基于相位賦形的方向調(diào)制信號綜合方法研究

洪 濤

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基于相位賦形的方向調(diào)制信號綜合方法研究

洪 濤*

(南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 南京 210003)

方向調(diào)制技術(shù)采用多天射陣列在天線端綜合出具有方向特性的數(shù)字調(diào)制信號，是近年來物理層安全通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。現(xiàn)有方向調(diào)制信號綜合算法主要基于遺傳算法和矢量法，但由于不同文獻(xiàn)研究的通信系統(tǒng)模型不同，基于這兩種算法的方向調(diào)制信號應(yīng)用都具有一定的局限性。該文從竊聽接收機(jī)所在的非期望方位接收方向調(diào)制信號星座點(diǎn)之間的相對相位關(guān)系產(chǎn)生畸變這一方向調(diào)制信號物理層安全本質(zhì)出發(fā)，提出一種基于相位賦形的方向調(diào)制信號綜合算法。首先根據(jù)不同的通信模型建立期望的相位波束空間覆蓋函數(shù)，然后對期望的賦形相位波束采用空間傅里葉變換得到發(fā)射陣列的加權(quán)值。仿真結(jié)果表明該文提出的方向調(diào)制信號綜合算法適用于筆形相位波束單用戶信道、扇形相位波束的廣播信道和多用戶正交信道等不同的通信應(yīng)用場景，為方向調(diào)制信號在不同通信場景中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

無線通信；物理層安全；方向調(diào)制；空間傅里葉變換

1 引言

隨著無線通信技術(shù)在不同行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，通信信息在傳輸過程中的安全性問題越發(fā)引起人們的關(guān)注。傳統(tǒng)的解決方案都是采用密鑰和安全傳輸協(xié)議來保證通信信息的安全性，但隨著竊聽者計(jì)算能力的增強(qiáng)和新型無中心網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，傳統(tǒng)方式的安全方案受到越來越多的挑戰(zhàn)。物理層安全是近年來在香農(nóng)信息論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的利用無線通信系統(tǒng)自身的特點(diǎn)來解決傳輸信息安全性的研究熱點(diǎn)，如人工噪聲輔助物理層安全通信系統(tǒng)[5]、基于編碼技術(shù)的物理層安全通信系統(tǒng)[6]和基于博弈理論的協(xié)作物理層安全通信系統(tǒng)[7]。

近年來，研究者將多天線收發(fā)陣列應(yīng)用于物理層安全通信領(lǐng)域，提出了一種方向調(diào)制技術(shù)。該技術(shù)利用無線通信系統(tǒng)中多天線發(fā)射陣列直接在天線端綜合出具有方向特性的數(shù)字調(diào)制信號，從信號調(diào)制角度解決通信信息在傳輸過程中的安全性問題。方向調(diào)制信號發(fā)射機(jī)通過綜合算法控制多天線發(fā)射陣列的相移器、天線陣元間的互耦電流、天線陣切換發(fā)射等方法在期望方位直接綜合出數(shù)字基帶調(diào)制信號。這樣發(fā)射的無線通信信號在期望方位接收信號星座點(diǎn)之間的相對相位關(guān)系與基帶數(shù)字調(diào)制信號相同，合法用戶可以正常解調(diào)接收信號；而非期望方位竊聽接收機(jī)接收信號星座點(diǎn)之間的相對相位關(guān)系產(chǎn)生畸變，竊聽者無法從接收信號中解調(diào)通信信息。。文獻(xiàn)[8,9]采用遺傳算法控制相控陣相移器在期望方位綜合出基帶數(shù)字調(diào)制信號。文獻(xiàn)[11]中采用遺傳算法控制重構(gòu)天線的發(fā)射結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)方向調(diào)制信號的綜合。在此基礎(chǔ)上文獻(xiàn)[12]將這種遺傳算法控制相移器的綜合方法拓展到有限相移值的數(shù)字式相移器。文獻(xiàn)[13]將相控陣方向調(diào)制信號應(yīng)用拓展到多用戶通信模型，實(shí)現(xiàn)空間多個(gè)方位方向調(diào)制信號的綜合，但算法只能實(shí)現(xiàn)空間中幾個(gè)固定方位的方向調(diào)制信號綜合，如果接收機(jī)的空間方位變化，需要改變發(fā)射陣元的陣元間距。基于遺傳算法的方向調(diào)制信號綜合方法需要在解空間搜索目標(biāo)函數(shù)的解，算法具有一定的復(fù)雜度。因此，文獻(xiàn)[14]中提出了一種基于矢量合成法的相控陣方向調(diào)制信號綜合方法，陣元發(fā)射信號與矢量合成圖中的矢量一一對應(yīng)，在期望方位多個(gè)矢量綜合出與基帶數(shù)字調(diào)制信號對應(yīng)的矢量形式。相比于遺傳算法，矢量法具有算法相對簡單綜合過程更加直觀的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[15]在矢量合成法的基礎(chǔ)上總結(jié)了方向調(diào)制信號相比于傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[16]將矢量合成法拓展到多用戶通信模型下，實(shí)現(xiàn)BPSK-QPSK雙向方向調(diào)制信號的綜合。區(qū)別于基于相控陣的方向調(diào)制信號，文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)出了一種基于方向調(diào)制技術(shù)的60G無線通信片上集成系統(tǒng)，采用遺傳算法控制發(fā)射陣元之間的互耦電流，發(fā)射的多個(gè)波束在期望方位綜合出基帶數(shù)字調(diào)制信號。文獻(xiàn)[17]在此基礎(chǔ)上提出了一種基于角型反射器天線的雙波束方向調(diào)制信號。文獻(xiàn)[18]提出了一種基于切換天線陣的方向調(diào)制信號，采用擴(kuò)頻序列控制切換天線陣的切換方式，在空間期望方位通過發(fā)射天線的切換綜合出一種方向調(diào)制擴(kuò)頻信號，將方向調(diào)制信號與擴(kuò)頻信號的安全特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合。進(jìn)一步，文獻(xiàn)[19]基于切換天線時(shí)間調(diào)制理論提出了一種4維陣方向調(diào)制信號發(fā)射機(jī)，利用天線高速切換產(chǎn)生的諧波作為人工干擾噪聲，抑制非期望方位竊聽用戶的性能。

