申请/专利权人：西北工业大学

申请日：2019-06-24

公开（公告）日：2021-07-16

公开（公告）号：CN110233647B

主分类号：H04B7/0408(20170101)

分类号：H04B7/0408(20170101);H04B7/06(20060101);H04B7/08(20060101);H04B7/12(20060101);H04L27/34(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.07.16#授权;2019.10.15#实质审查的生效;2019.09.13#公开

摘要：本发明提供了一种基于多天线阵的方向调制安全性增强方法，将待发送的机密信息基带调制为数据符号，并将数据符号组成长度为K的数据符号帧，然后串并转换为K路，分别由K个天线阵通过方向调制技术发送给指定的一个合法用户，实现信息的安全传输。即使窃听用户位于某个天线阵对应与合法用户的期望方向或信息波束宽度范围内，也只能窃听一路受干扰的有用信息，无法获取其他K‑1路有用信息，从而传统单天线阵方向调制的安全性显著增强。

主权项：1.一种基于多天线阵的方向调制安全性增强方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，定义数据符号帧，符号帧长度为发射机端天线阵数量K；步骤二，将每个数据符号帧串并转化为K路；步骤三，分别同时对K路符号进行方向调制，使得K路符号从K个期望方向使用不同的载波频率发送给合法用户；得到5路符号流，分别表示为u1,u2,u3,u4,u5，每一路符号流对应一副21阵元天线阵，分别对每一路符号数据流进行方向调制，方向调制采用的预编码向量分别表示为v1,v2,v3,v4,v5，每个符号的总功率表示为Pt，以第一路符号数据流第i个符号u1,i发送为例，从天线阵1发射的基带信号表示为： 其中，v1＝hθ1[hHθ1hθ1]-1，θ1为第一副天线阵到合法用户的期望方向，hθ1为第1副天线阵在期望方向θ1上的导向矢量，表示为： 其中，步骤五，合法用户通过K个不同中心频点的带通滤波器对接收的混合信号进行频域滤波，得到K路符号；步骤六，将K路符号并串转换为一个符号数据帧，恢复出原始符号。

