一种基于频控阵波束赋形的物理层安全通信方法技术

本发明专利技术涉及一种基于频控阵波束赋形的物理层安全通信方法，包括步骤：(1)设置初始化参数；(2)根据初始化参数，计算在一定频率偏移范围约束下的最优频率偏移，得到天线发射频率向量；(3)根据所述天线发射频率向量，利用矩阵分解技术计算最优的阵列传输波束向量，并计算系统的安全速率。本发明专利技术采用任意频率偏移方案，即仅规定每根天线的频率偏移范围，而不对天线间频率偏移的变化规律进行限制，相对于线性递增频率偏移策略而言，本发明专利技术提出的频率偏移策略更加灵活，即使在非常有限的频偏范围内也能达到很好的安全通信性能。

A physical layer secure communication method based on frequency control array beam shaping

The invention relates to a method comprising the steps of physical layer security communication method, frequency phased array beamforming based on: (1) set the initialization parameters; (2) according to the initialization parameters, calculate the optimal frequency offset in certain frequency offset range constraints, to obtain the antenna transmitting frequency vector; (3) according to the antenna frequency vector array beam transmission vector using matrix to calculate the optimal decomposition technique, and calculate the rate of system security. The invention adopts arbitrary frequency offset scheme, which only provides the frequency offset range of each antenna, and the variation of the frequency offset between the antenna does not limit, compared to the linear increasing frequency shift strategy, frequency offset strategies provided by the invention is more flexible, even in very limited frequency offset range can reach the performance of security communication very good.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及保密通信领域，与传统的基于加密和编码的方案不同，本专利技术使用基于频控阵波束赋形的物理层安全通信方法来优化同一传输方向，不同传输距离上的用户与窃听者间的安全传输速率。
技术介绍
物理层安全技术作为保障无线通信安全的有效手段获得了越来越多的关注与研究。与传统的通过编码和加密技术来保证通信安全的策略不同，物理层安全技术利用物理层的方法，通过优化目标用户与窃听者之间的传输速率差(即安全速率)来保证通信安全。目前，提高安全速率的常用方法包括人工噪声法和波束成形法等。但是，这些传统方法都基于一个重要的假设，即目标用户和窃听者两者的信道状态信息无关。但是，在新一代毫米波通信系统中，由于毫米波具有方向性传播的特点，当目标用户和窃听者传输方向对齐的时候，信道不相关的假设一般很难成立，导致波束成形、人工噪声等传统方法失效。在频控阵通信技术中，通过对各天线的载波频率施加频率偏移，使得阵列传输波束具有距离分辨能力，从而能够区分位于同一传输方向不同传输距离的目标用户和窃听者，弥补传统物理层通信安全方法(如波束形成和人工噪声等)的局限性。目前，有人采用基于线性递增频率偏移策略的频控阵安全通信方法，阵列各天线采用线性递增频率偏移策略，并通过联合优化频率偏移参数和传输波束来实现安全速率的最大化。该线性递增频率偏移策略可以达到安全速率的理论最优值，但同时也存在一定的局限。例如，为了避免发生目标响应的频率去相关效应，一般会限制各天线传输频率偏差的上限值。而在线性递增频率偏移方案中，相邻天线间的最优频率偏移值与目标用户及窃听者的传输距离差成反比。那么，当目标用户与窃听者距离很近时，相邻天线间的频率偏移值较大，则线性递增频率偏移的累计值就可能超过阵列容忍的频率偏移上限，从而无法达到预期的效果，影响物理层安全的性能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种在任意频率偏移策略下，联合优化各天线频率偏移和传输波束的方法。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于频控阵波束赋形的物理层安全通信方法，包括步骤：(1)设置初始化参数；(2)根据初始化参数，计算在预先设定频率偏移范围约束下的最优频率偏移，以得到天线发射频率向量；(3)根据所述天线发射频率向量，利用矩阵分解技术计算最优阵列传输波束向量，并计算系统的安全速率。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术提出任意频率偏移的方案，使得频率偏移设置更加灵活，即使在非常有限的频率偏移范围内也能达到很好的安全通信性能；2.在目标用户与窃听者距离足够近的情况下，传统线性递增频率偏移方案在一定的频率偏移范围约束下无法达到预期的安全速率，影响物理层安全的性能，本专利技术通过优化并设定每一根天线的频率，可以较好地解决此类问题；3.本专利技术使用联合优化各天线频率偏移和传输波束的方法，对天线传输波束进一步优化，可以进一步提高系统的安全速率。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。进一步，设置初始化参数包括：初始化参数ru,re,θu和θe，其中，ru,re,分u别表示目标用户与窃听者和信源天线之间的空间距ru,离r，e,θu和θe分别表示目标用户与窃听者和信源天线之间连线与正北方向的夹角；初始化信源天线数M；每根天线的最大频率偏移量为ΔF，信号参考载频为fc；根据公式初始化阵列天线之间的间距，其中，c表示电磁波传播速率；初始化系统总功率上限P及通信系统中的噪声方差σ2。进一步，所述步步骤(2)包括以下步骤：(21)初始化迭代次数k＝0，m＝(kmodM)+1，其中，(kmodM)表示k除以M的余数；初始化可行点使得向量f(k)的每个分量fi(k)(i＝1,2,...,M)均在[fc,fc+ΔF]范围内；初始化算法迭代计算精度ε，其中ε是一个预先设定的常数，计算目标函数值其中，为第m根天线传输信号的相位因子；（22）更新，其具体包括：(221)初始化n＝1；(222)若n＝m，则其中，κ为斜率参数，ζ为中心点参数，δ为偏移量参数，执行步骤(225)；否则，执行步骤(223)；(223)计算斜率参数(224)判定是否满足，若满足，则其中，[δm,n]+＝max{0,δm,n本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于频控阵波束赋形的物理层安全通信方法，其特征在于，包括步骤：(1)设置初始化参数；(2)根据初始化参数，计算在预先设定频率偏移范围约束下的最优频率偏移，以得到天线发射频率向量；(3)根据所述天线发射频率向量，利用矩阵分解技术计算最优阵列传输波束向量，并计算系统的安全速率。

【技术特征摘要】
1.一种基于频控阵波束赋形的物理层安全通信方法，其特征在于，包括步骤：(1)设置初始化参数；(2)根据初始化参数，计算在预先设定频率偏移范围约束下的最优频率偏移，以得到天线发射频率向量；(3)根据所述天线发射频率向量，利用矩阵分解技术计算最优阵列传输波束向量，并计算系统的安全速率。2.根据权利要求1所述的基于频控阵波束赋形的物理层安全通信方法，其特征在于，设置初始化参数包括：初始化参数ru,re,θu和θe，其中，ru,re,分别表示目标用户与窃听者和信源天线之间的空间距离，θu和θe分别表示目标用户与窃听者和信源天线之间连线与正北方向的夹角；初始化信源天线数M；每根信源天线的最大频率偏移量为ΔF，信号参考载频为fc；根据公式初始化阵列天线之间的间距，其中，c表示电磁波传播速率；初始化系统总功率上限P及通信系统中的噪声方差σ2。3.根据权利要求2所述的基于频控阵波束赋形的物理层安全通信方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下步骤：(21)初始...

【专利技术属性】
技术研发人员：林静然，杨金泰，利强，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51