本發(fā)明屬于通信技術(shù)中的陣列信號(hào)處理領(lǐng)域，運(yùn)用在進(jìn)行需要進(jìn)行防竊聽通信的高速率傳輸中，實(shí)現(xiàn)方法是基于波束成形的高階方向調(diào)制。

背景技術(shù)：

隨著無線通信技術(shù)在不同行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，通信信息在傳輸過程中的安全性問題越發(fā)引起人們的關(guān)注。傳統(tǒng)的解決方案都是采用密鑰和安全傳輸協(xié)議來保證通信信息的安全性，但隨著竊聽者計(jì)算能力的增強(qiáng)和新型無中心網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，傳統(tǒng)方式的安全方案受到越來越多的挑戰(zhàn)。物理層安全是近年來在香農(nóng)信息論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的利用無線通信系統(tǒng)自身的特點(diǎn)來解決傳輸信息安全性的研究熱點(diǎn)，如人工噪聲輔助物理層安全通信系統(tǒng)、基于編碼技術(shù)的物理層安全通信系統(tǒng)和基于博弈理論的協(xié)作物理層安全通信系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的無線通信發(fā)射機(jī)都是在基帶實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信信息的調(diào)制,然后上變頻到射頻,調(diào)制射頻信號(hào)經(jīng)過放大器激勵(lì)發(fā)射天線或天線陣輻射通信信息。以這種方式發(fā)射的無線通信信號(hào),竊聽接收機(jī)在旁瓣中接收信號(hào)包含的信息與主瓣期望接收機(jī)接收信號(hào)相同,唯一的不同之處在于接收信號(hào)的信噪比不同,如果竊聽接收機(jī)足夠的靈敏度仍然可以從接收信號(hào)中解調(diào)出有用的通信信息。針對(duì)這一情況來，近年來，研究者將多天線收發(fā)陣列應(yīng)用于物理層安全通信領(lǐng)域，提出了方向調(diào)制技術(shù)。該技術(shù)利用無線通信系統(tǒng)中多天線發(fā)射陣列直接在天線端綜合出具有方向特性的數(shù)字調(diào)制信號(hào)，從信號(hào)調(diào)制角度解決通信信息在傳輸過程中的安全性問題。發(fā)射的無線通信信號(hào)在期望方位接收信號(hào)星座點(diǎn)之間的相對(duì)相位關(guān)系與基帶數(shù)字調(diào)制信號(hào)相同，合法用戶可以正常解調(diào)接收信號(hào)；而非期望方位竊聽接收機(jī)接收信號(hào)星座點(diǎn)之間的相對(duì)相位關(guān)系產(chǎn)生畸變，竊聽者無法從接收信號(hào)中解調(diào)通信信息。

傳統(tǒng)的方向調(diào)制技術(shù)一般利用相控陣天線的N根天線不同相移值的變化在天線遠(yuǎn)端綜合出想要的星座圖，現(xiàn)階段的方向調(diào)制一般是在恒包絡(luò)的條件下進(jìn)行有限的調(diào)制，而為了實(shí)現(xiàn)更高階的星座圖調(diào)制，需要考慮不同幅度的調(diào)制和不同相位點(diǎn)的調(diào)制問題，本文提出一個(gè)新的思路，通過波束成形增益實(shí)現(xiàn)不同幅度的調(diào)制，同時(shí)盡量減少損失由于方向調(diào)制帶來的增益損失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于波束成形的高階方向調(diào)制方法。本發(fā)明方法是是在對(duì)于高階調(diào)制的時(shí)候利用波束成形的增益放大倍數(shù)實(shí)現(xiàn)不同幅度的調(diào)制,并且盡量逼近傳統(tǒng)的波束成形增益。

為了方便理解，首先介紹本發(fā)明使用的模型：

本發(fā)明用于在空間中實(shí)現(xiàn)陣列增益和方向調(diào)制的安全性結(jié)合，基本模型為陣列天線在遠(yuǎn)場(chǎng)所形成的電磁場(chǎng)值：其中，代表傳輸方向的波數(shù)矢量，和代表接收點(diǎn)位置矢量和各個(gè)陣元距離值。