上述的方向調(diào)制信號綜合算法中都是以期望方位綜合出基帶數(shù)字調(diào)制信號為目標(biāo)函數(shù)，算法多針對單用戶的點(diǎn)對點(diǎn)通信模型提出。如果系統(tǒng)本身需要發(fā)射的方向調(diào)制信號覆蓋一定范圍的廣播信號如衛(wèi)星通信系統(tǒng)或者需要覆蓋多個(gè)空間方位的多用戶方向調(diào)制信號如多用戶通信系統(tǒng)，采用上述文獻(xiàn)中的算法都具有一定的局限性。此外，上述算法中的目標(biāo)函數(shù)都沒有考慮非期望方位星座點(diǎn)之間相位關(guān)系畸變的程度，對于空間中某些方位星座點(diǎn)之間相對相位關(guān)系畸變程度未超過判決門限，竊聽接收機(jī)可以通過多天線接收的方法提高接收信號信噪比解調(diào)通信信息。因此，本文在上述文獻(xiàn)的研究基礎(chǔ)上提出了一種基于相位賦形的方向調(diào)制信號綜合方法，解決傳統(tǒng)方向調(diào)制信號信息從相位波束旁瓣泄露的問題。仿真結(jié)果表明本文提出的方向調(diào)制信號綜合算法適用于筆形相位波束單用戶信道、扇形相位波束的廣播信道和多用戶正交信道等不同的通信應(yīng)用場景。

2 相位賦形方向調(diào)制信號綜合算法

圖1中給出了基于相控陣的方向調(diào)制信號發(fā)射機(jī)框圖，發(fā)射陣列為陣元各向同性的直線陣列，陣元間距為，陣元數(shù)目為，對應(yīng)的陣元加權(quán)值為，分別用序號表示。則遠(yuǎn)區(qū)場接收信號可以表示為

圖1基于相控陣的方向調(diào)制信號發(fā)射機(jī)框圖

播信道(衛(wèi)星通信場景)或多個(gè)不同方位正交信道(多用戶通信場景)，使用上述的單目標(biāo)綜合算法難以方便得到加權(quán)值的解。

本文利用陣列輻射方向圖函數(shù)與各陣元加權(quán)值之間符合空間傅里葉變換對關(guān)系，提出了一種基于相位賦形的方向調(diào)制信號綜合方法。設(shè)期望的輻射方向圖函數(shù)由式(2)表示：

