基于相位赋形的方向调制信号综合方法研究-洪涛.pdf

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1、第38卷第4期 电 子 与 信 息 学 报 Vol. 38No.4 2016年4月 Journal of Electronics & Information Technology Apr . 2016 基于相位赋形的方向调制信号综合方法研究 洪 涛*(南京邮电大学通信与信息工程学院 南京 210003) 摘 要：方向调制技术采用多天射阵列在天线端综合出具有方向特性的数字调制信号，是近年来物理层安全通信领域研究的热点之一。现有方向调制信号综合算法主要基于遗传算法和矢量法，但由于不同文献研究的通信系统模型不同，基于这两种算法的方向调制信号应用都具有一定的局限性。该文从窃听接收机所在的非期望方位接收

2、方向调制信号星座点之间的相对相位关系产生畸变这一方向调制信号物理层安全本质出发，提出一种基于相位赋形的方向调制信号综合算法。首先根据不同的通信模型建立期望的相位波束空间覆盖函数，然后对期望的赋形相位波束采用空间傅里叶变换得到发射阵列的加权值。仿真结果表明该文提出的方向调制信号综合算法适用于笔形相位波束单用户信道、扇形相位波束的广播信道和多用户正交信道等不同的通信应用场景，为方向调制信号在不同通信场景中的应用提供技术支撑。 关键词：无线通信；物理层安全；方向调制；空间傅里叶变换 中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1009-5896(2016)04-0870-07 DOI: 10.1

3、1999/JEIT150463 Directional Modulation Signal Synthesis Algorithm Based on the Phase Beam-forming HONG Tao (College of Telecommunications & Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China) Abstract: Directional Modulation (DM) technique is a hot res

4、earch area for physical layer security communication in recent years. The baseband modulation signal is synthesized at the antenna level for transmitting different signal constellations at different directions. The genetic algorithm and vector method are the main synthesis algorithms for DM signal.

5、However, these algorithms have some limitations for different communication models because of different research targets of these papers. In this paper, a DM signal synthesis algorithm based on phase beam-forming technique is proposed from the point view of that receive signal constellation of DM si

6、gnal is scrambled at the undesired directions. First the phase beam function is set up for different communication models. Then the weighted values for array elements are obtained by the spatial Fourier transformation of the radiation pattern. Simulation results show that the proposed DM signal synt

7、hesis algorithm provides technological support for different communication models such as single user channel with pencil phase beam, broadcast channel with fanned phase beam and multi-access channel with orthogonal phase beam. Key words: Wireless communication; Physical layer security; Directional

8、Modulation (DM); Spatial Fourier transformation 1 引言随着无线通信技术在不同行业中的广泛应用，通信信息在传输过程中的安全性问题越发引起人们收稿日期：2015-04-22；改回日期：2016-01-18；网络出版：2016-02-29 *通信作者：洪涛 基金项目：国家自然科学基金( 61302102, 61271232)，江苏省属高校自然科学研究面上项目(13KJB510023)，国家博士后自然科学基金(2013M531390) Foundation Items: The National Natural Science Foundation

9、of China (61302102, 61271232), The Scientific Research Foundation of the Higher Education Institutions of Jiangsu Province (13KJB510023), The National Science Foundation for Post- doctoral Scientists of China (2013M531390) 的关注。传统的解决方案都是采用密钥和安全传输协议来保证通信信息的安全性，但随着窃听者计算能力的增强和新型无中心网络的发展，传统方式的安全方案受到越来越多的

10、挑战。物理层安全是近年来在香农信息论基础上发展起来的利用无线通信系统自身的特点来解决传输信息安全性的研究热 点1 4，如人工噪声辅助物理层安全通信系统5、基于编码技术的物理层安全通信系统6和基于博弈理论的协作物理层安全通信系统7。 近年来，研究者将多天线收发阵列应用于物理层安全通信领域，提出了一种方向调制技术8 10。第4期 洪 涛： 基于相位赋形的方向调制信号综合方法研究 871 该技术利用无线通信系统中多天线发射阵列直接在天线端综合出具有方向特性的数字调制信号，从信号调制角度解决通信信息在传输过程中的安全性问题。方向调制信号发射机通过综合算法控制多天线发射阵列的相移器、天线阵元间的互耦电流

