一种基于涡旋电磁波的自适应安全通信装置及方法制造方法及图纸

一种基于涡旋电磁波的自适应安全通信装置及方法，涉及无线通信的技术领域。生成N阵元均匀圆环天线阵列在给定载波频率下的方向辐射系数表格；自适应选择发送人工噪声的轨道角动量模态；发送信号及人工噪声的轨道角动量调制；轨道角动量共轴多模复用传输。本发明专利技术仅用一个均匀圆环天线阵列即可实现安全无线通信。将人工噪声复用在非0的模态，不会对合法用户产生干扰，又降低窃听者的信道容量，实现大容量的保密通信。同时根据窃听者的方向角信息，自适应地选择人工噪声的最优模态，最大限度地屏蔽窃听者，提升系统保密性能。在窃听者方向未知时，采用人工噪声模态随机跳变的方式，屏蔽各个方向的潜在窃听者，提升系统保密容量。提升系统保密容量。提升系统保密容量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于涡旋电磁波的自适应安全通信装置及方法


[0001]本专利技术涉及无线通信的
，尤其涉及一种基于涡旋电磁波的自适应安全通信方法的


技术介绍

[0002]当前，无线通信的安全面临着越来越严峻的挑战。首先，基于计算理论的安全手段越来越脆弱。长期以来，无线通信的安全性主要都是依靠认证与加密技术，在通信协议栈的高层加以保障。但是，随着近年来一些广泛应用的加密算法被破解，如KASUMI、AES128/256、MD5等，暴露出被动防御体系的脆弱性。量子计算的突飞猛进也使得基于计算理论的安全手段面临严重的挑战。其次，无线通信具有天然的开放性与广播性，也更容易遭到第三方截获及窃听。第三，处在协议栈底部的物理层缺乏采取必要的安全措施。这导致窃听者是“能够获得”保密数据(甚至是秘钥)，只是“无法理解”其内容；而当窃听者窃取完整秘钥或具有强大计算能力后，则完全有可能解密密文。
[0003]为了应对这些挑战，需要突破传统基于密码学的安全策略，寻找新的安全技术。物理层安全通信技术，正是为了满足这一需求而出现的，是实现安全与通信一体化的关键手段。该技术主要基于香农(Shannon)“无条件安全理论”与Wyner“窃听信道模型”，从无线信道的多样性、唯一性与不可篡改性入手，充分利用合法接收者与窃听者物理信道的差异，对收发信号进行针对性处理，实现“合法接收者信号强而稳定，窃听者信号弱而随机”的优势局面，从而在物理层实现对窃听者的信息阻隔，使无线通信的安全性有了本质的提升，在无线通信领域有着广阔的潜在应用前景。
[0004]近年来，随着无线通信中多天线技术的蓬勃发展，学术界才发现其实早期提出的各种波束赋形(Beamforming)方法，正是一种有效建立起合法通信者优势信道的技术；完全有可能在现有的物理层安全通信理论指导下，利用无线信道的随机性与唯一性实现无条件的安全通信。具体的方案有：零空间人工噪声法、波束赋形法和调控通信法等。
