[发明专利]一种基于频控阵人工噪声方向调制的优化方法

说明书

本发明提供了一种基于频控阵人工噪声方向调制的优化方法，发射端已知合法接收机的方位角和距离，取归一化波束矢量；计算最大合法接收机与临近窃听接收机最大保密速率之差，通过非凸优化算法，解得最大保密能力的频率补偿矢量，进而求得合法接收机导向矢量；根据人工噪声与合法接收机导向矢量正交，计算归一化人工噪声投影矩阵，得到基于频控阵人工噪声基带信号。本发明实现了角度和距离上的双重控制，同时实现了合法接收机与临近窃听接收机之间最大保密速率差，保证了更高精度的物理层无线安全通信。

技术领域

本发明涉及一种多天线阵列的方向调制方法，适用于利用频控阵结合人工噪声进行无线安全通信。

背景技术

传统的无线通信都是将基带信号上变频到射频，经放大器激励到发射天线实现数字无线通信。但由于无线通信收发系统和无线传输信道具有一定的开放性，如果窃听接收机有足够的灵敏度，那么也可以解调出保密信息，因而无法保证通信信息在传输过程中的私密性和安全性问题。为了实现无线安全通信，需要在保障合法接收机能够解调出保密信息前提下，降低窃听接收机的信噪比，增强其低截获(LPI)概率的能力。

当前基于相控阵的方向调制技术能够实现方向上的保密通信，即在合法接收机方向达到很高信噪比，同时在其他方向信噪比很低。但是若窃听接收机和合法接收机处于相同的方向上，则无法实现保密通信。频控阵具有距离和角度二维依赖性，因而广泛应用于方向调制保密通信中。目前对于频控阵方向调制主要集中在去耦合方法的研究和波束矢量的优化上，都无法保证窃听接收机临近合法接收机时的无线保密通信。在实际应用中，通常窃听接收机都会尽可能地接近合法接收机窃听保密信息。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于频控阵人工噪声的方向调制的优化方法，通过对各阵元频率补偿的优化，实现了角度和距离上的双重控制，同时实现了合法接收机与临近窃听接收机之间最大保密速率差，保证了更高精度的物理层无线安全通信。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)假设发射端是一个由N阵元构成的均匀线阵，其阵列因子表示为其中，w_n(t)、h_n(f_n，θ，r，t)分别表示第n个阵元的波束矢量和导向矢量，f_n＝f_c+Δf_n，f_c为均匀线阵的载波频率，Δf_n为第n个阵元的频率补偿，θ和r分别为接收机的方位角和距离，h(f，θ，r，t)＝[h₀，h₁，...，h_N-1]为导向矢量；

2)计算最大合法接收机与临近窃听接收机最大保密速率之差满足f_n∈[F_min，F_max]，F_max、F_min为接收机的工作频率上下限；其中，为合法接收机保密速率，为窃听接收机保密速率，SNR_L(t)为合法接收机的信噪比，为窃听接收机的平均信噪比；

3)通过非凸优化算法，解得最大保密能力的频率补偿矢量

4)根据优化的频率补偿矢量f＝[f₀，f₁，...f_N-1]^T求得合法接收机导向矢量h(f，θ_L，r_L，t)，其中，θ_L和r_L为合法接收机的方位角和距离；

5)根据人工噪声与合法接收机导向矢量正交，计算归一化人工噪声投影矩阵为其中，I_N为N×N的单位阵；

6)取归一化波束矢量