基于相位賦形的方向調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制信號綜合方法研究

洪 濤*

(南京郵電大學通信與信息工程學院 南京 210003)

方向調制技術采用多天射陣列在天線端綜合出具有方向特性的數字調制信號，是近年來物理層安全通信領域研究的熱點之一。現有方向調制信號綜合算法主要基于遺傳算法和矢量法，但由于不同文獻研究的通信系統模型不同，基于這兩種算法的方向調制信號應用都具有一定的局限性。該文從竊聽接收機所在的非期望方位接收方向調制信號星座點之間的相對相位關系產生畸變這一方向調制信號物理層安全本質出發，提出一種基于相位賦形的方向調制信號綜合算法。首先根據不同的通信模型建立期望的相位波束空間覆蓋函數，然后對期望的賦形相位波束采用空間傅里葉變換得到發射陣列的加權值。仿真結果表明該文提出的方向調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用場景，為方向調制信號在不同通信場景中的應用提供技術支撐。

無線通信；物理層安全；方向調制；空間傅里葉變換

1 引言

隨著無線通信技術在不同行業中的廣泛應用，通信信息在傳輸過程中的安全性問題越發引起人們的關注。傳統的解決方案都是采用密鑰和安全傳輸協議來保證通信信息的安全性，但隨著竊聽者計算能力的增強和新型無中心網絡的發展，傳統方式的安全方案受到越來越多的挑戰。物理層安全是近年來在香農信息論基礎上發展起來的利用無線通信系統自身的特點來解決傳輸信息安全性的研究熱點，如人工噪聲輔助物理層安全通信系統[5]、基于編碼技術的物理層安全通信系統[6]和基于博弈理論的協作物理層安全通信系統[7]。

近年來，研究者將多天線收發陣列應用于物理層安全通信領域，提出了一種方向調制技術。該技術利用無線通信系統中多天線發射陣列直接在天線端綜合出具有方向特性的數字調制信號，從信號調制角度解決通信信息在傳輸過程中的安全性問題。方向調制信號發射機通過綜合算法控制多天線發射陣列的相移器、天線陣元間的互耦電流、天線陣切換發射等方法在期望方位直接綜合出數字基帶調制信號。這樣發射的無線通信信號在期望方位接收信號星座點之間的相對相位關系與基帶數字調制信號相同，合法用戶可以正常解調接收信號；而非期望方位竊聽接收機接收信號星座點之間的相對相位關系產生畸變，竊聽者無法從接收信號中解調通信信息。。文獻[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字調制信號。文獻[11]中采用遺傳算法控制重構天線的發射結構，實現方向調制信號的綜合。在此基礎上文獻[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字式相移器。文獻[13]將相控陣方向調制信號應用拓展到多用戶通信模型，實現空間多個方位方向調制信號的綜合，但算法只能實現空間中幾個固定方位的方向調制信號綜合，如果接收機的空間方位變化，需要改變發射陣元的陣元間距。基于遺傳算法的方向調制信號綜合方法需要在解空間搜索目標函數的解，算法具有一定的復雜度。因此，文獻[14]中提出了一種基于矢量合成法的相控陣方向調制信號綜合方法，陣元發射信號與矢量合成圖中的矢量一一對應，在期望方位多個矢量綜合出與基帶數字調制信號對應的矢量形式。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。文獻[15]在矢量合成法的基礎上總結了方向調制信號相比于傳統發射機的優點。文獻[16]將矢量合成法拓展到多用戶通信模型下，實現BPSK-QPSK雙向方向調制信號的綜合。區別于基于相控陣的方向調制信號，文獻[10]設計出了一種基于方向調制技術的60G無線通信片上集成系統，采用遺傳算法控制發射陣元之間的互耦電流，發射的多個波束在期望方位綜合出基帶數字調制信號。文獻[17]在此基礎上提出了一種基于角型反射器天線的雙波束方向調制信號。文獻[18]提出了一種基于切換天線陣的方向調制信號，采用擴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射天線的切換綜合出一種方向調制擴頻信號，將方向調制信號與擴頻信號的安全特點有機結合。進一步，文獻[19]基于切換天線時間調制理論提出了一種4維陣方向調制信號發射機，利用天線高速切換產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。