對(duì)于全向天線陣元單個(gè)天線的方向圖AP_n(θ)＝1,同時(shí)在線陣中使用半波長作為陣元間距,所以天線的遠(yuǎn)場(chǎng)E可以定義為公式其中，θ是信號(hào)入射角，法線設(shè)定為90^o，相位中心點(diǎn)設(shè)定為陣列中心，n＝1,2...N。

一種基于波束成形的高階方向調(diào)制方法，具體步驟如下：

S1、建立不同于傳統(tǒng)波束成形的天線遠(yuǎn)場(chǎng)模型：在方向調(diào)制(DM)中，G_n隨著D_m的變化進(jìn)行不停的更新，同時(shí)將當(dāng)成一個(gè)新的復(fù)數(shù)增益G_n'來控制波束成形網(wǎng)絡(luò)同時(shí)代替基帶D_m進(jìn)行調(diào)制，其中，N為天線陣列數(shù)，θ是信號(hào)入射角；

S2、將高階調(diào)制星座圖分為幅度AMP和相位PHASE兩部分，即單個(gè)星座點(diǎn)值為AMP(x)e^jPHASE(x)，其中，x為第x個(gè)星座點(diǎn)，AMP為針對(duì)最外圍幅度進(jìn)行歸一化后的幅度；

S3、利用陣列天線數(shù)N，設(shè)定目標(biāo)星座圖最外圍星圖點(diǎn)幅度為N-y，設(shè)定各個(gè)星座點(diǎn)在天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射目標(biāo)值為(N-y)*AMP(x)e^jPHASE(x)其中，0＜y≤1；

S4、經(jīng)過陣列信號(hào)的權(quán)值的變化，合成期望目標(biāo)星座點(diǎn)，具體步驟如下：

S41、建立利用相控陣天線權(quán)值合成星座點(diǎn)的模型如下：

其中，中的φ_i為通過遺傳算法或者粒子群算法等進(jìn)行求全局求解后獲得的數(shù)值，使其和等于期望星座點(diǎn)(N-y)*AMP(x)e^jPHASE(x)，其中，i＝1,2,....,N；

S42、利用非數(shù)值算法例如遺傳算法、粒子群算法等綜合星座圖，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為第x個(gè)星座點(diǎn)AMP(x)e^jPHASE(x)，通過多次迭代進(jìn)行求解最優(yōu)值的x組N個(gè)

S5、代入已經(jīng)通過DOA估計(jì)算法或者預(yù)先指定期望安全接收方向通過傳統(tǒng)波束成形算法如(LCMV)算法獲得N個(gè)天線陣元的權(quán)值

S6、得到的優(yōu)化天線陣元權(quán)值作為新的發(fā)射天線陣元權(quán)值；

S7、將基帶調(diào)制信號(hào)進(jìn)行分類，按照不同的符號(hào)對(duì)應(yīng)不同的天線陣元組進(jìn)行映射。在進(jìn)行實(shí)際信號(hào)發(fā)射中，通過不同符號(hào)的映射每發(fā)射一個(gè)符號(hào)映射一次相應(yīng)的天線權(quán)值，便形成了在期望方向上的高階方向調(diào)制。

本發(fā)明的有益效果是：

高階調(diào)制的包絡(luò)不是恒定的，會(huì)有幅度的差別，如果將其幅度因素同時(shí)考慮進(jìn)天線遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射電場(chǎng)里，整體進(jìn)行考慮，即通過波束成形網(wǎng)絡(luò)的不同增益實(shí)現(xiàn)幅度的差異，在空氣中傳播的時(shí)候經(jīng)歷的是相同信道衰落，所以類似于傳統(tǒng)的基帶調(diào)制。同時(shí)，使用方向調(diào)制的方法進(jìn)行陣元權(quán)值的更新替代基帶調(diào)制，同時(shí)保證了期望方向的安全性和波束成形增益的非降低性。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)的16APSK信號(hào)經(jīng)過波束成形網(wǎng)絡(luò)形成的星座圖與基于波束成形方向調(diào)制的16APSK星座圖。

