一种天线子集方向调制方法与流程

本发明属于通信技术中的阵列信号处理领域，运用在需要进行防窃听通信的传输中，具体说的是一种新型的天线子集方向调制方法。

背景技术：

无线通信技术的发展和应用给生活带来了很大的方便，由于无线通信是一个开放的系统，它在带来方便的同时，安全性也是一个值得考虑和解决的问题。随着对信息安全要求的提高，以及窃听技术的不断发展，传统的安全方法受到越来越大的挑战，传统的安全技术亟待增强。物理层安全技术研究方向涉及的内容是在窃听接收机与期望接收具有相同的无线通信信号解调方法的条件下，如何在物理层实现无线通信信息安全的传输给接收机，而不是借助上层加密技术或保密通信协议等方法实现无线通信信息在物理层的安全传输。物理层安全技术目前成为通信安全领域的研究热点。

传统的无线通信发射机发射的信号在各个方向上仅存在信噪比的差异，信号的格式完全一致，位于非期望方向的窃听者使用高灵敏度的接收机就能够实现保密信息的截获，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系统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。方向调制信号具有很强的方向性，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。

方向调制系统能够使非目标方向的信号星座图产生失真。对于具有n根天线的均匀相控线阵来说，如果从中随机选取m根非对称天线作为天线子集进行相位的反转，其余天线的相位保持不变。无论如何选取天线子集，在期望方向总能综合出想要的星座图，而在非期望方向信号星座图会出现不同程度的畸变(如附图1所示)。

技术实现要素：

本发明的目的是，为了达到更好的畸变效果和提高天线的利用率，提出了一个新的思路：利用evm挑选出星座点在非期望方向恶化程度最大的几组相位反向的天线子集，可以使星座点在非期望方向的畸变达到最大，从而更好地实现防窃听。本发明的核心思想是利用evm挑选出在非期望方向星座点畸变达到最大的几组相位反相的天线子集。

本发明的技术方案是：

一种新型的天线子集方向调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、将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)e^jphase(x)，其中x为第x个星座点；

s2、在天线端形成发射信号，具体方法为：

s21、通过合理设置模拟相控阵天线移相器相位值，来补偿不同天线到达期望方向的相移，表示形式如公式1所示：

其中，θt表示期望方向；为传播常数，λ为发射信号波长；

表示第k个阵元到阵列中心相位参考点的距离。

s22、在具有n根天线的均匀线阵中，随机选取若干组需要进行相位反转的天线子集，其中每组天线子集包含m根非对称天线。由此可以得到天线发射端的信号为：

其中b(x)表示选取的若干组需要进行相位反转的天线子集。h′(θt)表示进过相位反转后模拟相控阵天线移相器相位值，其表示形式和相移值的表示形式如下所示：

s3、利用接收到的信号挑选出性能最好的若干组天线子集，具体方法为：

s31、由于信道矢量可以表示为

沿方位角θ，忽略噪声的影响，第x个符号在接收端的形式可以表示为：

若此时的方位角θ为期望方向，则此时的接收信号为y(x,θt)＝apm(x)e^jphase(x)；

s32、利用evm算法分别对每组天线子集接收到的信号计算其在非期望方向星座点的畸变程度：

其中，l为50～70°之间的扫描点数；

s33、找出evm最大的几个值所对应的方向反向的天线子集，说明这几组天线子集是随机选取的若干组天线子集中使第x个星座点在非期望方向畸变程度最大的天线子集，也就是发射第x个星座点性能最好的几组天线子集。

本发明的有益效果是：相对于传统技术，本发明的方法具有更强的安全性。在随机产生的相位反相的天线子集中利用evm算法找出使得每个星座点在非期望方向畸变最严重的天线子集，使得在非期望方向的误码率达到最大值，进一步保证了期望方向的安全性。同时，本发明在筛选最优天线子集的过程中只需要对每个星座点计算一次evm值，从而极大减少了计算复杂度。

附图说明

图1为基于天线子集的方向调制图。该图以qpsk信号为例，说明从n根天线中随机选取m根天线作为相位反转的天线子集时，在期望方向可以准确综合出基带信号的星座点，而在非期望方向则会使星座点产生畸变，起到防窃听的效果。

图2为16qam信号经过筛选出的最佳天线子集在50～70°范围内的evm曲线与16qam信号经过随机挑选出的天线子集在50～70°范围内的evm曲线的对比示意图。

