CN109921837B - 一种基于多播频控阵方向调制的稳健波束形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于多播频控阵方向调制的稳健波束形成方法，引入频控阵方向调制技术，通过优化波束形成矢量，在满足目标合法用户群的条件下，最小发送有用功率信号，并使得非目标合法用户群收不到不属于其的信号，除此之外，在总功率一定情况下，最小有用信号功率，既可将更多功率分配给人工噪声，又在可能存在窃听者的位置上增加人工干扰，避免窃听者窃听信号，从而有效保障了通信安全。

Description

一种基于多播频控阵方向调制的稳健波束形成方法
技术领域
本发明涉及天线阵列的方向调制，适用于利用频控阵结合人工噪声稳健波束成形方向调制合成方法的无线安全通信。
背景技术
基于多路广播方向调制***(如图1所示)，有若干个合法用户群，每个群中有若干个合法用户，需要将不同的信息传输给相应的合法用户群，同时保证其他合法用户群接不到不属于自己的信息。除此之外，还要防止可能位置上的窃听者窃听保密信息。
当前基于相控阵的方向调制技术能够实现方向上的保密通信，即在合法用户方向达到很高信噪比，同时在其他方向信噪比很低。但是若窃听者和合法用户处于相同的方向上，则无法实现保密通信。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于随机频偏策略的频控阵稳健性优化的安全通信方法，通过引入频控阵技术，优化波束成形技术，并结合使用人工噪声，使得目标合法用户群能够接收到相应信息，同时，其他合法接收机群接不到不属于自己的信息。除此之外，在可能窃听者位置，增加干扰信号，保证可能位置的窃听者不能窃听保密信号，从而有效保障了通信安全。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
(1)在预先设定频率偏移范围约束下，产生随机频率偏移；
(2)根据载波频率分别计算目标合法用户群和非目标合法用户群的导向矩阵；
(3)将非目标合法用户矩阵进行奇异值分解，得到非目标合法用户群零空间；
(4)根据目标合法用户群导向矩阵，在目标合法用户群最小期望功率约束和非目标合法用户群零空间约束下，得到最优波束形成矢量；
(5)根据得到的最优波束形成矢量计算出发送有用信号的功率，将其余功率分配给人工噪声；
(6)根据合法用户群的位置计算合法用户群导向矩阵，并将其进行奇异值分解，得到合法用户群零空间；
(7)根据窃听者可能位置及其误差，计算其导向矩阵，结合合法用户群零空间，计算得到人工噪声投影矩阵；进而得到发送第k个合法用户群的基带信号。
所述的步骤(1)产生随机频率偏移Δfn,n＝0,1,...N-1，N为信源天线数。
所述的步骤(2)令第k个合法用户群作为目标合法用户群，k＝0,1,…，K-1，K为合法用户群的总数；计算目标合法用户群和非目标合法用户群的频控阵导向矩阵，
Figure BDA0002016280160000021
和Hl,-k＝[Hl,0,...,Hl,k-1,Hl,k+1,...,Hl,K-1]，其中，
Figure BDA0002016280160000022
Figure BDA0002016280160000023
为信号衰减，Mk为第k个群合法用户总数，
Figure BDA0002016280160000024
分别表示第k个合法用户群第m个合法用户与信源天线之间的距离及其连线与正北方向的夹角角度，阵列天线之间的间距d＝c/2(f0+ΔF)，c表示电磁波传播速率，每根天线的最大频率偏移量为ΔF，信号参考载频为f0。
所述的步骤(3)对非目标合法用户导向矩阵奇异值分解，得到
Figure BDA0002016280160000025
所述的步骤(4)计算最优波束形成矢量
Figure BDA0002016280160000026
其中，
Figure BDA0002016280160000027
所述的步骤(5)计算发送有用信号的功率
Figure BDA0002016280160000028
则分配给人工噪声功率PAN＝Ps-Pu，其中，Ps是总功率。
所述的步骤(6)计算合法用户群导向矩阵Hl＝[Hl,0,Hl,1,...,Hl,K-1]，将合法用户群导向矩阵奇异值分解得到
Figure BDA0002016280160000029
所述的步骤(8)计算人工噪声投影矩阵
Figure BDA00020162801600000210
其中
Figure BDA00020162801600000211
表示取矩阵
Figure BDA00020162801600000212
最大特征值对应的特征向量，
