[发明专利]一种优化稀疏阵列的多播方向调制方法

说明书

本发明提供了一种优化稀疏阵列的多播方向调制方法，通过调节每个天线子集阵元相移器的值得到指向固定方向的波束；同时，由于每次均随机选择发送给不同方向接收机的天线子集，随机的天线子集选择，对于其他非理想方向相当于一种乘性噪声，从而很大程度上扰乱非理想方向接收到的信号实现安全通信的目标，通过模拟退火优化算法对激活的天线阵元进行选择，去除某些造成高旁瓣的稀疏天线阵列组合，减少信息的旁瓣泄露，保证通信安全。本发明结合基于天线子集选择的方向调制技术保证在目标接收方向信息的正常接收，而在其他非目标接收方向由于天线子集的随机组合对有用信息进行扰乱，非目标接收方向无法解析出有用信息，保证卫星多播物理层安全通信。

技术领域

本发明涉及物理层安全领域，尤其是基于方向调制的物理层安全技术，具体为一种多播方向调制方法。

背景技术

近些年，卫星通信发展态势迅猛，但是伴随带来的安全性问题也越来越显著。传统的安全机制主要依赖于数据链路层、网络层、传输层、应用层等上层加密算法，理论认为处在开放信道中的窃听者如果在有效时间内无法破解加密算法，则认为收发双方的通信安全得到了保证，因此传统的安全机制主要取决于保密算法的计算量。随着计算机能力的大幅提高，尤其是新型量子计算机、超级计算机技术的发展，传统的依赖于计算复杂度的加密算法收到了严峻的考验。研究者将注意力集中在无线通信的物理层，希望通过无线信道的特性来增强通信安全，为传统的安全体制外加一层保护屏障。方向调制作为一种新兴的多天线物理层安全技术其利用合法信道和窃听信道之间的差异，将有用信息发送到期望方向上，同时在非期望方向上将有用信息扰乱，进而实现更加安全可靠的无线信息传输。

目前常用的方向调制技术主要有：双波束方向调制、噪声叠加的方向调制技术、切换天线方向调制技术。

双波束方向调制：将正交调制的I路信号和Q路信号合成作用放在空间中完成，缺点表现为在非期望方向信号的星座图变化不够随机。

噪声叠加的方向调制技术：将人工噪声的概念与方向调制技术进行了结合，发送有用信号的同时，通过分配一定功率的人工噪声达到方向调制的目标，缺点表现在需要提前对发射机的功率进行合理分配。

切换天线方向调制技术：通过随机闭合或关闭射频通路，达到方向调制的目标，广泛应用于毫米波通信中，但存在部分天线子集组合会产生较高的旁瓣，对物理层安全造成威胁。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种优化稀疏阵列的多播方向调制方法，属于切换天线方向调制技术的大类，以卫星多播信息传输为背景，本发明通过模拟退火优化算法对激活的天线阵元进行选择，去除某些造成高旁瓣的稀疏天线阵列组合，减少信息的旁瓣泄露，保证了通信安全。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤为：

步骤一：发射信号

如图1所示，发射端放置一个均匀线阵，该均匀线阵由N个阵元组成，相邻阵元之间的距离为d，每个阵元均与一个射频链路相连接，射频链路包括功率放大器和相移器；存在L个位于不同方位的理想接收机，每发送一个符号，发射端会随机形成L个天线子集，每个天线子集包括M个阵元，即N＝M*L；通过调节每个天线子集阵元相移器的值得到指向固定方向的波束；同时，由于每次均随机选择发送给不同方向接收机的天线子集，随机的天线子集选择，对于其他非理想方向相当于一种乘性噪声，从而很大程度上扰乱非理想方向接收到的信号实现了安全通信的目标；

在一个窄带系统中，T时刻发送给L个理想接收方向的符号为：

其中，E_sl表示发送给第l个理想接收机的符号能量，φ_l表示发送给第l个理想接收机的符号相位；

因此，发射端传输信号的导向矢量表示为：