11、、天线阵切换发射等方法在期望方位直接综合出数字基带调制信号。这样发射的无线通信信号在期望方位接收信号星座点之间的相对相位关系与基带数字调制信号相同，合法用户可以正常解调接收信号；而非期望方位窃听接收机接收信号星座点之间的相对相位关系产生畸变，窃听者无法从接收信号中解调通信信息。现有的方向调制信号综合算法主要基于遗传算法、矢量合成法和多波束合成法。文献 8,9采用遗传算法控制相控阵相移器在期望方位综合出基带数字调制信号。文献 11中采用遗传算法控制重构天线的发射结构，实现方向调制信号的综合。在此基础上文献 12将这种遗传算法控制相移器的综合方法拓展到有限相移值的数字式相移器。文献 13将相控阵方

12、向调制信号应用拓展到多用户通信模型，实现空间多个方位方向调制信号的综合，但算法只能实现空间中几个固定方位的方向调制信号综合，如果接收机的空间方位变化，需要改变发射阵元的阵元间距。基于遗传算法的方向调制信号综合方法需要在解空间搜索目标函数的解，算法具有一定的复杂度。因此，文献 14中提出了一种基于矢量合成法的相控阵方向调制信号综合方法，阵元发射信号与矢量合成图中的矢量一一对应，在期望方位多个矢量综合出与基带数字调制信号对应的矢量形式。相比于遗传算法，矢量法具有算法相对简单综合过程更加直观的特点。文献15在矢量合成法的基础上总结了方向调制信号相比于传统发射机的优点。文献16将矢量合成法拓展到多用户

13、通信模型下，实现BPSK-QPSK双向方向调制信号的综合。区别于基于相控阵的方向调制信号，文献 10设计出了一种基于方向调制技术的60G无线通信片上集成系统，采用遗传算法控制发射阵元之间的互耦电流，发射的多个波束在期望方位综合出基带数字调制信号。文献1 7在此基础上提出了一种基于角型反射器天线的双波束方向调制信号。文献1 8提出了一种基于切换天线阵的方向调制信号，采用扩频序列控制切换天线阵的切换方式，在空间期望方位通过发射天线的切换综合出一种方向调制扩频信号，将方向调制信号与扩频信号的安全特点有机结合。进一步，文献 19基于切换天线时间调制理论提出了一种4维阵方向调制信号发射机，利用天线高速切

14、换产生的谐波作为人工干扰噪声，抑制非期望方位窃听用户的性能。 上述的方向调制信号综合算法中都是以期望方位综合出基带数字调制信号为目标函数，算法多针对单用户的点对点通信模型提出8 12,14。如果系统本身需要发射的方向调制信号覆盖一定范围的广播信号如卫星通信系统或者需要覆盖多个空间方位的多用户方向调制信号如多用户通信系统，采用上述文献中的算法都具有一定的局限性。此外，上述算法中的目标函数都没有考虑非期望方位星座点之间相位关系畸变的程度，对于空间中某些方位星座点之间相对相位关系畸变程度未超过判决门限，窃听接收机可以通过多天线接收的方法提高接收信号信噪比解调通信信息。因此，本文在上述文献的研究基础上

15、提出了一种基于相位赋形的方向调制信号综合方法，解决传统方向调制信号信息从相位波束旁瓣泄露的问题。仿真结果表明本文提出的方向调制信号综合算法适用于笔形相位波束单用户信道、扇形相位波束的广播信道和多用户正交信道等不同的通信应用场景。 2 相位赋形方向调制信号综合算法 图1中给出了基于相控阵的方向调制信号发射机框图，发射阵列为阵元各向同性的直线阵列，阵元间距为/2，阵元数目为21N ，对应的阵元加权值为kw，分别用序号, 1, , 1, 0, 1, ,NN 1,NN表示。则远区场接收信号可以表示为 j cosekNdkkNEw(1) 其中：为传播常数，kd为第k个阵元的坐标，为接收机所在的方位角。为

