一种基于线性递增频偏策略的频控阵安全通信方法与流程

本发明涉及安全通信领域，具体设计了一种基于线性递增频偏策略的频控阵安全通信方法,该方法使用线性递增频偏策略的频控阵发射技术，并结合波束赋形等物理层方法实现保密通信。

背景技术：

物理层安全技术作为保障无线通信安全的有效手段获得了越来越多的关注与研究。与传统的通过编码和加密技术来保证通信安全的策略不同，物理层安全技术利用物理层的方法来提高目标用户与窃听者之间的传输速率容量差(又称为安全速率)，从而保证通信安全。安全速率是度量物理层安全技术的关键性能指标，国内外对于最大化安全速率的研究方法包括人工噪声法和波束成形法等。这些传统的方法都需要知道通信信道的状态信息，同时假设目标用户和窃听者的信道状态信息互不相关。但是，在新一代毫米波通信系统中，由于毫米波传播具有方向性，当目标用户和窃听者传输方向相同或相近的时候(如图1所示)，二者通信信道互不相关的假设往往难以成立，从而导致波束成形，人工噪声等方法失效——这是传统物理层安全方法的局限性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于线性递增频偏策略的频控阵安全通信方法，通过引入频控阵技术，优化天线阵列中各个天线的发射载波频率偏移，并结合使用波束成形技术，使得阵列传输波束具有距离分辨能力，即使目标用户与窃听者在传输方向对齐，也可以获得较大的安全速率，从而有效保障了通信安全。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于线性递增频偏策略的频控阵安全通信方法，其特征在于，包括步骤：

(1)设置初始化参数；

(2)根据初始化参数，设定相邻天线间的最优频率偏移；

(3)根据最优频率偏移，计算各天线的实际载波频率；

(4)根据实际载波频率，分别计算目标用户和窃听者的信道传输矢量；

(5)根据所述信道传输矢量，利用矩阵分解技术计算最优波束形成向量，并计算系统的最优的安全速率。

本发明的有益效果是：本发明天线阵列载波频率采用线性递增偏移策略，简化了频控阵系统的设计和实现难度；同时通过联合优化线性频偏增量和传输波束，使系统可以达到安全速率的理论最优值。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤(1)中的设置初始化参数包括，

初始化r_u,r_e,θ_u和θ_e，其中，r_u,r_e,分别表示目标用户与窃听者和信源天线之间的空间距离，θ_u和θ_e分别表示目标用户与窃听者和信源天线之间连线与正北方向的夹角；

初始化信源天线数M；每根天线的最大频率偏移量为ΔF，信号参考载频为f_c；

初始化系统总功率上限P及通信系统中的噪声方差σ²；

根据公式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)中的相邻天线间的最优频率偏移，由下面公式计算得到：

其中，k取使Δf＞0的最小整数。

采用上述进一步方案的有益效果是设计并计算出了最优的频率偏移，可以提高通信系统的安全速率理论上界。

进一步，所述步骤(3)中的各天线的实际载波频率为f_m＝f_c+(m-1)Δf，m＝1,2,…,M，f_m表示第m根天线上的载波频率。

采用上述进一步方案的有益效果是，采用线性频率偏移可以简化频控阵系统的硬件设计。

进一步，所述步骤(4)进一步包括：

根据公式计算目标用户频控阵传输信道矢量的第m个分量，以得到目标用户频控阵传输信道矢量

h_u＝[h_u,1,h_u,2,...,h_u,M]^T∈C^M×1；

根据公式计算窃听者频控阵传输信道矢量的第m个分量，以得到窃听者频控阵传输信道矢量

h_e＝[h_e,1,h_e,2,...,h_e,M]^T∈C^M×1；

其中，m＝1,2,…,M。

进一步，所述步骤(5)具体包括以下步骤：

(51)根据目标用户和窃听者对应的频控阵传输信道矢量计算中间变量矩阵；

(52)对中间变量矩阵做特征值分解，得到其最大特征值以及对应的特征向量；

(53)根据最大特征值及特征向量计算目标用户与窃听者的频控阵最优传输波束；

(54)计算系统的安全速率最优值。

进一步，所述步骤(51)具体过程为：

根据公式计算目标用户的信道协方差矩阵，

根据公式计算窃听者的信道协方差矩阵，

其中，和分别表示h_u和h_e的共轭转置向量；

根据公式计算矩阵

其中，I_M×M为M×M单位矩阵；

对矩阵做特征值分解，得到

其中，Λ是特征值对角矩阵，V是特征向量矩阵；

令则求的逆矩阵，得到其中，Λ是对角矩阵，为将Λ中的每一个对角元素开根号再取倒数；

得到中间变量矩阵为

进一步，所述步骤(53)具体过程为：

根据中间变量矩阵计算目标用户与窃听者的频控阵最优传输波束w＝[w₁,w₂,...w_M]^T，其中w的第m个分量w_m表示第m根天线的传输加权值，w可计算过程为：

