[发明专利]一种基于多频对数频控阵的调制方法

说明书

本发明属于无线通信物理层安全技术领域，具体来说是一种基于多频对数频控阵的调制方法。本发明为了克服传统DM方法存在功率泄漏问题，引入WAN来代替传统OAN对合法接收方附近的功率泄漏点进行定点干扰，提出一种基于注水功率分配的人工噪声辅助的多频对数频控阵方向调制方法(MFDA‑DM‑WAN)，从而实现二维平面的安全传输。本发明基于多频对数频控阵设计了一种新颖的基于注水功率分配的人工噪声技术对合法接收方附近的功率泄漏点进行定点扰动。仿真结果表明：与传统正交域人工噪声方案相比，本发明所提出的人工噪声注水功率分配方案给窃听方带来了极大的挑战并且具有更好的误码率和保密容量性能。

技术领域

本发明属于无线通信物理层安全技术领域，涉及方向调制(DirectionalModulation，DM)技术，基于注水功率分配的人工噪声(Water-filling Algorithm ofPower Allocation for Artificial Noise，WAN)技术，多频对数频控阵(MultilogFrequency Diverse Array，MFDA)技术，更具体的说是涉及一种基于多频对数频控阵的调制方法。

背景技术

近年来随着无线通信技术的快速发展，人们对无线通信过程中的安全性问题越来越重视。现代无线通信的低延迟和高速率需求以及窃听方日益增强的计算能力使得越来越多的系统采用物理层安全技术来代替复杂度较高的上层密钥交换技术。传统正交域人工噪声(Orthogonal Artificial Noise，OAN)辅助的基于相控阵(Phased Array，PA)的方向调制技术作为一种新型发送方调制物理层安全技术被广泛研究，然而该技术存在以下几个问题：(1)当窃听方和合法接收方具有相同角度信息则该技术失去作用；(2)窃听方在靠近合法接收方的功率泄漏点处能获得不错的窃听效果。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述问题，为了克服传统DM方法存在功率泄漏问题，引入WAN来代替传统OAN对合法接收方附近的功率泄漏点进行定点干扰，提出一种基于注水功率分配的人工噪声辅助的多频对数频控阵方向调制方法(MFDA-DM-WAN)，从而实现二维平面的安全传输。

本发明的技术方案是：一种基于多频对数频控阵的调制方法，发送方Alice需要基于合法接收方Bob的位置信息(θ_B,R_B)来计算发送信号中的波束赋形矢量和人工噪声投影矩阵，包括以下步骤：

S1、获取波束赋形矢量w：

设h_B和h_E分别表示发送方(Alice)到合法接收方(Bob)和窃听方(Eve)的导向矢量，利用如下最优化问题求解波束赋形矢量：

其中目标函数表示最小化发送平均功率，约束保证了合法接收方Bob的无失真接收。所求得的最优解w能够保证在合法接收方无失真接收的同时，平面内其他位置泄漏能量最少；实际计算中求解上述优化问题的最优解使用的最小范数解来等效：

S2、获取人工噪声投影矩阵v：从波束赋形矢量w作用下的波束图中表明在合法接收方Bob附近存在功率泄漏旁瓣，假设Bob的接收主瓣位置附近存在L个功率泄漏旁瓣，位置为：(θ₁,R₁),(θ₂,R₂),…,(θ_L,R_L)，且每个旁瓣区域的功率为p₁,p₂,…,p_L(此处将旁瓣区域内所有点都近似为旁瓣的最高点)，以旁瓣位置的窃听方平均信干噪比最小为目标，建立如下优化问题求解最优人工噪声功率分配方案：

其中为高斯白噪声功率，β为人工噪声功率分配因子，α为功率归一化因子，优化问题解得：