[发明专利]基于方向调制的多中继协助安全精准无线通信合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于方向调制的多中继协助安全精准无线通信合成方法。

背景技术

移动互联网的迅猛发展为人们的工作、生活带来了极大的便利，与此同时，伴随而来的无线传输中的安全问题也愈发严重。除了传统的上层加密技术，近年来，一种更为底层的安全传输技术——物理层安全传输技术引起了研究人员广泛关注。物理层安全主要研究合法信道与窃听信道之间的差异，目的是增强合法信道质量的同时，降低窃听信道的质量，以此达到安全通信的目的。

方向调制作为一项新兴的物理层安全技术，其特点是能够将有用信号发送到指定的期望方向，保证期望接收机的正常通信，同时扭曲有用信号在其他方向上的星座图，使得窃听机无法恢复出有用信号。随后，人工噪声的概念被应用到方向调制技术中，发射机在发送有用信号的同时发送人工噪声，并且令发送的人工噪声位于期望方向的零空间内，使其对期望用户的干扰为零，而对窃听用户的干扰更加强烈，进一步保证了无线通信的安全性。传统方向调制系统虽然能够实现期望方向上的安全通信，但均假设窃听者位于期望方向之外的方向上，忽视了窃听者可能会移动至期望方向上的情况，因而存在严重的安全隐患，相关问题亟待研究人员解决。

对于中继的研究与应用由来已久，中继的加入有效地拓展了无线通信的覆盖范围、增强了无线通信的可靠性。随着协助中继与物理层安全结合研究的不断深入，除了传统的放大转发和解码转发等中继协作策略，还出现了针对物理层安全通信的协作干扰和噪声转发等策略，运用这些策略，可以克服传统信道条件的限制，在安全速率以及发射功效方面明显提升系统的性能。由此本发明引入多中继协助通信，以实现针对期望位置的安全精准无线通信。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于方向调制的多中继协助安全精准无线通信合成方法，将传统方向调制发射机作为中继使用，多个方向调制中继构成中继组，每个中继对接收到的源信号进行转发，并且在发送有用信号的同时加入人工噪声，使有用信号沿期望方向发送至期望位置，并在期望位置处汇聚，最大化期望接收机的接收信噪比；而人工噪声在期望方向以外的区域相互叠加，并且覆盖中继到期望位置的路径及其延长线，即对传统方向调制中存在安全隐患的区域进行干扰，实现期望位置的安全精准无线通信。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括：每个方向调制中继均配置均匀线性阵列天线，并且具备收发信号的能力，工作在全双工模式，以译码转发的形式进行信号转发；对于单个中继而言，定义其指向期望位置的方向为相应的期望方向；每个中继根据自身的期望方向，利用最大化信泄噪比准则或者正交投影法计算有用信号波束成形向量和人工噪声投影矩阵，使得阵列天线发送的有用信号的主瓣指向期望方向，即对准期望位置。

进一步地，具体过程包括：S1.在第一个时隙中，源发射机将有用信号发送给方向调制中继组，所有中继接收到有用信号后先对其进行译码，然后对译码信号在编码，用于第二个时隙的转发；S2.考虑两种应用场景分别设计有用信号波束成形向量与人工噪声投影矩阵：1)当窃听者位置信息已知时，利用最大化信泄噪比准则，使有用信号在期望位置的能量最大化，同时使人工噪声在窃听位置的能量最大化；2)当窃听角位置信息未知时，利用正交投影法，使期望位置获得最大的接收信噪比，同时人工噪声位于期望方向导向向量的零空间，即阵列天线发送的人工噪声在期望位置处形成“零陷”；S3.在第二个时隙中，每个中继根据S2中计算相应的有用信号波束成形向量以及人工噪声投影矩阵，将第一个时隙中经过再编码的有用信号与随机产生的人工噪声信号一同发射出去。

进一步地，当窃听位置信息已知，利用最大化信泄噪比准设计有用信号波束成形向量时，将有用信号发送到期望位置处的能量与泄漏到窃听位置的能量之比最大化；设计人工噪声投影矩阵时，将人工噪声看作是发送给窃听用户的有用信号，被期望用户接收到的人工噪声视为泄漏，使人工噪声在窃听位置处的能量与泄漏到期望位置处的能量之比最大化。

进一步地，当窃听位置信息未知，利用正交投影法设计有用信号波束成形向量时，基于最大合并比准则，使有用信号在期望位置处获得最大的信噪比；设计人工噪声投影矩阵时，目的是为了让发送的人工噪声位于期望方向导向向量的零空间中，如此，人工噪声便不会对期望位置造成干扰，而仅仅对期望位置以外的区域进行干扰，同时为了进一步增强干扰能力，利用随机向量使得发送的人工噪声在期望方向导向向量的零空间中更新，以实现动态干扰。