[发明专利]基于随机频变阵列和方向调制实现保护区的无线安全方法

说明书

本发明涉及一种基于随机频变阵列和方向调制实现保护区的无线安全方法。在应用随机频变阵列进行无线安全传输的基础上，考虑简化路径衰减模型并研究发射端要将窃听者推离多远就可以保证其与合法用户之间的信息安全传输；借助方向调制技术，通过引入合法用户的方向角和距离信息对发射的隐私信号的初始相位进行调整，使得合法用户能更好的接收相应的隐私信号信息；引入非零保密容量来保证预定安全等级的信息安全传输；运用正确的数学模型，分析得到系统实现安全传输所要达到的最小距离。本发明添加简化的路径衰减模型，并能实现建立以发射端为中心的安全区域以保证系统信息的安全传输，保证隐私信号到达合法用户的安全性能并且不被窃听者窃听。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于随机频变阵列和方向调制实现保护区的无线安全方法。

背景技术

由于突破了有线通信中地点和设备的限制，无线通信对人们日常生活的影响越来越大。随着无线通信系统的快速发展，人们对其性能的要求越来越高，与此同时，人们对安全性的需求也越来越高。但由于无线通信系统天然的广播性，借助无线通信系统发送的隐私消息很容易泄露，使得周围存在的窃听者窃听到隐私信息的内容。之前，人们主要是利用基于密码学的技术来保障信息的安全传输，但随着计算机性能的提高，此种方法的安全隐患越来越大。此时，物理层安全作为高层加密技术的补充出现，由于其在理论上具有“完美保密”的特性，该技术越来越受到研究者的重视。

当今研究中，物理层安全技术多依赖基于随机频变阵列的方向调制技术来实现，其可以实现二维(角度和距离)的信息安全传输。研究针对该问题的研究中，大多是在潜在窃听者和合法用户位于不同方向的前提下研究方向调制实现安全传输的，然而窃听者可能是存在于任何位置的，因此研究将窃听者推出以发射端为中心的安全区域从而保证信息的安全传输是非常有必要的。除此之外，大多数工作是在自由空间的假设下开展的，实际上，现实环境中并没有这么理想，所以为了可以更好地将理论与实践联系起来，添加路径衰减模型的无线传输系统有着更重要的研究意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于随机频变阵列和方向调制实现保护区的无线安全方法，该方法添加了简化的路径衰减模型，并能实现建立以发射端为中心的安全区域以保证系统信息的安全传输，保证隐私信号到达合法用户的安全性能并且不被窃听者窃听。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于随机频变阵列和方向调制实现保护区的无线安全方法，在应用随机频变阵列进行无线安全传输的基础上，考虑简化路径衰减模型，而后借助方向调制技术，引入合法用户的方向角和距离信息对发射的隐私信号的初始相位进行调整，再而引入非零保密容量来保证满足预定安全等级的信息安全传输，最后建立数学模型计算分析实现安全传输所要达到的发射端与窃听者的最小距离。

在本发明一实施例中，该方法具体实现如下：

假设发射端天线采用具有N个阵元的随机频率分集阵列，合法用户与窃听者的天线数目均为1，发射端每个天线阵元的频率为：

f_n＝f_c+k_nΔf,n＝0,1,...,N-1 (1)

其中f_c为中心频率，k_n是一个确定分配给不同天线阵元的频率分布的随机变量，不同的k_n分布决定使用不同的频率映射规则来分配天线阵列不同元素的载波频率，Δf为固定的频率增量；

对于一位置(θ,d)处，θ表示该位置的角度信息，d表示该位置的距离信息，添加简化路径衰减模型的随机频变阵列的归一化天线导向向量可以表示为：

其中，j表示虚数单位，K表示取决于天线特性和平均信道衰减的无单位常数，d₀表示天线远场的参考距离，γ表示路径衰减指数；定义：Ψ_n(θ,d)为第n个天线阵列元素的相移，可以进一步表示为：