[0005]人工噪声(Artificial Noise，AN)法，是在发射端添加适当的人工噪声，以牺牲部分发射功率为代价，可人为增大窃听者与合法接收者之间的信道质量差距。因此，即便合法接收者的信道噪声强于窃听者，安全传输仍可能实现。在已知接收端信道状态信息(CSI) 的条件下，由于AN投影在接收端的零空间，因此AN对接收端的接收信号没有影响，而可对窃听端的信号产生强烈干扰。但是，该方法实现的前提是接收端CSI准确获得，而这在实际中往往难以实现。发射方利用天线阵列冗余在合法信道的零空间内发人工噪声，在合法信道其它空间上发送保密信号。当信号到达合法接收方，零空间内的人工噪声会在无线信道中自然消除，而保密信号则被正常的稳定接收，因此人工噪声对合法接收方不产生影响。由于无线信道具有差异性，合法发射方所发送的人工噪声在经过窃听信道后不会自然消除，导致窃听者接收信号的信噪比下降，进而保证了保密信息在无线传输中的低截获概率。但是，上述方法的应用场景受限，降低了系统用户容量。
[0006]波束赋形方法，是随着MIMO技术在无线通信中的广泛应用而引入物理层安全领域
的。具备多天线传输能力的无线通信设备，可以利用空间自由度进行波束赋形以使得合法发射机的信号只在特定的方向上被合法接收机有效地接收，以减少甚至完全避免被窃听端所接收，进而提升安全传输性能。此外，还可以利用基于多天线技术的波束赋形和人工噪声联合设计以提升安全传输性能。为了给出MIMO通信场景下保密容量的解析形式，T.Liu and S.Shamai.ANote on Secrecy Capacity ofthe Multi
‑
Antenna Wiretap Channel [J].IEEE Trans.on Information Theory,2009,55(6):2547
‑
2553.公开了通过引进信道增强的概念把MIMO信道转化为退化版本，但仍然无法给出保密容量(窃听方不能截获信息时，发送方的最大传输速率)和最佳输入分布的解析表示。S.Shafiee and S.Ulukus.AchievableRates in Gaussian MISO Channel with Secrecy Constraints[C].In Proceedings ofthe IEEE Int. Symp.Information.Theory,Nice,France,2007:2466
‑
2470.公开了针对Alice(合法发送方) 与Bob(合法接收方)配置双天线，而Eve(窃听者)配置单天线的特定配置给出了保密容量的闭式表示，并进一步分析了存在多个窃听用户时对系统安全的影响。
[0007]综上所述，虽然针对物理层安全通信技术的研究已发展出较为完备的理论及技术体系，但是，在环境复杂、业务多样的应用场景中，该项技术并未得到广泛的应用。原因主要在于：环境适应性差、应用范围狭窄、前提性假设多。要使物理层安全通信技术得到实际的广泛应用，必须解决上述瓶颈问题。
[0008]基于涡旋电磁波OAM模态间正交的物理学原理，以多路信息在多个OAM模态上同时同频共波束并行传输为技术特征，其核心优势与价值在于：1)超高的频谱效率；2) 极低的截获概率；3)超强的抗干扰能力。
[0009]涡旋电磁波多个本征模态的复用，当前普遍采用“大圈套小圈”的共轴传输方式。如图1所示，发射机天线阵列使用4个共面共轴的均匀圆环天线阵列(UCA)。外圈UCA 半径为a0，发射OAM模态0(即常规无涡旋的平面波或球面波)的电磁波，最内圈UCA 半径为a3，发射OAM模态3的电磁波，以此类推。
[0010]该方法未充分发挥OAM多模态复用通信技术，发射天线结构复杂，有较大的冗余，不利于该技术的实用化。