Figure BDA00020162801600000213
re＝[re,0,re,1,...,re,I]和θe＝[θe,0,θe,1,...,θe,I]分别表示窃听者位置向量，窃听者总数为I；得到发送第k个合法用户群的基带信号为
Figure BDA00020162801600000214
其中，xk表示基带信息符号，nAN为归一化的人工噪声，满足
Figure BDA0002016280160000031
z是噪声向量，满足高斯随机分布。
本发明的有益效果是：
1.本发明提出随机频率偏移的方案，使得频控阵方向调制具有较好的去耦合作用；
2.本发明提出优化波束形成矢量，使得在满足目标合法用户群最小期望功率的情况下，既保证目标合法用户群能够解调出其相应信号，又针对可能存在窃听者的位置增加人工干扰，使得其更难窃听保密信息。
3.本发明结合人工噪声，在总功率一定的前提下最小化有用信号发射功率，在不影响合法用户群的情况下，将更多功率分配给干扰噪声，使得窃听者难以解调出信息。
附图说明
图1为本发明的窃听者与合法用户群示意图；
图2为本发明频控阵波速成形原理简图；
图3为本发明采用阵列为64，(Δre,Δθe)＝(5,5°)的人工噪声分布图。
图4为本发明采用阵列为64的信干噪比分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明引入频控阵方向调制实现无线保密通信，由于频控阵的距离和角度的二维依赖性，因而广泛应用于方向调制保密通信中。人工噪声的引入使得合法用户不受人工噪声的影响，而窃听者的信干噪比将大大降低，使得窃听者很难解调出保密信息。
本发明所采用的技术方案包括以下步骤：
(1)设置初始化参数；
(2)在预先设定频率偏移范围约束下，产生随机频率偏移；
(3)根据产生的载波频率，分别计算目标合法用户群和非目标合法用户群的导向矩阵；
(4)根据非目标合法用户导向矩阵，利用奇异值分解，将非目标合法用户矩阵分解，得到非目标合法用户群零空间；
(5)根据目标合法用户群导向矩阵，在目标合法用户群最小期望功率约束和非目标合法用户群零空间约束下，得到最优波束形成矢量；
(6)根据得到的最优波束形成矢量，计算出发送有用信号的功率，将其余功率分配给人工噪声。
(7)根据合法用户群的位置，计算合法用户群导向矩阵，并将其奇异值分解，得到合法用户群零空间；
(8)根据窃听者可能位置及其误差，计算其导向矩阵，结合合法用户群零空间，计算得到人工噪声投影矩阵。得到发送第k个合法用户群的基带信号。
进一步，设置初始化参数包括：初始化参数
Figure BDA0002016280160000047
分别表示第k个合法用户群第m个合法用户与信源天线之间的距离及其连线与正北方向的夹角角度；re,i,θe,i分别表示第i个窃听者位置向量，Δre,i,Δθe,i表示第i个窃听者位置误差；信源天线数为N；每根天线的最大频率偏移量为ΔF，信号参考载频为f0。根据公式d＝c/2(f0+ΔF)初始化阵列天线之间的间距，其中，c表示电磁波传播速率。
进一步，所述步骤(2)包括以下步骤：
在带宽约束下，产生随机频率偏移Δfn,n＝0,1,...N-1。
进一步，所述步骤(3)包括以下步骤：
令第k个合法用户群作为目标合法用户群，k＝0,1,…，K-1，其中K为合法用户群的总数。计算目标合法用户群和非目标合法用户群的频控阵导向矩阵，
Figure BDA0002016280160000041
Hl,-k＝[Hl,0,...,Hl,k-1,Hl,k+1,...,Hl,K-1]。其中，
Figure BDA0002016280160000042
Figure BDA0002016280160000043
为信号衰减，Mk为第k个群合法用户总数。
进一步，所述步骤(4)包括以下步骤：
对非目标合法用户导向矩阵奇异值分解
Figure BDA0002016280160000044
进一步，所述步骤(5)包括以下步骤：
计算最优波束形成矢量
Figure BDA0002016280160000045
其中，
Figure BDA0002016280160000046
进一步，所述步骤(6)包括以下步骤：
(61)计算有用信号功率
Figure BDA0002016280160000051
(62)总功率一定，计算出分配给人工噪声功率PAN＝Ps-Pu，其中，Ps是总功率。
进一步，所述步骤(7)包括以下步骤：
(71)计算合法用户群导向矩阵Hl＝[Hl,0,Hl,1,...,Hl,K-1]，
(72)将合法用户群导向矩阵奇异值分解得到
Figure BDA0002016280160000052
进一步，所述步骤(8)包括以下步骤：
