一种基于交叉熵算法的天线子集优化方法技术

本发明专利技术公开的一种基于交叉熵算法的天线子集优化方法，属于无线通信技术中的物理层安全领域。本发明专利技术实现方法为：在波束赋型的基础上联合人工噪声，通过利用数字射频器在每发送一个符号时随机选择实际传输的天线子集去形成模拟波束，将随机性引入到非期望方向上的星座图中，增加窃听用户通过敏感的接收机还原出正确的传输符号的难度；针对随机天线子集调制旁瓣能量差别大，存在信息泄露和能量浪费的问题，将旁瓣最大能量作为目标函数，利用KL散度计算每根天线被选择的概率，构建交叉熵迭代的方法优化旁瓣能量，选择出旁瓣较低的天线子集。本发明专利技术具有复杂度低和迭代次数少的优点，能够更好匹配星载资源受限的卫星系统，提升卫星系统传输的安全性。星系统传输的安全性。星系统传输的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于交叉熵算法的天线子集优化方法


[0001]本专利技术涉及一种基于交叉熵算法的天线子集优化方法，属于无线通信技术中的物理层安全领域。

技术介绍

[0002]卫星通信在全球通信系统中扮演着重要角色，为数百万用户提供高速传输和广阔覆盖的通信服务。然而，由于其广播性质和广阔的覆盖范围，卫星通信容易受到各种安全威胁。传统卫星通信系统的安全方案着眼于上层的安全加密算法以及用户间设立的复杂协议，这些安全措施计算成本高，在异构用户间使用不够灵活，且随着窃听用户密码破译能力和计算能力的逐渐提升，面临着被破译的风险，难以满足卫星通信系统的安全需求。
[0003]相较之下，物理层安全具有轻量级与免密钥等特点，是一种利用无线介质的物理特性而非计算复杂度来保障无线通信的安全性的方法，不会占用过多计算资源，能够更好的适用于星上计算能力受限的卫星通信场景。波束赋形技术是现有卫星通信最常使用的物理层安全方法，该方法可以在合法信道和窃听信道之间产生显著SNR差异。然而，波束赋形方法仍然在非期望方向发射有效信号，当窃听者配备高灵敏度接收器时，SNR优势可能会减弱，存在重大的信息泄漏风险。
[0004]方向调制是在波束赋形技术中引入人工噪声的方法。方向调制技术利用基带调制技术将发送的信息与调制信息相融合，并引入方向角等参数，使得非期望方向上的星座图随参数变化而变化。随机天线子集调制技术是方向调制中最简单的方法之一，该技术通过以符号速率随机选择天线阵元子集来将随机性引入到非期望方向，进而以减小非期望方向信息泄露。虽然不同的天线子集具有相似的主瓣，但旁瓣可能差别会很大。为此本专利技术提出一种低复杂度的交叉熵迭代的方法来选择天线子集，以优化旁瓣能量，提升系统能量利用效率和旁瓣的安全性。

