[发明专利]一种基于随机频率分集阵列和方向调制的无线安全传输技术

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信物理层安全传输技术领域，特别涉及一种基于随机频率分集阵列和方向调制的精准无线安全传输技术。

背景技术

作为一项新兴的物理层安全技术，方向调制在最近几年得到了国内外学者的广泛关注和研究。在传统的波束成形系统中，主瓣直接指向期望方向，以保证可靠的传输。此类方法在预定方向能够得到最大的接收功率，但在旁瓣上却可能出现信息的泄漏。方向调制系统可以保证期望方向的安全传输，同时扭曲所有其他方向上信号的星座图。即使窃听端接收到的信号功率与期望方向相同甚至更高，也不能对信息进行准确修复。如附图8所示的方向调制原理，由于标准的QPSK调制信号经过方向调制系统的有关处理，在窃听者1和窃听者2处，QPSK星座图扭曲的十分严重，几乎没有被正确恢复出来的可能性。而在期望用户处，星座图只会发生幅度上等比例的伸缩，很容易恢复有用信号。

目前方向调制的方法主要分为两类，一种是利用射频端元器件的组合来实现，另外一种侧重于基带信号的算法设计来实现。但是基于射频端元器件的方案受限于有限的天线阵列结构排布、高速RF开关和高精度的相移器，实现复杂度高，成本高昂，制约方向调制走向实用化。另外，由于元器件的排列缺乏灵活性，信号星座图的变化范围较小，窃听者通过一段时间的观察可以发现其中变化的规律，从而可以破译有用信息。相比于前者，基于基带信号处理的方案优势明显，通过加入与期望方向垂直的人为干扰噪声，信号的星座图保持动态变化，从而使窃听者不能追踪星座图轨迹变化的规律，从而无法破解。

之前关于方向调制的研究是建立在相控天线阵列基础上，在这些研究中，通常会默认窃听者与期望接收者的方向角不相同。但是在实际的应用场景下，窃听者往往处于静默状态，也就是不会主动向外传输能量，发射机并不知道窃听者的准确位置，所以窃听者同样有可能会位于期望方向上。这就使得信息的传输不再安全。

频率分集阵列可以生成可控的距离-角度波束图，给解决上述问题带来了希望，但是传统的频率分集阵列，也就是线性频率分集阵列，生成的波束图中距离和角度会出现耦合现象，周期性的在一些非期望的角度和距离的位置出现安全漏洞。最近有学者提出的随机频率分集阵列通过将随机分配阵列中每个阵元的发射频率，从而去除了波束图里面的距离和角度的耦合。本发明中提出的基于随机频率分集阵列的方向调制，能够实现点对点的精准通信。

发明内容

本发明旨在提供一种基于随机频率分集阵列和方向调制的精准无线安全传输技术，通过使用随机频率分集阵列和人为干扰噪声，使得方向调制算法支持点对点的精准通信，以充分提高物理层传输的安全性。

1.一种基于随机频率分集阵列和方向调制的精准无线安全传输技术，在本发明中，采用随机频率分集阵列和人为噪声来增强无线通信物理层传输的安全性。相比传统的基于相控天线阵列的方向调制技术，本发明将安全传输从一维(角度)提升为二维(距离和角度)，实现精准的点对点信号传输。基于随机频率分集的方向调制信号合成的具体过程包括：

(1)每个阵元的载波频率在一定带宽内进行随机映射，

f_n＝f_c+k_nΔf,n＝0,1,...,N-1 (1.12)

其中，f_c是中心载波频率，Δf是频率增量。k_n是随机频率映射因子，其分布满足随机分布，例如，连续均匀分布和离散均匀分布。

以连续随机均匀分布为例，k_n的取值范围是的概率密度函数是

(2)随机频率分集阵列的第n个天线阵元的相位偏移为

发射机阵列的导向向量表示为

(3)人工噪声向量z由N个功率为1的复高斯变量组成，即z～CN(0,I_N)，其中，I_N表示N×N的单位矩阵，通常z与h(θ_d,R_d)不在同一平面。向量ζh(θ_d,R_d)位于h(θ_d,R_d)平面内，z-ζh(θ_d,R_d)与h(θ_d,R_d)平面正交。因此，对于ζ，使得向量z-ζh(θ_d,R_d)与h(θ_d,R_d)正交，因而，我们得到