不同場景下相位賦形方向調(diào)制信號綜合算法的應(yīng)用

本小節(jié)以單用戶信道模型和多用戶信道模型為例給出算法對應(yīng)的加權(quán)值、幅度相位方向圖函數(shù)和不同方位接收信號的星座圖來說明本文方向調(diào)制信號綜合算法的有效性。

3.1

圖4和圖5分別為本文算法在單用戶信道模型下與矢量法發(fā)射機(jī)輻射信號方向圖和不同方位接收

圖2 理想情況下期望的相位波束賦形函數(shù)

圖3 筆形相位波束的陣元加權(quán)值

(1)基于本文算法和矢量法的方向調(diào)制信號幅度方向圖函數(shù)相比于傳統(tǒng)方式的發(fā)射機(jī)最大值都沒有指向期望方位，本文算法和矢量法期望方位與最大值指向方位相差0.82 dB和1.53 dB，說明本文算法的功率利用率高于矢量綜合法，并且基于本文算法的方向調(diào)制信號幅度函數(shù)在全空間近似均勻分布；由相位方向圖的對比可以看出：(2)基于本文算法的相位方向圖中不同調(diào)制符號的相位軌跡在期望方位符合QPSK調(diào)制符號之間的相對相位關(guān)系，當(dāng)方位角偏離大于時(shí)，接收信號的相位幾乎兩兩重合，通信信息就包含在接收信號星座點(diǎn)之間的相對相位中，這樣從信息論角度無論接收機(jī)如何提高接收信號的信噪比也無法從接收信號中提取有用的通信信息；而基于矢量法的方向調(diào)制信號在期望方位接收信號符合QPSK調(diào)制符號之間的相對相位關(guān)系，但在空間某些方位如接收調(diào)制符號之間的相位關(guān)系畸變程度較小并未超過判決門限，竊聽接收

圖4 單用戶信道模型下本文算法與矢量法發(fā)射機(jī)輻射信號方向圖對比

圖5 單用戶信道模型下本文算法與矢量法發(fā)射機(jī)接收信號星座圖對比

機(jī)可以通過多天線接收的方式提高接收信號信噪比解調(diào)通信信息。這點(diǎn)也是基于本文算法的方向調(diào)制信號相比于基于矢量法的方向調(diào)制信號的優(yōu)點(diǎn)；由不同方位接收信號星座圖可以看出：(3)基于本文算法的方向調(diào)制信號在幅度方向圖中最大輻射方位，竊聽接收機(jī)雖然接收信號幅度高于期望接收機(jī)，但接收信號星座點(diǎn)幾乎兩兩重合，竊聽接收機(jī)無法從星座點(diǎn)之間的相位關(guān)系中解調(diào)出有用的通信信息；而傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)不同方位接收信號星座點(diǎn)之間僅存在幅度的差別，非期望方位的竊聽接收機(jī)提高接收信號信噪比仍然可以從接收信號中解調(diào)出通信信息。

3.2 正交相位波束的多用戶信道

4 數(shù)值仿真性能及其分析

仿真中為了能與傳統(tǒng)的基帶調(diào)制信號發(fā)射機(jī)比較誤符號性能，方向調(diào)制信號發(fā)射機(jī)都對期望方位發(fā)射功率做歸一化處理，并且不同方位加性噪聲方差都與期望方位保持一致。

圖7(a)和圖7(b)中給出了基于本文算法的方向調(diào)制信號發(fā)射機(jī)與基于矢量法的方向調(diào)制信號發(fā)射機(jī)以及傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)誤符號性能對比曲線圖。由圖7(a)可以看出在期望方位方向調(diào)制信號誤符號性能與傳統(tǒng)的基帶數(shù)字調(diào)制信號發(fā)射機(jī)相同，但隨著接收機(jī)方位偏離期望方位，方向調(diào)制信號誤符號性能隨著偏離的角度增加提升顯著，說明方向調(diào)制信號相比于傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)信號，誤符號性能具有顯著的方向敏感度，并且基于矢量法的方向調(diào)制信號相比本文算法具有更敏銳的方向性。由圖7(b)可以看出基于本文算法的方向調(diào)制信號在期望方位的誤符號性能隨著信噪比變化的曲線與傳統(tǒng)基帶數(shù)字調(diào)制信號發(fā)射機(jī)相同。而在幅度方向圖中最大值方位，竊聽接收機(jī)雖然接收信號功率高于期望接收機(jī)，但由于星座點(diǎn)之間的相位關(guān)系產(chǎn)生了畸變，誤符號性能并不隨著接收信號信噪比的提高而提高；基于矢量法的方向調(diào)制信號由于存在相位波束旁瓣，在方位竊聽接收機(jī)解調(diào)方向調(diào)制信號性能與傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)類似。雖然基于矢量法的方向調(diào)制信號相比于本文算法具有更好的方向特性，但由于存在相位波束的旁瓣，竊聽接收機(jī)仍然可以從這些空間方位中解調(diào)出通信信息；對于傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)，在幅度方向圖的旁瓣方位，竊聽接收機(jī)通過多天線接收或累積的方法提高接收信號信噪比，同樣可以從接收信號中提取有用的通信信息。