16、了在期望方位d综合出基带数字调制符号，以QPSK调制信号为例， 33j jj j4 44 4QPSKe ,e ,e ,e ，现有的方向调制信号 综合算法都是采用遗传算法、矢量综合法、多波束合成法等综合算法，以空间单个期望方位d的接收信号为目标函数求解阵列的加权值，使得 QPSKki dwE ，其中i表示第i个QPSK调制符号。如果系统发射信号要求是一定区域范围内的广 图1基于相控阵的方向调制信号发射机框图 872 电 子 与 信 息 学 报 第38卷 播信道(卫星通信场景)或多个不同方位正交信道(多用户通信场景)，使用上述的单目标综合算法难以方便得到加权值的解。 本文利用阵列辐射方向图函数与各

17、阵元加权值之间符合空间傅里叶变换对关系，提出了一种基于相位赋形的方向调制信号综合方法。设期望的辐射方向图函数 dS 由式(2)表示： jefddSS (2) 其中， dS 为辐射方向图的幅度函数， f 为辐射方向图的相位函数。方向调制信号在空间不同方位的误码性能由接收信号星座点之间的相对相位关系决定，即不同符号对应的相位函数 f 决定，理想情况下期望方位 df符合QPSK调制信号星座点之间的相对相位关系，非期望方位 df接收信号星座点相互重合或者畸变超过判决门限。因此对于笔形相位波束点对点信道、扇形相位波束的广播信道和多用户的正交相位波束理想情况下的相位赋形函数 f 如图2所示。 以最具一般性

18、的笔形相位波束为例，期望的目标函数 dS 可以改写成式(3 )的形式： jj1, 0e e , +1, dffdd d ddSS (3) 其中，为相位波束的半波束宽度。这里需要说明的是本文的目标函数只是约束了相位函数，原因是如果同时约束幅度函数和相位函数，提高发射机的功率利用率，会导致空间中某些方位出现与期望方位相同的调制符号之间的相对相位关系。即使非期望方位窃听接收机接收功率高于期望接收机，但由于接收调制符号相对相位关系产生畸变，窃听接收机也无法从中解调出通信信息。根据期望的辐射方向图函数 dS 与阵元加权值kw之间的空间傅里叶变换对关系，阵元加权值kw可以表示为 j11j 2121221e

19、d2sin cos cos1j2sin sin1e2cos cosjsin cos cos1j2 kukdfw Su ukx kx kkkkx kxkkx kxkkx k kxkk (4) 其中，1 dx , 2 dx , cosu 。由于 dS 与kw之间符合空间傅里叶变换对的前提条件是发射阵元数目趋向于无穷，因此式(4 )得到的kw只是理想加权值的截短函数。为了保证在期望方位基带数字调制信号的综合，需要对式(4 )得到的kw进行一定的相位约束。对于不同的应用场合，在下一小节中给出详细的相位约束方法。 3 不同场景下相位赋形方向调制信号综合算法的应用 本小节以单用户信道模型和多用户信道模型为

20、例给出算法对应的加权值、幅度相位方向图函数和不同方位接收信号的星座图来说明本文方向调制信号综合算法的有效性。 3.1 笔形相位波束的单用户信道 设期望接收机所在的方位70d , 6和阵元数为13。由式(4 )可以得到阵元的激励,kwk , 1, , 0, , 1,NN N N 。单用户信道对应的相位约束为 jecosj phaseeNdkdkkNdw fkkww(5) 其中：phase()为取相位函数。图3给出了笔形相位波束方向调制信号发射机发射不同调制符号和传统发射机阵元加权信号的相对幅度和相位的比较图。 图4和图5分别为本文算法在单用户信道模型下与矢量法发射机辐射信号方向图和不同方位接收

