一種基于波束成形的動態(tài)方向調(diào)制方法與流程

本發(fā)明屬于通信技術(shù)中的陣列信號處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于波束成形的動態(tài)方向調(diào)制方法。

背景技術(shù)：

在過去十幾年，通信及信息技術(shù)的飛速發(fā)展，使信息化成為現(xiàn)代社會的主要時(shí)代特征。各種通信技術(shù)層出不窮，使得無線通信領(lǐng)域無聲地融入生活的各方面。由于無線電傳輸信息的廣播特性，當(dāng)利用無線通信帶來不受地域約束的便利的同時(shí)，通信信息也容易被第三方接收。通信安全技術(shù)發(fā)展相對滯后，傳統(tǒng)無線安全基本依靠兩種方法：一類是直接移植有線通信系統(tǒng)中建立在高層協(xié)議上以密碼學(xué)為基礎(chǔ)的方法；另一類是采用序列擴(kuò)頻/跳頻、超寬帶等低截獲率傳輸技術(shù)。這些方法“治標(biāo)”沒有“治本”，沒有根本解決信號輻射泄漏帶來的問題。只有從無線信道的本質(zhì)和特點(diǎn)出發(fā)，搜索尋找解決無線通信開放性問題的辦法才是解決無線安全問題的根本出路。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，物理層安全的研究逐漸得到人們的重視。方向調(diào)制技術(shù)利用無線通信系統(tǒng)中多天線發(fā)射陣列直接在天線端綜合出具有方向特性的數(shù)字調(diào)制信號，從信號調(diào)制角度解決通信信息在傳輸過程中的安全性問題。發(fā)射的無線通信信號在期望方位接收信號星座點(diǎn)之間的相對相位關(guān)系與基帶數(shù)字調(diào)制信號相同，合法用戶可以正常解調(diào)接收信號；而非期望方位竊聽接收機(jī)接收信號星座點(diǎn)之間的相對相位關(guān)系產(chǎn)生畸變，竊聽者無法從接收信號中解調(diào)通信信息。方向調(diào)制系統(tǒng)能夠使非目標(biāo)方向的的信號星座圖產(chǎn)生失真。根據(jù)目標(biāo)方向星座圖的變化，可以將方向調(diào)制系統(tǒng)分為靜態(tài)系統(tǒng)和動態(tài)系統(tǒng)。在靜態(tài)系統(tǒng)中，非目標(biāo)方向的星座圖失真是恒定的。而在動態(tài)系統(tǒng)中，非目標(biāo)方向的失真是隨著信息流動態(tài)變化的。動態(tài)方向調(diào)制具有更高的安全性。

傳統(tǒng)的動態(tài)方向調(diào)制，如正交矢量法，進(jìn)行動態(tài)方向調(diào)制時(shí)，按符號速率更新目標(biāo)方向信道矩陣的正交矩陣的零域，這就需要每次都用算法求解一次天線權(quán)值，復(fù)雜度很大。而本文采用權(quán)值自更新的方法。權(quán)值自更新法就是只通過算法求解一次天線權(quán)值，然后將這些權(quán)值不斷變換順序，再與天線排列有關(guān)的權(quán)值相結(jié)合產(chǎn)生多組權(quán)值用于動態(tài)方向調(diào)制。并且為了解決變換權(quán)值導(dǎo)致產(chǎn)生的較差的方向調(diào)制性能，對所有權(quán)值綜合出的權(quán)值用一個(gè)特定的參數(shù)進(jìn)行衡量，篩選出性能好的集中進(jìn)行動態(tài)方向調(diào)制，是一種低復(fù)雜度、高性能的動態(tài)方向調(diào)制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于波束成形的動態(tài)方向調(diào)制。本發(fā)明考慮的是通過設(shè)計(jì)低復(fù)雜度的方法來適用于工程設(shè)計(jì)，同時(shí)在實(shí)現(xiàn)動態(tài)方向調(diào)制的基礎(chǔ)上要提高動態(tài)方向調(diào)制的性能。