圖8(a)和圖8(b)中給出了正交相位波束方向調(diào)制信號發(fā)射機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)誤碼性能對比曲線圖。由圖8(a)可以看出在方位和方位

圖6 正交信道方向調(diào)制信號發(fā)射機(jī)輻射方向圖

圖7 筆形相位波束誤符號性能對比圖

圖8 正交相位波束誤碼性能曲線圖

的兩期望用戶方向調(diào)制信號誤符號性能與傳統(tǒng)的基帶數(shù)字調(diào)制信號發(fā)射機(jī)相同，并且同一系統(tǒng)中的兩個(gè)用戶都無法通過接收信號解調(diào)對方的通信信息。由圖8(b)可以看出竊聽接收機(jī)在幅度方向圖最大值方位，無法解調(diào)兩個(gè)期望用戶的通信信息；而對于傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)，竊聽接收機(jī)在幅度方向圖最大值方位，竊聽接收機(jī)提升接收信號的信噪比仍然可以解調(diào)出有用的通信信息。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于相位賦形的方向調(diào)制信號綜合方法，直接對期望的賦形相位波束采用空間傅里葉變換得到相應(yīng)的相控陣加權(quán)值。算法相對于傳統(tǒng)方式的基于遺傳算法的方向調(diào)制信號綜合算法和基于矢量合成的方向調(diào)制信號綜合方法算法復(fù)雜度更低，并且不存在通信信息從相位波束旁瓣泄露的問題。仿真結(jié)果表明本文提出的方向調(diào)制信號綜合算法適用于筆形相位波束單用戶信道、扇形相位波束的廣播信道、多用戶正交信道等不同的通信應(yīng)用場景。

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洪 濤： 男，1982年生，博士，講師，主要研究方向?yàn)闊o線通信系統(tǒng)、多天線收發(fā)系統(tǒng)、物理層安全通信技術(shù).

Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (61302102, 61271232), The Scientific Research Foundation of the Higher Education Institutions of Jiangsu Province (13KJB510023), The National Science Foundation for Post- doctoral Scientists of China (2013M531390)

Directional Modulation Signal Synthesis Algorithm Based on the Phase Beam-forming

HONG Tao

(College of Telecommunications & Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

Directional Modulation (DM) technique is a hot research area for physical layer security communication in recent years. The baseband modulation signal is synthesized at the antenna level for transmitting different signal constellations at different directions. The genetic algorithm and vector method are the main synthesis algorithms for DM signal. However, these algorithms have some limitations for different communication models because of different research targets of these papers. In this paper, a DM signal synthesis algorithm based on phase beam-forming technique is proposed from the point view of that receive signal constellation of DM signal isat the undesired directions. First the phase beam function is set up for different communication models. Then the weighted values for array elements are obtained by the spatial Fourier transformation of the radiation pattern. Simulation results show that the proposed DM signal synthesis algorithm provides technological support for different communication models such as single user channel with pencil phase beam, broadcast channel with fanned phase beam and multi-access channel with orthogonal phase beam.

Wireless communication; Physical layer security; Directional Modulation (DM); Spatial Fourier transformation

TN92

A

1009-5896(2016)04-0870-07

10.11999/JEIT150463

2015-04-22；改回日期：2016-01-18；網(wǎng)絡(luò)出版：2016-02-29

洪濤 hongt@njupt.edu.cn

國家自然科學(xué)基金(61302102, 61271232)，(13KJB510023)，國家博士后自然科學(xué)基金(2013M531390)