圖2為通過不同星座點(diǎn)的陣列增益值。

圖3為不同角度上，16APSK經(jīng)過信道后的誤碼率。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。

一種基于波束成形的實(shí)現(xiàn)高階方向調(diào)制方法，具體步驟如下：

S1：建立不同于傳統(tǒng)波束成形的天線遠(yuǎn)場(chǎng)模型：假設(shè)天線陣列數(shù)為N＝16，陣元間距為λ/2。

通過公式可以看出來，其不同的調(diào)制符號(hào)中，遠(yuǎn)場(chǎng)輻射矢量是一致的，通過在不同調(diào)制符號(hào)引入新的自由度能夠有效的增強(qiáng)其輻射電場(chǎng)的安全性。

在方向調(diào)制(DM)中，G_mn隨著D_m的變化進(jìn)行不停的更新，同時(shí)將當(dāng)成一個(gè)新的復(fù)數(shù)增益G_mn'來控制波束成形網(wǎng)絡(luò)同時(shí)代替基帶D_m進(jìn)行調(diào)制，、也可以將其看成一種新的天線權(quán)值。

S2：將16APSK調(diào)制星座圖分為外圈幅度1，內(nèi)圈幅度0.5540，8*8APSK調(diào)制，內(nèi)外圈相位分別為π/8初始相位，以π/4為相位間隔，8個(gè)相位，內(nèi)外圈相位相同。同時(shí)按照原定義的AMP(x)e^jPHASE(x)進(jìn)行分布，AMP為以最外圍幅度進(jìn)行歸一化后的幅度。

S3：利用陣列天線數(shù)16，設(shè)定目標(biāo)星座圖最外圍星圖點(diǎn)幅度(16-0.5)，那么設(shè)定各個(gè)星座點(diǎn)在在天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射目標(biāo)值為(16-0.5)*AMP(x)e^jPHASE(x).

S4：設(shè)定經(jīng)過陣列信號(hào)的權(quán)值的變化，合成期望目標(biāo)星座點(diǎn)，具體步驟如下：

S41：建立利用相控陣天線權(quán)值合成星座點(diǎn)的模型如下：

其中，中的φ_i為通過遺傳算法或者粒子群算法等進(jìn)行求全局解后獲得的數(shù)值，使其和等于期望星座點(diǎn)(15.5)*AMP(x)e^jPHASE(x)。

S42：利用非數(shù)值算法例如遺傳算法綜合星座圖，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為第x個(gè)星座點(diǎn)AMP(x)e^jPHASE(x)，通過多次迭代進(jìn)行求解最優(yōu)值的x組16個(gè)

S421：隨機(jī)生成10000個(gè)二進(jìn)制遺傳個(gè)體。

S422：設(shè)定相控陣的范圍-pi～+pi，將隨機(jī)生成的二進(jìn)制序列范圍設(shè)定為相控陣范圍，一一對(duì)應(yīng)，求目標(biāo)函數(shù)值設(shè)定N＝16。

S423：計(jì)算個(gè)體適應(yīng)值。

S424：選擇、單點(diǎn)重組交叉

S425：交叉變異。

S426：二進(jìn)制到十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，然后計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值。

S427：再次迭代，設(shè)定遺傳代數(shù)為50代，保存最優(yōu)值。

S5:假設(shè)已經(jīng)通過DOA估計(jì)算法或者預(yù)先指定期望安全接收方向θ，通過傳統(tǒng)波束成形算法如(LCMV)算法等獲得16個(gè)天線陣元的權(quán)值

