利用单元天线随机扰动的方向调制方法
【专利摘要】本发明公开一种利用单元天线随机扰动的方向调制方法，通过随机化单元天线发射加权系数，造成非期望方向星座点的畸变在没有噪声的情况下也随机变化。较之于相控阵方向调制在非期望方向产生固定畸变的信号，本发明方法增加了窃听接收机窃取信息的难度，提高了通信的可靠性。而在期望方向本发明方法保证了调制的信号不发生畸变，使得期望接收机可以正确接收解调信息。本发明不依赖于与天线阵列的种类，可广泛用于直线阵列，圆形阵列，矩形阵列等各类天线阵列。
【专利说明】利用单元天线随机扰动的方向调制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线通信领域的物理层安全技术，特别是在天线阵列中通过单元天线的扰动，达到比普通方向调制技术更加安全的加密技术。
【背景技术】
[0002]随着无线通信技术的飞速发展和广泛应用，通信信息的加密和保护变得至关重要。传统的无线通信的加密都是在物理层以上使用加密协议(如网络层使用的IPSec)，但在一些较为复杂的网络环境，如ad-hoc网络中，由于缺乏一个安全的信道实现公共密钥的交换，使得上层的加密技术的安全性降低。因此，需要一种新的物理层安全技术提高无线通信系统的安全性。
[0003]传统的相控阵通过增强期望方向的辐射功率并降低非期望方向的辐射功率来实现物理层传输信息的安全，但在旁瓣方向，由于包含的信息与主瓣相同，灵敏度足够高的接收机还是可以获取信息。方向调制技术则可以实现调制信号的方向性，该技术通过在射频端综合出数字基带信号来实现在不同方位发射出的信号具有不同的星座图。在期望方向发出的信号与传统数字基带信号相同，在非期望方向发出的信号在幅度和相位上产生畸变。这就将导致期望方向接收机可以正常接收并解调出信号，而在非期望方向畸变的星座图导致窃听接收机无论具有多高的灵敏度也无法正确解调出信息。文献[Daly, Μ.P.and J.T.Bernhard, Directional Modulation Technique for Phased Arrays.Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, 2009.57 (9):p.2633-2640.]提出了一种基于相控阵的方向调制技术，相移器的相移值通过遗传算法求得，不足之处在于遗传算法的收敛效果会对方向调制的性能产生较大影响。文献[Daly, M.P.，E.L.Daly andJ.T.Bernhard, Demonstration of Directional Modulation Using a Phased Array.Antennas and Propagation,IEEE Transactions on, 2010.58(5):p.1545-1550.]在实际系统中对基于相控阵的方向调制技术加以验证。文献[Tao，H.，S.Mao-Zhong andL.Yuj Dual-Beam Directional Modulation Technique for Physical-Layer SecureCommunication.Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE, 2011.10:p.1417-1420.]利用双波束来实现方向调制的两种通信系统，分别是四阵元阵列和角型反射器，不足之处在于准确设定系统参数的难度较大。上述方向调制技术虽然都能实现在期望方向信号不发生畸变，而在非期望方向信号畸变程度较大，但在非期望方向信号的畸变程度是固定的，这样窃听接收机如果知道发射机的先验知识(如相控阵中的相移值)，则可能从有规律的畸变星座图中恢复出信息序列来。
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明针对现有方向调制技术的不足，提出一种通过随机化单元天线发射加权系数造成非期望方向调制的信号随机扰动，同时保证期望方向调制的信号不发生畸变的方法。[0005]技术方案:
[0006]为实现上述发明目的，本发明提供一种利用单元天线随机扰动的方向调制方法，其特征在于该方法主要包括以下步骤:
[0007]步骤I)、从天线阵列中随机选取一个阵元作为待定天线阵元；
[0008]步骤2)、随机化除待定天线阵元之外的其余阵元的发射加权系数，造成非期望方向星座点的扰动；
[0009]步骤3)、求待定天线阵元的发射加权系数，保证期望方向星座点不发生畸变；