全文数据：基于多天线阵的方向调制安全性增强方法技术领域本发明属于物理层安全技术领域，涉及一种基于多天线阵的方向调制方法。背景技术无线通信技术在民用和军事领域中起着非常重要的作用，因为它广播信息而提供了广泛的覆盖范围。然而，窃听接收机也能接收到信息，所以无线通信技术具有严重的安全性问题。传统上，无线通信系统的安全问题都是通过在协议栈及高层采用基于密钥的密码技术处理。由于计算机的计算能力越来越强大，使得基于密钥的密码技术难以应对所有的挑战。迫切需要在物理层本身设计安全解决方案以加强无线传输安全性。方向调制被认定为一种极具前途的安全传输技术，是解决无线通信安全的有效途径。方向调制技术在射频端对信息直接调制，使信号具有很强的方向相关性：在期望方向上星座图是标准的，而在其他方向上星座图则发生严重畸变，从而保证期望接收机正确获取信息的同时提高窃听接收机误码率，能够有效地提高无线通信安全性。然而，正是由于方向调制信号的方向性，在期望方向附近，标准星座符号关系保持不变。因此，如果高灵敏度窃听接收机已知期望方向的先验信息，或者位于信息波束宽度范围内，信息极容易被窃取，从而方向调制技术不再安全。发明内容为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于多天线阵的方向调制安全性增强方法，利用发射机端多天线阵模型，使得即使窃听接收机位于某个期望方向也只能截获部分受干扰的信息，无法完全恢复正确信息，进而使得方向调制安全性得到显著提高。本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：步骤一，定义数据符号帧，符号帧长度为发射机端天线阵数量K；步骤二，将每个数据符号帧串并转化为K路；步骤三，分别同时对K路符号进行方向调制，使得K路符号从K个期望方向使用不同的载波频率发送给合法用户；步骤五，合法用户通过K个不同中心频点的带通滤波器对接收的混合信号进行频域滤波，得到K路符号；步骤六，将K路符号并串转换为一个符号数据帧，恢复出原始符号。所述的步骤一中，符号帧元素为4QAM或8QAM符号。所述的发射机端天线采用各向同性天线，天线阵采用均匀线性阵列，阵元间距为对应载波半波长。本发明的有益效果是：将待发送的机密信息基带调制为数据符号，并将数据符号组成长度为K的数据符号帧，然后串并转换为K路，分别由K个天线阵通过方向调制技术发送给指定的一个合法用户，实现信息的安全传输。即使窃听用户位于某个天线阵对应与合法用户的期望方向或信息波束宽度范围内，也只能窃听一路受干扰的有用信息，无法获取其他K-1路有用信息，从而传统单天线阵方向调制的安全性显著增强。附图说明图1是本发明的原理示意图；图2是4QAM星座图；图3是8QAM星座图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。本发明在传统方向调制技术基础上提出一种基于多天线阵的方向调制安全性增强方法，利用发射机端的多天线阵模型，定义数据符号帧，将数据帧的所有符号由多个天线阵同时发送给合法用户，窃听接收机即使有合法用户期望方向的先验信息也无法正确恢复信息，使得方向调制信号安全性显著增强。本发明的技术方案包括以下步骤：步骤一，定义数据符号帧，符号帧长度为发射机端天线阵数量K。符号帧元素为4QAM或8QAM符号。步骤二，将每个数据符号帧串并转化为K路。步骤三，分别同时对K路符号进行方向调制，使得K路符号从K个期望方向使用不同的载波频率发送给合法用户。步骤五，合法用户通过K个不同中心频点的带通滤波器对接收的混合信号进行频域滤波，得到K路符号。步骤六，将K路符号并串转换为一个符号数据帧，恢复出原始符号。本发明的实施例如图1所示。在发送端，采用多天线阵模型，首先将待发送的有用信息基带调制为数据符号，然后将数据符号组成符号帧，每个符号帧的长度为K，接着将数据符号帧串并转换为K路独立数据流，每路独立的数据流单独由一个天线阵采用不同载波频率进行方向调制，将其发送给指定方向的合法用户。在接收端，合法用户通过不同中心频点的带通滤波器进行频域滤波，即可恢复出K路有用信息，再并串转换为原始数据符号帧，最后通过基带解调即可恢复出原始机密信息。本实施例中，天线采用各向同性天线，天线阵采用均匀线性阵列，阵元间距为对应载波半波长，天线阵阵元数为21，天线阵数量为5，即数据符号帧帧长度K＝5，基带调制方式为4QAM或8QAM，其星座图分别如图2和图3所示，其输入信息到调制符号映射关系和I-Q表示分别如表1和表2所示。表14QAM输入信息到调制符号映射关系和I-Q表示输入信息00011011符号映射0123I-Q表示-1+1i-1-1i1+1i1-1i表28QAM输入信息到调制符号映射关系和I-Q表示输入信息000001010011100101110111符号映射01234567I-Q表示-3+1i-3-1i-1+1i-1-1i1+1i1-1i3+1i3-1i本实施例具体包括以下步骤：步骤一：将待发送的机密信息进行基带调制，调制方式采用4QAM调制或8QAM调制，生成4QAM或8QAM调制符号，然后每5个符号一组，组成数据符号帧。步骤二：对步骤一中得到的每个数据符号帧进行串并转换，得到5路符号流，分别表示为u1,u2,u3,u4,u5。每一路符号流对应一副21阵元天线阵。步骤三：分别对每一路符号数据流进行方向调制，方向调制采用的预编码向量分别表示为v1,v2,v3,v4,v5，每个符号的总功率表示为Pt。以第一路符号数据流第i个符号u1,i发送为例，从天线阵1发射的基带信号表示为其中，v1＝hθ1[hHθ1hθ1]-1。θ1为第一副天线阵到合法用户的期望方向。hθ1为第1副天线阵在期望方向θ1上的导向矢量，一般表示为其中，同理，其他四路符号数据流也按照式1设计。这样可以保证将所有机密信息均沿着各自期望方向发送给合法用户。使窃听者位于某个期望方向也只能截获部分信息，无法得到完整信息，因此，该方法可以保障传输信息的安全性。步骤五：分别对每一路基带信号进行上变频，每一路上变频频点分别为f1,f2,f3,f4,f，5输出模拟信号xt可表示为步骤六：合法用户采用一副21阵元均匀线性天线阵进行信号接收。对接收的信号进行5路带通滤波，其中心频点分别为f1,f2,f3,f4,f5，滤波带宽均设为发送端码元速率的3倍，然后经过ADC变换为5路数字信号流，降采样为符号数据流。得到的第k路符号流可表示为：y′k＝sk+n′k,4其中，n'kt是复加性高斯白噪声，均值为0，方差为步骤七：对第k路符号流进行接收波束成形，即其中，由此得到第k路符号流。步骤八：同理，得到所有5路符号流，然后5路接收符号经过并串转换操作，得到原始的符号数据帧。步骤九：对原始符号数据帧进行基带解调恢复出原始机密信息。4QAM或8QAM均采用正交相干方法解调为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明进行了详细描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其他的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种基于多天线阵的方向调制安全性增强方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，定义数据符号帧，符号帧长度为发射机端天线阵数量K；步骤二，将每个数据符号帧串并转化为K路；步骤三，分别同时对K路符号进行方向调制，使得K路符号从K个期望方向使用不同的载波频率发送给合法用户；步骤五，合法用户通过K个不同中心频点的带通滤波器对接收的混合信号进行频域滤波，得到K路符号；步骤六，将K路符号并串转换为一个符号数据帧，恢复出原始符号。2.根据权利要求1所述的基于多天线阵的方向调制安全性增强方法，其特征在于：所述的步骤一中，符号帧元素为4QAM或8QAM符号。3.根据权利要求1所述的基于多天线阵的方向调制安全性增强方法，其特征在于：所述的发射机端天线采用各向同性天线，天线阵采用均匀线性阵列，阵元间距为对应载波半波长。

百度查询： 西北工业大学 基于多天线阵的方向调制安全性增强方法

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