技术实现思路

[0005]针对传统卫星波束赋形技术在非期望方向上仍然发射有效信号，当窃听者配备高灵敏度接收器时，存在重大的信息泄漏风险的问题。本专利技术主要目的是提供一种基于交叉熵算法的天线子集优化方法，该方法在波束赋型的基础上联合人工噪声，通过利用数字射频器在每发送一个符号时随机选择实际传输的天线子集去形成模拟波束，进而将随机性引入到非期望方向上的星座图中，增加窃听用户通过敏感的接收机还原出正确的传输符号的难度；同时针对随机天线子集调制旁瓣能量差别大，存在信息泄露和能量浪费的问题，将旁瓣的最大能量作为目标函数，并利用KL散度(Kullback
–
Leibler divergence)计算每根天线被选择的概率，从而构建低复杂度的交叉熵迭代的方法优化旁瓣能量，选择出旁瓣较低的天线子集。相比传统基于退火算法等天线子集调制优化方法，本专利技术具有复杂度低和迭代次数少的特点，且对于计算资源和存储资源也具有更低要求，能够更好匹配星载资源受限的卫星系统，提升卫星系统传输的安全性。
[0006]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0007]本专利技术公开的一种基于交叉熵算法的天线子集优化方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1、采用数模混合波束赋形设计来实现卫星发射系统的随机天线子集调制。
[0009]针对传统卫星波束赋形技术在非期望方向上仍然发射有效信号，当窃听者配备高灵敏度接收器时，存在重大的信息泄漏风险的问题。本专利技术采用数模混合波束赋形方式来提升传输的安全性。
[0010]所述卫星发射系统数模混合波束赋形设计由一个包含N条天线的天线阵列和一个数字射频器联合组成。卫星发射系统每发射一个调制符号，数字射频器将随机选择出一个包含M条天线的天线子集来生成模拟波束。利用天线子集的动态选择来实现数据调制和发送的方式称为随机天线子集调制。
[0011]步骤2、基于多天线理论对卫星阵列的传输信道进行建模，得到阵列的传输信道模型。
[0012]所述卫星波束赋形系统的天线阵列采用线性均匀阵、均匀平面阵或均匀球面阵。
[0013]为了简化卫星波束赋形系统模型，作为优选，天线阵采用线性均匀阵，线性均匀阵列是由多个天线均匀的排列在一条直线上所形成的天线阵列。线性均匀阵列包含N根天线，且天线之间的间距为d，d≤λ/2，λ为载波波长。基于多天线理论，线性均匀天线阵列与沿θ方向的单天线接收用户之间的信道表示为h
*
(θ)，形式如下：
[0014][0015]步骤3、使用随机天线子集调制，将人工噪声引入到非期望信道上，实现非期望方向上信号随机变化。
[0016]在波束赋型的基础上联合人工噪声，通过在每发送一个符号时对实际传输的天线子集进行随机选择，进而将随机性引入到非期望方向上的星座图中，增加非期望方向用户通过敏感的接收机还原出正确的传输符号的难度，提升通信安全性。
[0017]设定目标用户在θ
T
方向，因此均匀直线阵列所发射波束主瓣也将朝向θ
T
方向，单天线用户在时刻k沿θ方向接收到天线阵列发出的信号表示为：
[0018]y(k,θ)＝h
*
(θ)w(θ
T
)x(k)+n
ꢀꢀ
(2)
[0019]其中，x(k)为阵列k时刻的传输符号，n为加性噪。w(θ
T
)为波束赋形向量，卫星天线阵列通过设定使主瓣沿着θ
T
方向传播。
[0020]为了使非期望方向上的信号随机化，在每一个调制符号发送时，射频器随机选择一个实际传输信号的天线子集。随机天线子集调制后θ方向接收用户接收到天线阵列的信号表示为：
[0021][0022]其中，b＝{b1,
…
,b
i
,
…
,b
N
}
T
，是一个N
×
1维向量，代表天线阵列中每个天线的权重。设定在N个天线中随机选择M个天线去发送噪声，被选择的天线权重为1，没有被选择天线权重为0，即b
i
＝{0,1}，由于每发送一个符号均随机选择发送信号的天线子
集，这样将随机性引入到非期望信号发射系统中，增加非期望方向用户通过敏感的接收机还原出正确的传输符号的难度。当θ＝θ
T
时，y(k,θ
T
)＝x(k)+n，在扰乱非期望方向信号的同时，期望方向的信号几乎不不产生失真。
[0023]步骤4、建立旁瓣能量优化目标函数，解决随机天线子集调制旁瓣平均能量变高的问题。
