[发明专利]基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法

权利要求书

1.一种基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法，其特征在于，利用双功能雷达通信基站在T1时刻发射长度为m带有人工噪声的信号，对给定目标范围进行雷达检测，检测是否存在窃听者Eve；根据基站所接收的雷达回波进行分析，得到雷达的性能指标即检测概率β和虚警概率α，根据在T1时刻的雷达性能指标，设计T2时刻所发射信号的波束成型向量；

具体步骤如下：

步骤1、利用雷达通信一体化的特性来得到回波的二元假设；

步骤2、利用二元假设得出雷达的技术指标，即检测概率β和虚警概率α；

步骤3、根据所得到的雷达的技术指标，得到所使用的物理层安全的技术指标；

步骤4、根据技术指标，建立物理层安全的优化问题模型；

步骤5、通过忽略秩-1，并利用matlab的cvx工具箱，根据半正定松弛SDR技术进行求解，再利用高斯随机化近似，得到最优的雷达通信一体化波束成形矩阵；

所述步骤1，具体为：

雷达通信基站会先发射一组带有人工噪声的波形矩阵，用于防止在未知是否存在窃听者的情况之下被窃听者窃听，利用回波的特性做出雷达的二元假设；

具体为：

所使用的物理层安全的技术指标为：

SR＝mSR₁+1/2(M-m)((α+β)SR₁+(1-α)SR₂)

其中SR代表着总的安全速率，SR₁代表在T1时刻的安全速率，SR₂代表在T2时刻的安全速率，M代表总的发射符号长度，m代表T1时刻发射符号长度；

建立物理层安全的优化问题模型，具体为：

s.t.tr(U_i)＝1

tr(R_χ)＝P_t

m≤M

0≤P_z≤P_t

其中W_i＝w_iw_i^H表示信号的波束成型向量矩阵，U_i＝u_iu_i^H表示噪声信号矩阵，R_χ表示发射信号的协方差矩阵，p_z表示人工噪声发射功率，P_t则为发射信号的总功率；

步骤1中，利用雷达通信一体化的特性来得到回波的二元假设，具体如下：

(1)雷达接收回波向量

针对由N根天线组成的线性均匀天线阵列的双功能雷达通信矩阵，下行链路中服务K个用户，并且在雷达检测范围内可能存在窃听者Eve，根据二元假设则雷达检测回波向量Y_A(t)表示为：

其中代表无效假设，即在雷达的探测范围内没有现有目标；代表备选假设，即在探测范围内确实有目标；其中和分别为雷达截面RCS因子和发射信号矩阵；τ′和V则分别表示为时延和噪声，并且假设有相等的引导向量A(θ)＝a(θ)a(θ)^H其中则推导出雷达性能指标，即检测概率和虚警概率

对于发射信号向量x仍然存在着二元假设问题表示为：

其中w_i表示为信号的波束成型向量，u_i表示为噪声信号向量，P_z则表示人工噪声的功率，s_i发射信号符号；

(2)理想雷达方向图设计

理想的雷达图案设计优化方程表示为

s.t.tr(R_χ)＝P_t,

t≥0

其中R_χ表示这发射信号的协方差矩阵，R_d则为理想的雷达方向图，这里的θ_i表示目标所在角度信息，t和P(θ_i)为优化系数和优化图像；

(3)人工噪声矩阵设计

通过调制方式的星座图来判断噪声是否为有益的人工噪声，具体的优化方程表示为

s.t.arg(s_i)-π/M≤arg(q_i)≤arg(s_i)+π/M

其中的q_i表示第i个调制符号和第i个信道增益的积，s_i则表示所发射的第i个调制符号；

将求得的最优解定义为将剩下的噪声向量定义为d₂＝d-d_k，信道向量定义为h₂＝h-h_k，将剩下噪声波束成形向量映射到信道的零空间，表示为则人工噪声向量表示为：

u_i＝e₁z_k+E₂z₂。

2.根据权利要求1所述的基于物理层安全的雷达通信一体化波束成形方法，其特征在于，在T1时刻的安全速率SR₁，在T2时刻的安全速率SR₂，定义为：

其中R_Bi和R_Ei分别表示下行链路中第i个用户速率和窃听者速率。