函数的畸变越大，误码率性能越差，这个问题亟待解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种误码率更小的目标函数，通过约束性能高的目标函数或者采用精确度更高的算法，改变理想目标函数的分布来减小信息主瓣的波束宽度，降低旁瓣的信息泄露。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种无线通信方向调制目标函数，该目标函数的幅度函数和相位函数分别如式3和式4所示：
其中，θ表示空间方位角，θ0表示期望方位角，Δθ表示相位波束的半波束宽度，i从1到4分别对应QPSK信号中的“11”，“01”，“00”和“10”。
进一步，上述空间方位角θ的范围为0～180°。
本发明还进一步提出一种利用上述无线通信方向调制目标函数进行的基于伍德沃德-劳森综合法的方向调制算法，包含以下步骤：
步骤1：设计方向调制信号的目标函数Ei(θ)＝|Ei(θ)|ejph(θ)，其中，|Ei(θ)|为目标信号分布的幅度函数，ph(θ)为目标信号分布的相位函数，|Ei(θ)|的设计为均值等于期望方向的正态分布，ph(θ)的设计如式4所示；
步骤2：根据公式n＝±1,±2,...,±M确定抽样角度的位置θn，并根据公式an＝S(θn)＝E(θn)得到期望目标函数在抽样点的值an；
步骤3：将抽样角度θn、抽样值an带入公式得到各谐波电流产生的方向图；
步骤4：根据公式综合得到阵列的远场分布S(θ)；
步骤5：为了在期望方向上得到标准的QPSK星座点模型，给每一个星座点进行加权，权值为生成新的远场分布Sw_i(θ)；
步骤6：将以上结果带入公式计算方向调制***的误码率。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
1，本发明从无线通信传输的目标函数着手，通过提高理想目标信号的相位函数在期望方向的畸变程度来加强相位约束，从而减小信息波束宽度，解决了信息的旁瓣泄露问题，提高了通信信息的安全性。
2，本发明将传统的方向图综合法(伍德沃德-劳森综合法)应用到方向调制技术中，通过对目标函数在不同的离散角度进行抽样来实现理想目标函数的。该方法原理简单，降低了方向调制算法的复杂度。
附图说明
图1a为传统无线通信发射机的原理图；
图1b为方向调制无线通信发射机的原理图；
图2a为理想的目标信号远场分布图的幅度方向图；
图2b为理想的目标信号远场分布图的相位方向图。
具体实施方式
现结合附图对本发明做进一步详细的说明。
伍德沃德-劳森(Woodward-Lawson)综合法是对所要求的方向图在不同的各离散位置上进行抽样来实现预期方向图的一种综合方法。对于离散线阵，构成函数为Aisin(nu)/nsin(u)的形式。各谐波电流的激励系数等于所要求的方向图在对应抽样点上的幅度。空间谐波的有限项之和为源的总激励，构成函数的有限项之和为综合的方向图函数，其中每一项代表一个谐波电流产生的场。
抽样角度点的位置为
其中，N表示阵元数，d表示阵元间距，对于奇数阵列N＝2M+1、偶数阵列N＝2M。
各阵元的激励电流为
谐波电流产生的方向图为
总场阵因子可写成N＝2M或N＝2M+1项的叠加，而每一项都有式(7)的形式。即
如果上式等号左边为期望目标函数S(θ)＝E(θ)，则抽样点的阵元激励系数an就为期望目标函数在抽样点的值。即
an＝S(θn)＝E(θn) (9)
基于伍德沃德-劳森综合法的方向调制算法：
相移控制器中的相移值是方向调制的关键，该值是通过期望目标函数利用各种方向调制算法综合得到的。将设计好的目标函数作为方向图逼近函数，通过伍德沃德-劳森综合法，并经过加权修正得到相移器的相移值。
步骤一：设计方向调制信号的目标函数Ei(θ)＝|Ei(θ)|ejph(θ)，其中，|Ei(θ)|为目标信号分布的幅度函数，ph(θ)为目标信号分布的相位函数。|Ei(θ)|的设计为均值等于期望方向的正态分布，ph(θ)的设计如式(4)所示。
步骤二：根据式(5)确定抽样角度的位置θn，并根据式(9)得到期望目标函数在抽样点的值an。
步骤三：将抽样角度θn、抽样值an带入式(7)得到各谐波电流产生的方向图。
步骤四：根据式(8)综合得到阵列的远场分布S(θ)。
步骤五：为了在期望方向上得到标准的QPSK星座点模型，给每一个星座点进行加权，
权值为生成新的远场分布Sw_i(θ)。
步骤六：将以上结果带入式(2)计算方向调制***的误码率。