图3为16qam信号经过不同天线子集在不同角度的星座点与标准星座点的对比示意图。

图4为16qam信号经过筛选出的最佳天线子集在50～70°范围内的ber曲线与16qam信号经过随机筛选出的天线子集在50～70°范围内的ber曲线的对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：

以16qam调制星座图为例，本例包括以下步骤：

s1：产生16qam信号的星座点，第x个星座点表示为

s2：在天线端形成发射信号，具体步骤如下：

s21、在天线端设置初始相位，来补偿不同天线到达期望方向的相移，表示形式如下所示：

假设天线阵列数为n＝100，期望方向θt＝60°，阵元间距为λ/2，参考坐标原点为阵元中心；

s22、在具有n根天线的均匀阵列中，随机选取100组天线子集，其中每组天线子集包含m＝51根非对称天线。由此可以得到天线发射端的信号为：

其中，b(k,x)代表发送第x个星座点时随机选取的第k组相位反相的天线子集，k∈[1,100]。

s3：利用接收到的信号挑选出性能最好的若干组天线子集，具体方法为：

s31、由于信道矢量可以表示为：

因此，在任意接收方向θ，忽略噪声的影响，接收端对接收到的第x个星座点综合得到的结果为：

此处的接收方向设置为50～70°，扫描间隔为0.1°；

s32、利用evm算法分别对100组天线子集综合出的星座点计算其在非期望方向星座点的畸变程度：

此处的l＝201，代表50～70°之间的201个扫描点；

s33、对每个星座点的100个evm进行排序，找出evm值最大的10组天线子集。所挑选出的这10组天线子集即为发送第x个星座点性能最优的天线子集，使用该天线子集发送星座点时，可以在期望方向θt处准确综合基带星座点，而在非期望方向综合出的星座点则会产生最大程度的畸变，达到更好的防窃听效果。

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，一个是经过本方法挑选出的10组性能最优的天线子集所得到的evm曲线与随机挑选的10组天线子集所得到的evm曲线的对比来验证基于优选的天线子集方向调制的效果；一个是比较不同天线子集在不同角度的星座点相对于标准星座点的畸变程度；一个是经过本方法挑选出的10组性能最优的天线子集所得到的ber曲线与随机挑选的10组天线子集所得到的ber曲线的对比来验证本方法实现的方向调制的安全性是更有效的。

图2为利用本方法筛选出的星座点所对应的性能最优的10组天线子集与随机挑选的10组天线子集的evm曲线的对比。其中红色打圈的曲线表示性能最好的10组天线子集，蓝色三角的曲线表示与随机挑选的10组天线子集。可以明显看出，与随机挑选的10组天线子集相比，性能最好的10组天线子集在越靠近期望方向时产生的畸变越大，而在接近期望方向时畸变迅速减小并趋于0.

图3为100组天线子集在58°和65°两个不同方向上综合出来的星座点与标准星座点的对比示意图。其中红色打星的为标准星座点，紫色打圈的为58°时综合出的星座点，黑色打圈的为65°时综合出的星座点。可以看出星座点在这两个非期望方向出现了明显的畸变，且性能较好的天线子集综合出的星座点的畸变程度远远大于性能较差的天线子集综合出的星座点的畸变程度。

图4为利用本方法筛选出来的10组性能最好的天线子集与随机挑选的10组天线子集发送同一组数据解调得到的误码率曲线。其中信道为高斯信道且snr＝10db。蓝色打圈的为性能最好的天线子集所对应的误码率曲线，红色打星的为与随机挑选的天线子集所对应的误码率曲线。可以看出，在接近期望方向时，性能最好的天线子集解调出的误码率明显大于性能最差的天线子集。并且在趋近于期望方向时，性能最好的天线子集的误码率迅速下降并趋近于0。

综上所述，本发明提出了一种新型的天线子集方向调制方法。通过算法对随机选出的天线子集进行进一步删选，利用每组天线子集在扫描范围内计算出的evm值作为删选标准，从中选出性能最好的几组天线子集，这种新型的方向调制方法相比于传统的方向调制方法具有更窄的波束，进一步提高了系统的安全性和可靠性；同时大大提高了发射端天线的利用率，降低了成本。本发明提出的算法可以在低复杂度的情况下更好的实现方向调制的安全性。