上述的方向調制信號綜合算法中都是以期望方位綜合出基帶數字調制信號為目標函數，算法多針對單用戶的點對點通信模型提出。如果系統本身需要發射的方向調制信號覆蓋一定范圍的廣播信號如衛星通信系統或者需要覆蓋多個空間方位的多用戶方向調制信號如多用戶通信系統，采用上述文獻中的算法都具有一定的局限性。此外，上述算法中的目標函數都沒有考慮非期望方位星座點之間相位關系畸變的程度，對于空間中某些方位星座點之間相對相位關系畸變程度未超過判決門限，竊聽接收機可以通過多天線接收的方法提高接收信號信噪比解調通信信息。因此，本文在上述文獻的研究基礎上提出了一種基于相位賦形的方向調制信號綜合方法，解決傳統方向調制信號信息從相位波束旁瓣泄露的問題。仿真結果表明本文提出的方向調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用場景。

2 相位賦形方向調制信號綜合算法

圖1中給出了基于相控陣的方向調制信號發射機框圖，發射陣列為陣元各向同性的直線陣列，陣元間距為，陣元數目為，對應的陣元加權值為，分別用序號表示。則遠區場接收信號可以表示為

圖1基于相控陣的方向調制信號發射機框圖

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

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

不同場景下相位賦形方向調制信號綜合算法的應用

本小節以單用戶信道模型和多用戶信道模型為例給出算法對應的加權值、幅度相位方向圖函數和不同方位接收信號的星座圖來說明本文方向調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射機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

圖3 筆形相位波束的陣元加權值

(1)基于本文算法和矢量法的方向調制信號幅度方向圖函數相比于傳統方式的發射機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制信號幅度函數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制符號的相位軌跡在期望方位符合QPSK調制符號之間的相對相位關系，當方位角偏離大于時，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之間的相對相位中，這樣從信息論角度無論接收機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制信號在期望方位接收信號符合QPSK調制符號之間的相對相位關系，但在空間某些方位如接收調制符號之間的相位關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射機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射機接收信號星座圖對比

機可以通過多天線接收的方式提高接收信號信噪比解調通信信息。這點也是基于本文算法的方向調制信號相比于基于矢量法的方向調制信號的優點；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制信號在幅度方向圖中最大輻射方位，竊聽接收機雖然接收信號幅度高于期望接收機，但接收信號星座點幾乎兩兩重合，竊聽接收機無法從星座點之間的相位關系中解調出有用的通信信息；而傳統發射機不同方位接收信號星座點之間僅存在幅度的差別，非期望方位的竊聽接收機提高接收信號信噪比仍然可以從接收信號中解調出通信信息。

3.2 正交相位波束的多用戶信道

4 數值仿真性能及其分析

仿真中為了能與傳統的基帶調制信號發射機比較誤符號性能，方向調制信號發射機都對期望方位發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制信號發射機與基于矢量法的方向調制信號發射機以及傳統發射機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制信號誤符號性能與傳統的基帶數字調制信號發射機相同，但隨著接收機方位偏離期望方位，方向調制信號誤符號性能隨著偏離的角度增加提升顯著，說明方向調制信號相比于傳統發射機信號，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基帶數字調制信號發射機相同。而在幅度方向圖中最大值方位，竊聽接收機雖然接收信號功率高于期望接收機，但由于星座點之間的相位關系產生了畸變，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制信號由于存在相位波束旁瓣，在方位竊聽接收機解調方向調制信號性能與傳統發射機類似。雖然基于矢量法的方向調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，竊聽接收機仍然可以從這些空間方位中解調出通信信息；對于傳統發射機，在幅度方向圖的旁瓣方位，竊聽接收機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制信號發射機與傳統發射機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 正交信道方向調制信號發射機輻射方向圖

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制信號誤符號性能與傳統的基帶數字調制信號發射機相同，并且同一系統中的兩個用戶都無法通過接收信號解調對方的通信信息。由圖8(b)可以看出竊聽接收機在幅度方向圖最大值方位，無法解調兩個期望用戶的通信信息；而對于傳統發射機，竊聽接收機在幅度方向圖最大值方位，竊聽接收機提升接收信號的信噪比仍然可以解調出有用的通信信息。

5 結論

本文提出了一種基于相位賦形的方向調制信號綜合方法，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的相控陣加權值。算法相對于傳統方式的基于遺傳算法的方向調制信號綜合算法和基于矢量合成的方向調制信號綜合方法算法復雜度更低，并且不存在通信信息從相位波束旁瓣泄露的問題。仿真結果表明本文提出的方向調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用場景。

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洪 濤： 男，1982年生，博士，講師，主要研究方向為無線通信系統、多天線收發系統、物理層安全通信技術.

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；網絡出版：2016-02-29

洪濤 hongt@njupt.edu.cn

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