基于大规模MIMO的岸-舰短波安全传输装置及方法制造方法及图纸

基于大规模MIMO的岸

【技术实现步骤摘要】
基于大规模MIMO的岸
‑
舰短波安全传输装置及方法


[0001]本专利技术涉及防窃听通信
，具体涉及一种基于大规模MIMO的岸
‑
舰短波安全传输装置及方法。

技术介绍

[0002]无线信道的开放性使得通信内容可能被窃听者窃听，这可能会对通信安全造成风险。随着无线通信领域的快速发展，用户对通信业务的安全性提出了更高的要求。因此，以实现信息安全传输为目的的物理层安全技术得到了广泛的研究。
[0003]大部分现有的工作基于无源窃听方案和有源窃听方案。对付无源窃听方案大多利用人工噪声，这能使得合法用户可以识别并过滤掉噪声而窃听者无法识别噪声，大大降低了窃听者用户的信干噪比。有源窃听场景中，窃听者通过向固定站发送和合法用户同样的导频的方式，使得固定站将波束对准窃听者而不是合法用户，从而窃听者能获得好的信号接收质量。同时，采用多点协同通信(CoMP)和多输入多输出(MIMO)等技术可以为通信系统提供安全传输。多点协同被应用在异构网络安全覆盖、无人机安全通信、多波束卫星通信等领域。
[0004]以上的工作没考虑到同时采用多点协同通信的合作特性和MIMO技术中信道在角度域的稀疏特性的进一步结合，往往都是分开进行的，这表明还存在别的提升通信系统的安全性的方面。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提出了一种基于大规模MIMO的岸
‑
舰安全传输方法，能够同时有效地利用MIMO和CoMP的优点来解决反窃听问题，提出了一种在角域内的协同波束形成方法，并进一步利用MIMO系统中容量的空间分布特性来提升安全性。具体如下：
[0006]一种基于大规模MIMO的岸
‑
舰短波安全传输装置，包括：
[0007]描述模块，用于对基于大规模MIMO的岸
‑
舰安全传输方法中各要素的作用和它们之间的的关系进行描述；
[0008]建立模块，用于建立基于用户位置的预编码方案、固定站选择、可达速率的分布的数学模型；
[0009]预编码模块，用于求解每个固定站的预编码问题；
[0010]固定站选择模块，用于根据用户位置选择合适的固定站；
[0011]功率优化模块，用于优化固定站的发射功率。
[0012]一种基于大规模MIMO的岸
‑
舰短波安全传输方法，包括如下步骤：
[0013]步骤1：对基于大规模MIMO的岸
‑
舰安全传输方法中各要素的作用和它们之间的关系进行描述；
[0014]步骤2：建立基于用户位置的预编码方案、固定站选择、可达速率的分布的数学模型；
[0015]步骤3：求解每个固定站的预编码问题；
[0016]步骤4：根据用户位置选择合适的固定站；
[0017]步骤5：进行所选固定站的功率优化。
[0018]本专利技术采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：
[0019]1、本专利技术的预编码设计可以最大化海面波大规模MIMO系统遍历可达速率；
[0020]2、本专利技术的固定站选择设计一方面可以为用户选择合适的固定站，从而使得用户遍历可达速率最大化，另一方面，多固定站联合场景可以进一步增加遍历可达速率空间位置分布的稀疏性，进一步提升安全性能；
[0021]3、本专利技术的固定站发射功率设计可以在保证用户遍历可达速率的条件下降低固定站发射功率，从而降低窃听者的遍历可达速率，提升遍历可达安全速率。
附图说明
[0022]图1是基于岸舰通信的短波通信系统的结构示意图。
[0023]图2是不同固定站天线数条件下可达速率随频率的变化曲线图。
[0024]图3是不同固定站天线数条件下可达速率随频率的变化曲线图。
[0025]图4是不同固定站天线数条件下可达安全速率随天线阵元间隔的变化曲线图。
[0026]图5是不同固定站天线数条件下可达安全速率随固定站发射功率的变化曲线图。
[0027]图6是不同固定站天线数条件下可达速率的区域分布示意图。
具体实施方式
[0028]对于给定的用户位置，核心网计算好相应的固定站的主波束方位角后让固定站将波束交叉在包含用户的一小块区域内，只有区域内的终端可以同时收到多路信息并合并恢复出原始信息。区域外的用户则缺少至少某一路的信息而不能完成合并，也就无法得知原信息。
[0029]一种基于大规模MIMO的岸
‑
舰短波安全传输方法，包括如下步骤：
[0030]步骤1：对基于大规模MIMO的岸
‑
舰安全传输方法中各要素的作用和它们之间的关系进行描述；
[0031]步骤2：建立基于用户位置的预编码方案、固定站选择、可达速率的分布的数学模型；
[0032]步骤3：求解每个固定站的预编码问题；
[0033]步骤4：根据用户位置选择合适的固定站；
[0034]步骤5：进行所选固定站的功率优化。
[0035]本专利技术对基于大规模MIMO的岸