S6：結(jié)合S4和S5得到的優(yōu)化天線陣元權(quán)值作為新的發(fā)射天線陣元權(quán)值。

S7：將基帶調(diào)制信號(hào)進(jìn)行分類，按照不同的符號(hào)對(duì)應(yīng)不同的天線陣元組進(jìn)行映射。在進(jìn)行實(shí)際信號(hào)發(fā)射中，通過不同符號(hào)的映射每發(fā)射一個(gè)符號(hào)映射一次相應(yīng)的天線權(quán)值，便形成了在期望方向上的高階方向調(diào)制。

S5:假設(shè)已經(jīng)通過DOA估計(jì)算法或者預(yù)先指定期望安全接收方向θ，通過傳統(tǒng)波束成形算法如(LCMV)算法等獲得N個(gè)天線陣元的權(quán)值

S6：結(jié)合S4和S5得到的優(yōu)化天線陣元權(quán)值作為新的發(fā)射天線陣元權(quán)值。

S7：將基帶調(diào)制信號(hào)進(jìn)行分類，按照不同的符號(hào)對(duì)應(yīng)不同的天線陣元組進(jìn)行映射。在進(jìn)行實(shí)際信號(hào)發(fā)射中，通過不同符號(hào)的映射每發(fā)射一個(gè)符號(hào)映射一次相應(yīng)的天線權(quán)值，便形成了在期望方向上的高階方向調(diào)制。

下面將其他相關(guān)算法同本發(fā)明方法的算法性能對(duì)比分析，以進(jìn)一步驗(yàn)證本發(fā)明的性能。

采用了三個(gè)方面來度量算法的有效性，一個(gè)是用經(jīng)過傳統(tǒng)基帶調(diào)制后經(jīng)過16陣元天線后形成的星座圖和經(jīng)過本方法實(shí)現(xiàn)的星座圖進(jìn)行對(duì)比；一個(gè)是用是不同星座點(diǎn)的波束方向圖驗(yàn)證其陣列增益的損失；一個(gè)是使用傳統(tǒng)誤碼率曲線說明本方法實(shí)現(xiàn)的方向調(diào)制的安全性是有效的，只在期望方向的誤碼率隨著誤碼率升高而降低，而非期望方向隨著誤碼率升高無改變。

圖1為傳統(tǒng)星座圖和本方法產(chǎn)生星座圖對(duì)比(都是添加了陣列增益后的)，打叉為傳統(tǒng)星座圖點(diǎn)，圓圈的為本方法星座圖點(diǎn)，可以看得出來，其完全重合。

圖2為通過不同星座點(diǎn)陣列增益，會(huì)發(fā)現(xiàn)最外圈的星座點(diǎn)正好接近滿陣列增益，達(dá)到傳統(tǒng)波束成形的效果，內(nèi)圈利用增益實(shí)現(xiàn)了幅度的放縮。

圖3為四個(gè)不同方向的誤碼率曲線，可以看到在期望角度45^o上隨著誤碼率升高而降低，而非期望方向隨著誤碼率升高無改變。

綜上所訴，本專利提出了一個(gè)新的基于波束成形的實(shí)現(xiàn)高階方向調(diào)制方法方法。通過將波束成形的增益和方向調(diào)制自身的調(diào)制原理結(jié)合，將其幅度因素同時(shí)考慮進(jìn)天線遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射電場(chǎng)里，整體進(jìn)行考慮，即通過波束成形網(wǎng)絡(luò)的不同增益實(shí)現(xiàn)幅度的差異，在空氣中傳播的時(shí)候經(jīng)歷的是相同信道衰落，所以類似于傳統(tǒng)的基帶調(diào)制。同時(shí)使用方向調(diào)制的方法進(jìn)行陣元權(quán)值的更新來實(shí)現(xiàn)代替基帶調(diào)制，保證了期望方向的安全性和波束成形增益的非降低性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本發(fā)明提出的算法可以在盡量不減少波束成形增益的條件下，實(shí)現(xiàn)方向調(diào)制的安全性。