21、图2 理想情况下期望的相位波束赋形函数 第4期 洪 涛： 基于相位赋形的方向调制信号综合方法研究 873 图3 笔形相位波束的阵元加权值 信号星座图对比图。由幅度方向图的对比可以看出：(1)基于本文算法和矢量法的方向调制信号幅度方向图函数相比于传统方式的发射机最大值都没有指向期望方位，本文算法和矢量法期望方位与最大值指向方位相差0.82 dB和1.53 dB，说明本文算法的功率利用率高于矢量综合法，并且基于本文算法的方向调制信号幅度函数在全空间近似均匀分布；由相位方向图的对比可以看出：(2)基于本文算法的相位方向图中不同调制符号的相位轨迹在期望方位符合QPSK调制符号之间的相对相位关系，当方位

22、角偏离大于10时，接收信号的相位几乎两两重合，通信信息就包含在接收信号星座点之间的相对相位中，这样从信息论角度无论接收机如何提高接收信号的信噪比也无法从接收信号中提取有用的通信信息；而基于矢量法的方向调制信号在期望方位接收信号符合QPSK调制符号之间的相对相位关系，但在空间某些方位如99 接收调制符号之间的相位关系畸变程度较小并未超过判决门限，窃听接收 图4 单用户信道模型下本文算法与矢量法发射机辐射信号方向图对比 874 电 子 与 信 息 学 报 第38卷 图5 单用户信道模型下本文算法与矢量法发射机接收信号星座图对比 机可以通过多天线接收的方式提高接收信号信噪比解调通信信息。这点也是基于

23、本文算法的方向调制信号相比于基于矢量法的方向调制信号的优点；由不同方位接收信号星座图可以看出：(3)基于本文算法的方向调制信号在幅度方向图中最大辐射方位55 ，窃听接收机虽然接收信号幅度高于期望接收机，但接收信号星座点几乎两两重合，窃听接收机无法从星座点之间的相位关系中解调出有用的通信信息；而传统发射机不同方位接收信号星座点之间仅存在幅度的差别，非期望方位的窃听接收机提高接收信号信噪比仍然可以从接收信号中解调出通信信息。 3.2 正交相位波束的多用户信道 假设系统中有两个期望用户，所在的方位分别为170d ,2105d 。对于传统方式的发射机采用时分接入的通信方式，而对于方向调制信号由于两个用

24、户传输信息码不同，这样期望的相位函数 f 共有16种不同的相位函数形式，我们以用户1发送符号1 1用户2发送符号1 1null, 1 -1null, -1 1null, -1 -1null4种相位函数为例来说明。同样，由式(4 )可以得到阵元的激励kw，对应模型的正交相位波束相位约束公式为 121exp j phasephase 2kk dddww SSf(6) 图6给出了正交相位波束方向调制信号发射机的辐射信号方向图函数。由图中曲线可以得到与上述的笔形相位波束方向调制信号相类似的结论。对于正交相位波束方向调制信号需要补充说明的是：多用户占用相同的信号频谱资源和时间资源，用户之间无用户间干扰，

25、并且每一个用户的信息与用户所在的空间方位相关联，同一系统内不同方位的用户或非期望方位窃听用户，由于接收信号星座点之间的相位关系的畸变都无法从接收信号中解调有用的通信信息。 4 数值仿真性能及其分析 仿真中为了能与传统的基带调制信号发射机比较误符号性能，方向调制信号发射机都对期望方位发射功率做归一化处理，并且不同方位加性噪声方差都与期望方位保持一致。 图7(a)和图7(b)中给出了基于本文算法的方向调制信号发射机与基于矢量法的方向调制信号发射机以及传统发射机误符号性能对比曲线图。由图7(a)可以看出在期望方位70d 方向调制信号误符号性能与传统的基带数字调制信号发射机相同，但随着接收机方位偏离期