‑
舰短波安全传输方法中各要素的作用和它们之间的的关系进行描述，该描述的内容包括：
[0036]如图1所示，考虑由M个固定站、一个用户、一个窃听者构成的短波通信系统。在发送端，第m个固定站配备N
m
根天线组成的均匀线阵。在接收端，用户和窃听者配备单天线。大规模MIMO系统中，天线阵的角度域信道具有稀疏性，当天线数目趋近无穷时，不同接收机的信道渐进正交。因此，配备有天线阵的固定站可以形成具有方向性的波束，使得用户有比较高的速率的同时，窃听者的速率较低，从而实现信息的安全传输。
[0037]本专利技术的建立基于用户位置的预编码方案、固定站选择、可达速率的分布的数学模型，包括如下内容：
[0038]固定站i配备N
i
根天线的半波长间隔的均匀线性阵列，每个天线阵元均匀覆盖[0,π)的到达角区间。固定站i天线阵列的发射信号可以表示为
[0039][0040]其中P
i
表示发射功率，f
i
是预编码向量且||f
i
||＝1，s
i
表示传输符号且|s|＝1。根据均匀线性阵列的数学模型，固定站i的阵列响应矢量为
[0041][0042]其中j是虚数单位，θ
i
是固定站i和用户之间的到达角，表示到达角θ
i
条件下的相邻天线阵元间的时延导致的相位差。
[0043]考虑远场情况，即用户和固定站之间的距离远大于相邻天线单元之间的距离。此时可以认为各天线单元到用户的方向是相同的。设x
i
和y
i
为固定站i的横坐标和纵坐标，为用户的位置，则到达角可表示为
[0044][0045]其中x(l)、y(l)、γ
i
(l)分别表示向量l的横坐标、纵坐标和与X轴的夹角；
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于大规模MIMO的岸
‑
舰短波安全传输装置，其特征在于包括：描述模块，用于对基于大规模MIMO的岸
‑
舰安全传输方法中各要素的作用和它们之间的关系进行描述；建立模块，用于建立基于用户位置的预编码方案、固定站选择、可达速率的分布的数学模型；预编码模块，用于求解每个固定站的预编码问题；固定站选择模块，用于根据用户位置选择合适的固定站；功率优化模块，用于优化固定站的发射功率。2.一种基于大规模MIMO的岸
‑
舰短波安全传输方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：对基于大规模MIMO的岸
‑
舰安全传输方法中各要素的作用和它们之间的关系进行描述；步骤2：建立基于用户位置的预编码方案、固定站选择、可达速率的分布的数学模型；步骤3：求解每个固定站的预编码问题；步骤4：根据用户位置选择合适的固定站；步骤5：进行所选固定站的功率优化。3.根据权利要求2所述的基于大规模MIMO的岸
‑
舰短波安全传输方法，其特征在于，所述步骤1中的对基于大规模MIMO的岸
‑
舰安全传输方法中各要素的作用和它们之间的关系进行描述，该描述的内容包括：由M个固定站、一个用户、一个窃听者构成的短波通信系统，在发送端，第m个固定站配备N
m
根天线组成的均匀线阵；在接收端，用户和窃听者均配备单天线；大规模MIMO系统中，天线阵的角度域信道具有稀疏性，当天线数目趋近无穷时，不同接收机的信道渐进正交，配备有天线阵的固定站形成具有方向性的波束，使得用户有比较高的速率的同时，窃听者的速率较低，从而实现信息的安全传输。4.根据权利要求3所述的基于大规模MIMO的岸
‑
舰短波安全传输方法，其特征在于，所述步骤2中的建立基于用户位置的预编码方案、固定站选择、可达速率的分布的数学模型，包括如下内容：固定站i配备N
i
根天线的半波长间隔的均匀线性阵列，每个天线阵元均匀覆盖[0,π)的到达角区间，固定站i天线阵列的发射信号表示为其中P
i
表示发射功率，f
i
是预编码向量且||f
i
||＝1，s
i
表示传输符号且|s|＝1；根据均匀线性阵列的数学模型，固定站i的阵列响应矢量为其中j是虚数单位，θ
i
是固定站i和用户之间的到达角，表示到达角θ
i
条件下的相邻天线阵元间的时延导致的相位差；考虑远场情况，即用户和固定站之间的距离远大于相邻天线单元之间的距离，此时认为各天线单元到用户的方向是相同的；设x
i
和y
i
为固定站i的横坐标和纵坐标，为用户的位置，则到达角表示为
其中x(l)、y(l)、γ
i
(l)分别表示向量l的横坐标、纵坐标和与X轴的夹角；设d
i
为固定站i到用户的距离，β
i
为大尺度衰落；地波场景的大尺度衰落为其中λ表示载波波长，ε和σ分别为传播介质的介电常数和电导系数，G
T
和G
R
分别为发射机增益和接收机增益，...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁国如，李岩，崔丽，王海超，徐以涛，李京华，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：