本發(fā)明的核心思想是通過求解的權(quán)值順序改變產(chǎn)生不同的天線輻射來進(jìn)行動態(tài)方向調(diào)制，并通過一個(gè)合適的參數(shù)來衡量不同組權(quán)值的好壞，再進(jìn)行篩選以提高動態(tài)方向調(diào)制的性能。

為了方便理解，首先介紹本發(fā)明使用的模型：

本發(fā)明用于在空間中實(shí)現(xiàn)陣列增益和方向調(diào)制的安全性結(jié)合，基本模型為陣列天線在遠(yuǎn)場所形成的電磁場值：

其中，代表傳輸方向的波數(shù)矢量，和代表接收點(diǎn)位置矢量和各個(gè)陣元距離值。

對于全向天線陣元單個(gè)天線的方向圖apn(θ)＝1(n＝1,2...n),同時(shí)在線陣中使用半波長作為陣元間距,所以天線的遠(yuǎn)場e可以定義為公式

其中，θ是信號入射角，法線設(shè)定為90°，相位中心點(diǎn)設(shè)定為陣列中心。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種基于波束成形的動態(tài)方向調(diào)制方法，其特征在于，包括以下步驟：

s1、建立天線遠(yuǎn)場模型如下：

其中，θ是信號入射角，法線設(shè)定為90°，n為陣列天線數(shù)，an是天線單元輻射，dm為輸入信號，是第n個(gè)波束的復(fù)增益；

通過公式可以看出來，其不同的調(diào)制符號中，遠(yuǎn)場輻射矢量是一致的，通過在不同調(diào)制符號引入新的自由度能夠有效的增強(qiáng)其輻射電場的安全性。

在方向調(diào)制(dm)中，gmn隨著dm的變化進(jìn)行不停的更新，同時(shí)我們將當(dāng)成一個(gè)新的復(fù)數(shù)增益gmn'來控制波束成形網(wǎng)絡(luò)同時(shí)代替基帶dm進(jìn)行調(diào)制，我們也可以將其看成一種新的天線權(quán)值。

s2、將調(diào)制星座圖分為兩部分，一部分是幅度調(diào)制，一部分是相位調(diào)制。幅度根據(jù)要采用的星座圖，再加上非數(shù)值算法確定；而在相位調(diào)制中，相位分為兩部分：一部分是由算法求解獲得的相位，一部分是波束成形引入的和陣列排布有關(guān)的相位；

s3、合成期望目標(biāo)星座點(diǎn)，具體方法為：

s31、建立利用相控陣天線權(quán)值合成星座點(diǎn)的模型如下

其中，amp(x)是幅度值，phase(x)是相位值，中的φi為通過遺傳算法或者粒子群算法等進(jìn)行求全局求解后獲得的數(shù)值，使其和等于期望星座點(diǎn)amp(x)e^jphase(x)；

s32、利用非數(shù)值算法綜合星座圖，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為第x個(gè)星座點(diǎn)amp(x)e^jphase(x)，通過多次迭代進(jìn)行求解最優(yōu)值的x組n個(gè)

s4、假設(shè)已知安全接收方向θ，通過傳統(tǒng)波束成形算法獲得n個(gè)天線陣元的權(quán)值

s5、將步驟s3和步驟s4結(jié)合獲得優(yōu)化天線陣元權(quán)值作為新的發(fā)射天線陣元權(quán)值；

s6、按符號速率改變wix，在已求得的天線權(quán)重的前提下，不斷變換φix對應(yīng)的天線位置，再與相加合成最后的天線權(quán)值以實(shí)現(xiàn)動態(tài)方向調(diào)制；

s7、對于天線數(shù)n，根據(jù)步驟s6的變換順序得到的總的天線權(quán)值組有通過以下步驟進(jìn)行優(yōu)選：

s71、定義一個(gè)衡量參數(shù)：

其中，m為星座點(diǎn)階數(shù)，θdesired為期望方向角度，θc為偏離期望方向角度，ek(θ)為遠(yuǎn)場合成的電場輻射，fk為標(biāo)準(zhǔn)星座點(diǎn)；