26、望方位，方向调制信号误符号性能随着偏离的角度增加提升显著，说明方向调制信号相比于传统发射机信号，误符号性能具有显著的方向敏感度，并且基于矢量法的方向调制信号相比本文算法具有更敏锐的方向性。由图7(b)可以看出基于本文算法的方向调制信号在期望方位的误符号性能随着信噪比变化的曲线与传统基带数字调制信号发射机相同。而在幅度方向图中最大值方位55 ，窃听接收机虽然接收信号功率高于期望接收机，但由于星座点之间的相位关系产生了畸变，误符号性能并不随着接收信号信噪比的提高而提高；基于矢量法的方向调制信号由于存在相位波束旁瓣，在99 方位窃听接收机解调方向调制信号性能与传统发射机类似。虽然基于矢量法的方向调制

27、信号相比于本文算法具有更好的方向特性，但由于存在相位波束的旁瓣，窃听接收机仍然可以从这些空间方位中解调出通信信息；对于传统发射机，在幅度方向图的旁瓣方位48 ，窃听接收机通过多天线接收或累积的方法提高接收信号信噪比，同 样可以从接收信号中提取有用的通信信息。 图8(a)和图8(b)中给出了正交相位波束方向调制信号发射机与传统发射机误码性能对比曲线图。由图8(a)可以看出在方位1=70d和方位2105d 第4期 洪 涛： 基于相位赋形的方向调制信号综合方法研究 875 图6 正交信道方向调制信号发射机辐射方向图 图7 笔形相位波束误符号性能对比图 图8 正交相位波束误码性能曲线图 的两期望用户方

28、向调制信号误符号性能与传统的基带数字调制信号发射机相同，并且同一系统中的两个用户都无法通过接收信号解调对方的通信信息。由图8(b)可以看出窃听接收机在幅度方向图最大值方位120 ，无法解调两个期望用户的通信信息；而对于传统发射机，窃听接收机在幅度方向图最大876 电 子 与 信 息 学 报 第38卷 值方位126 ，窃听接收机提升接收信号的信噪比仍然可以解调出有用的通信信息。 5 结论 本文提出了一种基于相位赋形的方向调制信号综合方法，直接对期望的赋形相位波束采用空间傅里叶变换得到相应的相控阵加权值。算法相对于传统方式的基于遗传算法的方向调制信号综合算法和基于矢量合成的方向调制信号综合方法算法

29、复杂度更低，并且不存在通信信息从相位波束旁瓣泄露的问题。仿真结果表明本文提出的方向调制信号综合算法适用于笔形相位波束单用户信道、扇形相位波束的广播信道、多用户正交信道等不同的通信应用场景。 参 考 文 献 1 POOR H V. Information and inference in the wireless physical layerJ. IEEE Wireless Communications, 2012, 19(1): 40-47. doi: 10.1109/MWC.2012.6155875. 2 MUKHERJEE A, FAKOORIAN S A A, JING Huang, e

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31、sJ. IEEE Signal Processing Magazine, 2013, 30(5): 16-28. doi: 10.1109/MSP.2013.2260875. 4 LEE J. Full-duplex relay for enhancing physica layer security in multi-hop relaying systemsJ. IEEE Communications Letters, 2015, 19(4): 525-528. doi: 10.1109/ LCOMM.2015.2401551. 5 崔波, 刘璐, 金梁. 有限字符输入系统的物理层安全传输条

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34、3724/SP.J.1146.2014.00013. 7 黄开枝, 洪颖, 罗文宇, 等. 基于演化博弈机制的物理层安全协作方法J . 电子与信息学报, 2015, 37(1): 193-199. doi: 10.11999/JEIT140309. HUANG Kaizhi, HONG Ying, LUO Wenyu, et al. A method for physical layer security cooperation based on evolutionary gameJ. Journal of Electronics & Information Technology, 2015,

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36、lation using a phased arrayJ. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2010, 58(5): 1545-1550. doi: 10.1109/TAP.2010.2044357. 10 BABAKHANI A, RUTLEDGE D B, and HAJIMIRI A. Transmitter architectures based on near-field direct antenna modulationJ. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2008, 43(1

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