[0010]步骤4)、完成当前时刻发送符号的方向调制；
[0011]步骤5)、重复步骤I)-步骤4)，直到完成各时刻发送符号的方向调制。
[0012]本发明的有益效果:
[0013]本发明的利用单元天线随机扰动的方向调制方法，通过随机化单元天线发射加权系数，造成非期望方向星座点的畸变在没有噪声的情况下也随机变化。较之于相控阵方向调制在非期望方向产生固定畸变的信号，本发明方法增加了窃听接收机窃取信息的难度，提高了通信的可靠性。而在期望方向本发明方法保证了调制的信号不发生畸变，使得期望接收机可以正确接收解调信息。本发明不依赖于与天线阵列的种类，可广泛用于直线阵列，圆形阵列，矩形阵列等各类天线阵列。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1利用单元天线随机扰动的方向调制方法步骤
[0015]图2本发明方法用于直线阵的系统模型
[0016]图3四元均匀分布直线阵本发明方法与相控阵方向调制误比特率比较(QPSI^f号,信噪比为13dB)
[0017]图4四元均匀分布直线阵本发明方法(左)与相控阵方向调制(右)在50度方向发射信号星座图(统计10000个QPSK符号)
[0018]图5四元均匀分布直线阵本发明方法与相控阵方向调制误比特率随信噪比变化情况(接收机位于45度方向)
[0019]图6本发明方法用于圆阵的系统模型
[0020]图7六元均匀分布圆阵本发明方法与相控阵方向调制误比特率比较(QPSK信号，信噪比为13dB)
[0021]图8六元均匀分布圆阵本发明方法(左)与相控阵方向调制(右)在50度方向发射信号星座图(统计10000个QPSK符号)
[0022]图9六元均匀分布圆阵本发明方法与相控阵方向调制误比特率随信噪比变化情况(接收机位于55度方向)
【具体实施方式】
[0023]本发明可用于任何天线阵列中，如线性阵列、平面阵列、圆形阵列，方法流程如图1所示，具体方案如下:
[0024]步骤1)，随机选取待定天线阵元。设天线阵列的阵元数目为N，阵元加权系数向量为 W=IiW1, W2,…，WN] τ,方向 Θ 上的阵列流形向量为 a( Θ ) =从N个阵元中随机选取I个待定天线阵元,记为j (j = I,…，N)。
[0025]步骤2)随机化除待定天线阵元之外的其余阵元的发射加权系数Wi (i Φ j)，造成非期望方向星座点的扰动。其余阵元发射加权系数的随机化可以采用以下方式:复高斯分布加权系数随机扰动、均匀分布加权系数随机扰动或者伪随机序列加权系数随机扰动。
[0026]步骤3)，求待定天线阵元的发射加权系数，保证期望方向星座点不发生畸变。设在时刻n，符号s [η]在期望方向Θ desired映射到星座点Fn，则根据公式WHa ( Θ desired) =Fn求得待定天线阵元的发射加权系数:
【权利要求】
1.利用单元天线随机扰动的方向调制方法，其特征在于该方法主要包括以下步骤: 步骤I)、从天线阵列中随机选取一个阵元作为待定天线阵元； 步骤2)、随机化除待定天线阵元之外的其余天线阵元的发射加权系数，造成非期望方向星座点的扰动； 步骤3)、求待定天线阵元的发射加权系数，保证期望方向星座点不发生畸变； 步骤4)、完成当前时刻发送符号的方向调制； 步骤5)、重复步骤I)-步骤4)，直到完成各时刻发送符号的方向调制。
2.根据权利要求1所述的利用单元天线随机扰动的方向调制方法，其特征在于步骤3)具体包括: 设在时刻n，符号s [η]在期望方向Θ desired映射到星座点Fn，根据公式WHa ( Θ desired) =Fn求得待定天线阵元的发射加权系数
3.根据权利要求1所述的利用单元天线随机扰动的方向调制方法，其特征在于步骤4)具体包括: 设在时刻η符号s [η]在方向Θ得到的调制符号为modn ( Θ )，则modn ( Θ ) = wHa ( Θ ),由此完成时刻η符号s [η]在各方向的调制,其中W=I^W1, W2,…，wN]T为发射阵元加权系数向量，a(0) = [aj Θ )，a2( Θ )，…，aN( θ )]τ为方向θ的阵列流形向量。
【文档编号】H04B7/06GK103701514SQ201410000253
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2014年1月2日 优先权日:2014年1月2日
【发明者】王炎, 陈卓, 尤肖虎 申请人:东南大学