(81)计算人工噪声投影矩阵
Figure BDA0002016280160000053
其中
Figure BDA0002016280160000054
表示取矩阵
Figure BDA0002016280160000055
最大特征值对应的特征向量，
Figure BDA0002016280160000056
表示取期望，
Figure BDA0002016280160000057
re＝[re,0,re,1,...,re,I]和θe＝[θe,0,θe,1,...,θe,I]分别表示窃听者位置向量，窃听者总数为I，Mk表示第k个合法用户群中合法用户的个数。
(82)得到发送第k个合法用户群的基带信号为
Figure BDA0002016280160000058
其中，xk表示基带信息符号，nAN为归一化的人工噪声，满足
Figure BDA0002016280160000059
z是噪声向量，满足高斯随机分布，即
Figure BDA00020162801600000510
本发明引入频控阵方向调制技术，通过优化波束形成矢量，在满足目标合法用户群的条件下，最小发送有用功率信号，并使得非目标合法用户群收不到不属于其的信号，除此之外，在总功率一定情况下，最小有用信号功率，既可将更多功率分配给人工噪声，又在可能存在窃听者的位置上增加人工干扰，避免窃听者窃听信号，从而有效保障了通信安全。如图2所示，本发明的实施例提供了一种基于广播***的频控阵方向调制安全通信方法，包括步骤：
(1)设置初始化参数；
初始化参数
Figure BDA00020162801600000511
分别表示第k个合法用户群第m个合法用户的与信源天线之间的距离和连线与正北方向的夹角角度；re,i,θe,i分别表示第i个窃听者位置，以及Δre,i,Δθe,i表示第i个窃听者位置误差；初始化信源天线数N；每根天线的最大频率偏移量为ΔF，信号参考载频为f0。根据公式d＝c/2(f0+ΔF)初始化阵列天线之间的间距。
(2)在带宽约束下，产生随机频率偏移Δfn,n＝0,1,...N-1；
(3)令第k个合法用户群作为目标合法用户群，k＝0,1,…，K-1，其中K为合法用户群的总数。计算目标合法用户群和非目标合法用户群的频控阵波束矢量，
Figure BDA00020162801600000614
Hl,-k＝[Hl,0,...,Hl,k-1,Hl,k+1,...,Hl,K-1]。
(4)对非目标合法用户导向矩阵奇异值分解
Figure BDA0002016280160000061
(5)计算最优波束形成矢量
Figure BDA0002016280160000062
其中，
Figure BDA0002016280160000063
(6)计算有用信号功率
Figure BDA0002016280160000064
计算出分配给人工噪声功率PAN＝Ps-Pu。
(7)计算合法用户导向矩阵Hl＝[Hl,0,Hl,1,...,Hl,K-1]，并将其奇异值分解
Figure BDA0002016280160000065
(8)计算出期望窃听者导向矩阵相关矩阵
Figure BDA0002016280160000066
取
Figure BDA0002016280160000067
计算矩阵
Figure BDA0002016280160000068
最大
Figure BDA0002016280160000069
个特征值对应的特征向量为人工噪声投影矩阵，即
Figure BDA00020162801600000610
随机选取噪声向量z。计算归一化人工噪声
Figure BDA00020162801600000611
最后得到发送第k个合法用户群的基带信号
Figure BDA00020162801600000612
本发明的效果可以通过以下仿真结果进一步说明。
初始化参数设置为发送站阵列数N＝64的均匀线阵，K＝2,即两个合法用户群，第一个合法群有三个合法用户，第二个合法用户群有三个用户，其位置分别为
Figure BDA00020162801600000613
Figure BDA0002016280160000071
I＝2，即两个窃听者，其位置(Δre,0,Δθe,0)＝(1700,45°)和(Δre,1,Δθe,1)＝(2600,-50°)。总功率为Ps＝30dBm。一个载波频率为fc＝1GHz。并令合法用户最小期望接收功率都是-90dBm。信道噪声为-100dBm。图3为本发明采用阵列为64，(Δre,Δθe)＝(5,5°)的人工噪声分布图，图4为本发明采用阵列为64的信干噪比分布图。

Claims (8)