技术实现思路

[0011]本专利技术提出了一种基于涡旋电磁波自适应安全通信方法，实现了安全的无线通信，提高无线通信系统的安全性。
[0012]一种基于涡旋电磁波的自适应安全通信装置，包括：
[0013]合法发送者模块，用于在模态0采用常规波束赋形方法，以平面波的形态传输自己的期望发送信号；该信号在“共轴多模复用传输”步骤与模态自适应的人工噪声复用后，传输至合法接收者模块；
[0014]模态自适应模块，用于为要发送的人工噪声选择最优的模态；
[0015]模态映射模块，根据确定的人工噪声的传输模态，将人工噪声调制到指定轨道角动量模态上；
[0016]共轴多模复用传输模块，用于将期望信号和调制在轨道角动量模态的人工噪声进行复用，并通过天线发送出去；
[0017]合法接收者模块，用于在模态0接收合法发送方的信号。
[0018]一种基于涡旋电磁波的自适应安全通信方法，包括如下步骤：
[0019]步骤S1，生成N阵元均匀圆环天线阵列在给定载波频率下的方向辐射系数表格；
[0020]步骤S2，自适应选择发送人工噪声的轨道角动量模态；
[0021]步骤S3，发送信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于涡旋电磁波的自适应安全通信装置，其特征在于，包括：合法发送者模块，用于在模态0采用常规波束赋形方法，以平面波的形态传输自己的期望发送信号；该信号在“共轴多模复用传输”步骤与模态自适应的人工噪声复用后，传输至合法接收者模块；模态自适应模块，用于为要发送的人工噪声选择最优的模态；模态映射模块，根据确定的人工噪声的传输模态，将人工噪声调制到指定轨道角动量模态上；共轴多模复用传输模块，用于将期望信号和调制在轨道角动量模态的人工噪声进行复用，并通过天线发送出去；合法接收者模块，用于在模态0接收合法发送方的信号。2.一种基于涡旋电磁波的自适应安全通信方法，其特征在于包括如下步骤：步骤S1，生成N阵元均匀圆环天线阵列在给定载波频率下的方向辐射系数表格；步骤S2，自适应选择发送人工噪声的轨道角动量模态；步骤S3，发送信号及人工噪声的轨道角动量调制；步骤S4，轨道角动量共轴多模复用传输。3.根据权利要求2所述的自适应安全通信方法，其特征在于上述步骤S1中生成N阵元UCA天线在给定载波频率下的方向辐射系数表格，具体过程如下：根据轨道角动量通信理论，一个N阵元的均匀圆环天线阵列，在轨道角动量模态l、方向角为θ、方位角为φ的一点的电磁辐射用下式描述:其中，N为均匀圆环天线阵列天线阵元数，j为虚数单位，j2＝
‑
1，k为载波波数，k＝2π/λ，λ为载波波长，φ
n
为第n个天线单元的方位角，J
l
为第一类l阶贝塞尔函数，R为均匀圆环天线阵列半径；j
l
、e
jlφ
是数学指数表达式；由上式可知，在给定了由N和R确定的天线结构和确定了载波波长λ的情况下，辐射能量幅度和相位与φ、θ和l有关；取电磁辐射A的幅度值并进行归一化，得到轨道角动量的辐射方向图，发现幅度值与φ无关，只与l和θ有关；天线辐射图表格设计为一个N行M列的二维表格，其中，N表示天线阵元数，等于均匀圆环天线阵列能够实现的模态数，M表示天线辐射图中离散化的方向角的个数；每一行对应一个轨道角动量模态，从模态0到模态N
‑
1，包含M个角度的辐射值。4.根据权利要求3所述的自适应安全通信方法，其特征在于上述步骤S2中自适应选择发送人工噪声的OAM模态，具体过程如下：设合法发送者欲发送数据x＝[x1,x2,
…
,x
N
]
T
，合法接收者和窃听者均为单天线接收；用h
l
＝[h
l,1
,h
l,2
,
…
,h
l,N
]
T
表示轨道角动量模态l时发送方N阵元天线到接收天线的信道，则第n个天线阵元与接收方单个天线间信道增益定义为
其中，r表示收发天线单元间的距离，c0是表征天线配置的常数，e
‑
jkr
、是数学指数表达式；合法发送者在模态0发送信号x，合法发送者与合法接收者间模态0的信道矩阵表示为h
0,b
，合法发送者与窃听者间模态0的信道矩阵表示为h
0,e
；合法发送者在模态l发送人工噪声w，合法发送者与合法接收者间模态l的信道矩阵表示为h
l,b
，合法发送者与窃听者间模态l的信道矩阵表示为h
l,e
；人工噪声表示为w＝[w1,w2,
…
,w
N
]
T
，为零均值高斯信号，功率设为则合法接收者的接收信号y
b
和窃听者的接收信号y
e
分别表示为分别表示为其中，n
b
和n...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜智勇，刘立刚，周斌，
申请(专利权)人：江苏集萃移动通信技术研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：