[0024]随机天线子集调制导致旁瓣平均能量变高，增加非期望用户接收信号的能量，降低系统发射效率，提升被窃听的安全风险。为了减小非期望方向用户接收到的信号能量，选择旁瓣低的天线组合来发送信号。以旁边能量作为目标函数来选择天线组合使得方向图拥有较低的旁瓣，以确保非期望方向用户接收信号能量尽可能的低来达到安全通信的目的。
[0025]窃听者在非期望方向θ
u
上接收到的信号可以利用比例因子ρ(θ
u
,b)表示为：
[0026]y(k,θ
u...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于交叉熵算法的天线子集优化方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤1、采用数模混合波束赋形设计来实现卫星发射系统的随机天线子集调制；所述卫星发射系统数模混合波束赋形设计由一个包含N条天线的天线阵列和一个数字射频器联合组成；卫星发射系统每发射一个调制符号，数字射频器将随机选择出一个包含M条天线的天线子集来生成模拟波束；利用天线子集的动态选择来实现数据调制和发送的方式称为随机天线子集调制；步骤2、基于多天线理论对卫星阵列的传输信道进行建模，得到阵列的传输信道模型；步骤3、使用随机天线子集调制，将人工噪声引入到非期望信道上，实现非期望方向上信号随机变化；步骤4、建立旁瓣能量优化目标函数，解决随机天线子集调制旁瓣平均能量变高的问题；随机天线子集调制导致旁瓣平均能量变高，增加非期望用户接收信号的能量，降低系统发射效率，提升被窃听的安全风险；为了减小非期望方向用户接收到的信号能量，选择旁瓣低的天线组合来发送信号；以旁边能量作为目标函数来选择天线组合使得方向图拥有较低的旁瓣，以确保非期望方向用户接收信号能量尽可能的低来达到安全通信的目的；步骤5、建立基于交叉熵的天线子集优化模型，得到天线子集优化所需的迭代概率；天线子集优化是一个整数最优问题，无法采用传统的优化方法来解决，基于交叉熵的天线子集优化方法利用最大旁瓣能量作为目标函数，并依据KL散度逐渐迭代选择出目标函数小的天线子集，从而降低旁瓣能量；步骤6、利用步骤5构建的基于交叉熵的天线子集优化模型，迭代优化得到低旁瓣能量的天线子集。2.如权利要求1所述的一种基于交叉熵算法的天线子集优化方法，其特征在于：所述卫星波束赋形系统的天线阵列采用线性均匀阵、均匀平面阵或均匀球面阵；当天线阵采用线性均匀阵，线性均匀阵列是由多个天线均匀的排列在一条直线上所形成的天线阵列；线性均匀阵列包含N根天线，且天线之间的间距为d，d≤λ/2，λ为载波波长；基于多天线理论，线性均匀天线阵列与沿θ方向的单天线接收用户之间的信道表示为h
*
(θ)，形式如下：3.如权利要求2所述的一种基于交叉熵算法的天线子集优化方法，其特征在于：步骤3实现方法为，在波束赋型的基础上联合人工噪声，通过在每发送一个符号时对实际传输的天线子集进行随机选择，进而将随机性引入到非期望方向上的星座图中，增加非期望方向用户通过敏感的接收机还原出正确的传输符号的难度，提升通信安全性；设定目标用户在θ
T
方向，因此均匀直线阵列所发射波束主瓣也将朝向θ
T
方向，单天线用户在时刻k沿θ方向接收到天线阵列发出的信号表示为：y(k,θ)＝h
*
(θ)w(θ
T
)x(k)+n(2)其中，x(k)为阵列k时刻的传输符号，n为加性噪；w(θ
T
)为波束赋形向量，卫星天线阵列
通过设定使主瓣沿着θ
T
方向传播；为了使非期望方向上的信号随机化，在每一个调制符号发送时，射频器随机选择一个实际传输信号的天线子集；随机天线子集调制后θ方向接收用户接收到天线阵列的信号表示为：其中，b＝{b1,
…
,b
i
,
…
,b
N
}
T
，是一个N
×
1维向量，代表天线阵列中每个天线的权重；设定在N个天线中随机选择M个天线去发送信号，被选择的天线权重为1，没有被选择天线权重为0，即b
i
＝{0,1}，由于每发送一个符号均随机选择天线子集，将随机性引入到非期望信号发射系统中，增加非期望方向用户通过敏感的接收机还原出正确的传输符号的难度；当θ＝θ
T
时，y(k,θ
T
)＝x(k)+n，在扰乱非期望方向信号的同时，期望方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：李祥明，齐斌，王爱华，叶能，陈灿，王洪圆，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：