1.一种基于多播频控阵方向调制的稳健波束形成方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在预先设定频率偏移范围约束下，产生随机频率偏移；
(2)根据随机频率偏移分别计算目标合法用户群和非目标合法用户群的导向矩阵；
(3)将非目标合法用户矩阵进行奇异值分解，得到非目标合法用户群零空间；
(4)根据目标合法用户群导向矩阵，在目标合法用户群最小期望功率约束和非目标合法用户群零空间约束下，得到最优波束形成矢量；
(5)根据得到的最优波束形成矢量计算出发送有用信号的功率，将其余功率分配给人工噪声；
(6)根据合法用户群的位置计算合法用户群导向矩阵，并将其进行奇异值分解，得到合法用户群零空间；
(7)根据窃听者可能位置及其误差，计算其导向矩阵，结合合法用户群零空间，计算得到人工噪声投影矩阵；进而得到发送第k个合法用户群的基带信号。
2.根据权利要求1所述的基于多播频控阵方向调制的稳健波束形成方法，其特征在于：所述的步骤(1)产生随机频率偏移Δfn,n＝0,1,...N-1，N为信源天线数。
3.根据权利要求1所述的基于多播频控阵方向调制的稳健波束形成方法，其特征在于：所述的步骤(2)令第k个合法用户群作为目标合法用户群，k＝0,1,…，K-1，K为合法用户群的总数；计算目标合法用户群和非目标合法用户群的频控阵导向矩阵，
Figure FDA0003293882040000011
和Hl,-k＝[Hl,0,...,Hl,k-1,Hl,k+1,...,Hl,K-1]，其中，
Figure FDA0003293882040000012
Figure FDA0003293882040000013
为信号衰减，Mk为第k个群合法用户总数，
Figure FDA0003293882040000014
分别表示第k个合法用户群第m个合法用户与信源天线之间的距离及其连线与正北方向的夹角角度，阵列天线之间的间距d＝c/2(f0+ΔF)，c表示电磁波传播速率，每根天线的最大频率偏移量为ΔF，信号参考载频为f0。
4.根据权利要求1所述的基于多播频控阵方向调制的稳健波束形成方法，其特征在于：所述的步骤(3)对非目标合法用户导向矩阵奇异值分解，得到
Figure FDA0003293882040000021
k为第k个合法用户群。
5.根据权利要求1所述的基于多播频控阵方向调制的稳健波束形成方法，其特征在于：所述的步骤(4)计算最优波束形成矢量
Figure FDA0003293882040000022
其中，非目标合法用户导向矩阵奇异值分解，得到
Figure FDA0003293882040000023
6.根据权利要求1所述的基于多播频控阵方向调制的稳健波束形成方法，其特征在于：所述的步骤(5)计算发送有用信号的功率
Figure FDA0003293882040000024
则分配给人工噪声功率PAN＝Ps-Pu，其中，Ps是总功率，
Figure FDA0003293882040000025
为的最优波束形成矢量。
7.根据权利要求1所述的基于多播频控阵方向调制的稳健波束形成方法，其特征在于：所述的步骤(6)计算合法用户群导向矩阵Hl＝[Hl,0,Hl,1,...,Hl,K-1]，将合法用户群导向矩阵奇异值分解得到
Figure FDA0003293882040000026
8.根据权利要求1所述的基于多播频控阵方向调制的稳健波束形成方法，其特征在于：所述的步骤(8)计算人工噪声投影矩阵
Figure FDA0003293882040000027
其中N表示发射机总天线，K表示合法用户群总数，k表示第k个合法用户，Mk表示第k个合法用户群中合法用户总数，Vl (0)为SVD分解得出的零特征值对应的右特征向量，(Δre，Δθe)表示窃听者距离和角度存在的误差，
Figure FDA0003293882040000028
表示取矩阵
Figure FDA0003293882040000029
最大特征值对应的特征向量，B＝Vl (0)，re＝[re,0,re,1,...,re,I]和θe＝[θe,0,θe,1,...,θe,I]分别表示窃听者位置向量，窃听者总数为I；得到发送第k个合法用户群的基带信号为
Figure FDA00032938820400000210
其中，
Figure FDA00032938820400000211
为最优波束形成矢量，PAN为发射人工噪声功率，xk表示基带信息符号，nAN为归一化的人工噪声，满足
Figure FDA0003293882040000031
z是噪声向量，满足高斯随机分布，TAN为人工噪声投影矩阵。
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