计算矩阵Σ的最大特征值λ_Σ，v_Σ为对应的特征向量；

计算中间向量表示向量ξ的共轭转置；

如果λ_Σ＞0，则

如果λ_Σ≤0，则w＝0。

采用上述进一步方案的有益效果是采用了波束成形技术，该系统可以达到上述设计的安全速率的理论上界。

进一步，所述步骤(54)中计算系统的安全速率最优值，由下面公式计算，

其中，||||₂为向量的2范数。

附图说明

图1为本发明的窃听者与目标用户信息传输对齐示意图；

图2为本发明频控阵波速成形原理简图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明引入频控阵技术，通过优化天线阵列中各个天线的发射载波频率偏移，并结合使用波束成形技术，使得阵列传输波束具有距离分辨能力，即使目标用户与窃听者在传输方向对齐，也可以获得较大的安全速率，从而有效保障了通信安全。

在本发明中，天线阵列载波频率采用线性递增偏移策略，简化了频控阵系统的设计和实现难度，同时通过联合优化线性频偏增量和传输波束，使系统可以达到安全速率的理论最优值。如图2所示，本发明提供了一种基于线性递增频偏策略的频控阵安全通信方法，包括步骤：

(1)设置初始化参数；

初始化参数r_u,r_e,θ_u和θ_e，其中，r_u,r_e,分别表示目标用户与窃听者和信源天线之间的空间距离，θ_u和θ_e分别表示目标用户与窃听者和信源天线之间连线与正北方向的夹角；

初始化信源天线数M、相邻天线间的最大频率偏移量ΔF、和发射信号的参考载波频率为f_c；

根据公式初始化阵列天线之间的间距，其中，c表示电磁波传播速率；

初始化系统总功率上限P及通信系统中的噪声方差σ²。

(2)根据公式设定相邻天线间的最优频率偏移，其中，k取使Δf＞0的最小整数。

(3)根据该最优频率偏移参数设定各天线的实际载波频率f_m＝f_c+(m-1)Δf，m＝1,2,...,M,f_m表示第m根天线上的载波频率。

(4)根据实际载波频率，分别计算目标用户和窃听者的信道传输矢量；

根据公式计算目标用户频控阵传输信道矢量的第m个分量，以得到目标用户频控阵传输信道矢量

h_u＝[h_u,1,h_u,2,...,h_u,M]^T∈C^M×1；

根据公式计算窃听者频控阵传输信道矢量的第m个分量，以得到窃听者频控阵传输信道矢量

h_e＝[h_e,1,h_e,2,...,h_e,M]^T∈C^M×1；

其中，m＝1,2,...,M。

(5)根据所述信道传输矢量，利用矩阵分解技术计算最优波束形成向量，并计算系统的最优的安全速率；

具体包括以下步骤：

(51)根据目标用户和窃听者对应的频控阵传输信道矢量计算中间变量矩阵；具体过程为：

根据公式计算目标用户的信道协方差矩阵，

根据公式计算窃听者的信道协方差矩阵，

其中，和分别表示h_u和h_e的共轭转置向量；

根据公式计算矩阵

其中，I_M×M为M×M单位矩阵；

对矩阵做特征值分解，得到

其中，Λ是特征值对角矩阵，V是特征向量矩阵；

令则求的逆矩阵，得到其中，Λ是对角矩阵，为将Λ中的每一个对角元素开根号再取倒数；

得到中间变量矩阵为

(52)对中间变量矩阵做特征值分解，得到其最大特征值以及对应的特征向量；

(53)根据最大特征值及特征向量计算目标用户与窃听者的频控阵最优传输波束，具体过程为：

根据中间变量矩阵计算目标用户与窃听者的频控阵最优传输波束w＝[w₁,w₂,...w_M]^T，其中w的第m个分量w_m表示第m根天线的传输加权值，w计算过程为：

计算矩阵Σ的最大特征值λ_Σ，v_Σ为对应的特征向量；

计算中间向量表示向量ξ的共轭转置；

如果λ_Σ＞0，则

如果λ_Σ≤0，则w＝0。

(54)计算系统的安全速率最优值；

当频率偏移取得最优值频控阵实际载波频率使用线性频偏f_m＝f_c+(m-1)Δf，m＝1,2,...,M，频控阵波束成形加权向量取到最优传输波束w＝[w₁,w₂,...w_M]^T，则可以由公式计算系统的安全速率最优值，其中||||₂为向量的2范数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。