Claims (3)

1.一种无线通信方向调制目标函数，其特征在于，该目标函数的幅度函数和相位函数分别如式1和式2所示：
<mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>E</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>|</mo> <mo>=</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <msup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msup> <mo>,</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>3</mn> <mo>,</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，θ表示空间方位角，θ0表示期望方位角，Δθ表示相位波束的半波束宽度，i从1到4分别对应QPSK信号中的“11”，“01”，“00”和“10”。
2.根据权利要求1所述的无线通信方向调制目标函数，其特征在于所述空间方位角θ的范围为0～180°。
3.一种利用权利要求1所述的无线通信方向调制目标函数进行的基于伍德沃德-劳森综合法的方向调制算法，其特征在于包含以下步骤：
步骤1：设计方向调制信号的目标函数Ei(θ)＝|Ei(θ)|ejph(θ)，其中，|Ei(θ)|为目标信号分布的幅度函数，ph(θ)为目标信号分布的相位函数，|Ei(θ)|的设计为均值等于期望方向的正态分布，ph(θ)的设计如式2所示；
步骤2：根据公式n＝±1,±2,...,±M确定抽样角度的位置θn，并根据公式an＝S(θn)＝E(θn)得到期望目标函数在抽样点的值an；
步骤3：将抽样角度θn、抽样值an带入公式得到各谐波电流产生的方向图；
步骤4：根据公式综合得到阵列的远场分布S(θ)；
步骤5：为了在期望方向上得到标准的QPSK星座点模型，给每一个星座点进行加权，权值为生成新的远场分布Sw_i(θ)；
步骤6：将以上结果带入公式计算方向调制***的误码率。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108039901A (zh) * 2017-12-14 2018-05-15 电子科技大学 一种联合空间和方向维度的安全调制方法
CN108512584A (zh) * 2018-04-03 2018-09-07 电子科技大学 一种方向调制中的联合接收方法
CN108965183A (zh) * 2018-08-01 2018-12-07 南京邮电大学 基于优化目标函数的无线通信方向调制方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060235635A1 (en) * 2003-08-12 2006-10-19 Nathan Intrator Apparatus and method for performing the delay estimation of signals propagating through an environment
CN102130755A (zh) * 2011-04-08 2011-07-20 电子科技大学 一种自适应空间调制方法
CN104836027A (zh) * 2015-05-24 2015-08-12 五邑大学 波束赋形超高频射频识别读写器天线线阵

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060235635A1 (en) * 2003-08-12 2006-10-19 Nathan Intrator Apparatus and method for performing the delay estimation of signals propagating through an environment
CN102130755A (zh) * 2011-04-08 2011-07-20 电子科技大学 一种自适应空间调制方法
CN104836027A (zh) * 2015-05-24 2015-08-12 五邑大学 波束赋形超高频射频识别读写器天线线阵

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YUAN DING等: """Directional modulation transmitter radiation pattern considerations""", 《IET MICROWAVES, ANTENNAS & PROPAGATION》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108039901A (zh) * 2017-12-14 2018-05-15 电子科技大学 一种联合空间和方向维度的安全调制方法
CN108039901B (zh) * 2017-12-14 2020-11-13 电子科技大学 一种联合空间和方向维度的安全调制方法
CN108512584A (zh) * 2018-04-03 2018-09-07 电子科技大学 一种方向调制中的联合接收方法
CN108512584B (zh) * 2018-04-03 2020-11-13 电子科技大学 一种方向调制中的联合接收方法
CN108965183A (zh) * 2018-08-01 2018-12-07 南京邮电大学 基于优化目标函数的无线通信方向调制方法
CN108965183B (zh) * 2018-08-01 2020-12-01 南京邮电大学 基于优化目标函数的无线通信方向调制方法

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