[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

摘要

本发明提供了一种基于随机频率分集阵列（Random Frequency Diverse Array,RFDA）和方向调制（Directional Modulation,DM）的精准无线安全传输技术，在本发明中，将人为噪声（Artificial Noise,AN）投影到期望位置导向向量的零空间来干扰周围潜在的窃听者，从而增强信号传输的安全性。相比传统的基于相控天线阵列（Phased Array,PA）的方向调制技术，本发明利用随机频率分集阵列将安全传输从一维（角度）提升为二维（距离和角度），实现精准的点对点信号传输。本发明中，获得了遍历安全速率下界的闭合表达式，研究了功率分配和频率分配对本发明性能的影响。本发明较原有的方向调制技术，可以有效的提高安全传输速率。

主权项

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，fn＝fc+knΔf,n＝0,1,...,N‑1               (1.1)其中，fc是中心载波频率，Δf是频率增量。kn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，kn的取值范围是的概率密度函数是f(x)=1M,-M2<x<M2---(1.2)]]>(2)随机频率分集阵列的第n个天线阵元的相位偏移为ψn(θ,R)=2πc(-bnfcdcosθ+knΔfR)---(1.3)]]>发射机阵列的归一化导向向量表示为h=1N[ejψ0(θ,R),ejψ1(θ,R),...,ejψN-1(θ,R)]T---(1.4)]]>(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,IN)，其中，IN表示N×N的单位矩阵，通常z与h(θd,Rd)不在同一平面。向量ζh(θd,Rd)位于h(θd,Rd)平面内，z‑ζh(θd,Rd)与h(θd,Rd)平面正交。因此，对于ζ，使得向量z‑ζh(θd,Rd)与h(θd,Rd)正交，因而，我们得到hH(θd,Rd)(z‑ζh(θd,Rd))＝0              (1.5)通过上式，可以得到ζ=hH(θd,Rd)zhH(θd,Rd)h(θd,Rd)---(1.6)]]>将ζ代入z‑ζh(θd,Rd)中，可以得到z‑ζh(θd,Rd)＝(IN‑h(θd,Rd)hH(θd,Rd))z            (1.7)我们发现矩阵(IN‑h(θd,Rd)hH(θd,Rd))可以将向量z投影到hH(θd,Rd)的零空间。因此，我们定义投影矩阵如下P(θd,Rd)＝IN‑hH(θd,Rd)h(θd,Rd)               (1.8)可以得到归一化的人为干扰噪声向量w=P(θd,Rd)z||P(θd,Rd)z||---(1.9)]]>基带发送信号可以表示为s=αPsvx+β2(1-α)Psw---(1.10)]]>其中，x为复信号星座图的符号，其平均功率满足E[||x||2]＝1。这里的E[]表示期望运算，|| ||表示复数的范数。在式(1.10)中，Ps是平均发射功率，α是功率分配因子。此外，v表示激励信号向量，用于保存沿θd方向发送的标准星座图。由于期望方向的导向向量为h(θd,Rd)，因此我们定义v＝h(θd,Rd)。(4)通过使用统计理论和矩阵理论。本发明的遍历安全速率下界为CLB=log2(-α2μB2+αμB(βF+μB-1)+βF+μBαμB(F-1μ-1)+βF+μB)---(1.11)]]>通过此闭合表达式的数值计算，可以获得最佳的功率分配因子α。