s72、將天線權(quán)值組代入ek(θ)中，再代入衡量參數(shù)中，求得每組天線的衡量參數(shù)值，將衡量參數(shù)值從大到小進(jìn)行排序，選取其中前10％組作為動態(tài)方向調(diào)制的基本權(quán)值組，其余組舍棄掉；

s8、將基帶調(diào)制信號進(jìn)行分類，按照不同的符號對應(yīng)不同的天線陣元組進(jìn)行映射；在進(jìn)行信號發(fā)射中，通過不同符號的映射每發(fā)射一個(gè)符號映射一次相應(yīng)的天線權(quán)值，不同的符號周期采用步驟s72中選取留下的不同的權(quán)值組，從而形成在期望方向上的動態(tài)方向調(diào)制。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明使用自更新方向調(diào)制，只用算法計(jì)算一次天線權(quán)值，降低了算法復(fù)雜度，同時(shí)在工程應(yīng)用上，很大程度上降低了存儲空間；同時(shí)定義了一個(gè)合適的度量參數(shù)對自更新的所有權(quán)值進(jìn)行了衡量，通過對優(yōu)質(zhì)解的篩選能提高動態(tài)方向調(diào)制的性能。

附圖說明

圖1為矢量誤差積分圖，是四天線16apsk在目標(biāo)方向正負(fù)10°間畸變的星座圖與目標(biāo)方向的星座圖的矢量誤差積分圖；

圖2為通過圖1四天線16apsk求得的矢量積分排序后，最大矢量誤差積分前10％(3個(gè))與最小矢量誤差積分后三個(gè)在不同角度上誤碼率的比較；

圖3為通過圖1四天線16apsk求得的矢量積分排序后，最大矢量誤差積分前10％(3個(gè))與最小矢量誤差積分后三個(gè)在不同角度上evm的比較。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。

實(shí)施例

以四天線16apsk調(diào)制為例，包括以下步驟：

s1：建立不同于傳統(tǒng)波束成形的天線遠(yuǎn)場模型：

假設(shè)天線陣列數(shù)為n1＝4，n2＝8,陣元間距為λ/2。

s2：將16apsk調(diào)制星座圖分為外圈幅度1，內(nèi)圈幅度0.5540，8*8apsk調(diào)制，內(nèi)外圈相位分別為π/8初始相位，以π/4為相位間隔，8個(gè)相位，內(nèi)外圈相位相同。同時(shí)按照原定義的amp(x)e^jphase(x)進(jìn)行分布，其中x為第x個(gè)星座點(diǎn)，amp為以最外圍幅度進(jìn)行歸一化后的幅度。

s3：設(shè)定經(jīng)過陣列信號的權(quán)值的變化，合成期望目標(biāo)星座點(diǎn)，具體步驟如下：

s31：建立利用相控陣天線權(quán)值合成星座點(diǎn)的模型如下：

16apsk：

其中，中的φi為通過遺傳算法或者粒子群算法等進(jìn)行求全局解后獲得的數(shù)值.

s32：利用非數(shù)值算法例如遺傳算法綜合星座圖，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為第x個(gè)星座點(diǎn)amp(x)e^jphase(x)，通過多次迭代進(jìn)行求解最優(yōu)值。

s4:假設(shè)已經(jīng)通過doa估計(jì)算法或者預(yù)先指定期望安全接收方向θ，通過傳統(tǒng)波束成形算法如(lcmv)算法等獲得16個(gè)天線陣元的權(quán)值

s5：結(jié)合s3和s4得到的優(yōu)化天線陣元權(quán)值作為新的發(fā)射天線陣元權(quán)值。

s6：為了實(shí)現(xiàn)動態(tài)方向調(diào)制，要按符號速率改變wix，在已求得的天線權(quán)重的前提下，不斷變換φix對應(yīng)的天線位置，再與相加合成最后的天線權(quán)值以實(shí)現(xiàn)動態(tài)方向調(diào)制。

s7：天線數(shù)n1＝4，變換順序得到的總的天線權(quán)值組有組，然后就是進(jìn)行優(yōu)選操作，具體步驟如下：

s71：定義一個(gè)衡量參數(shù)：

其中，m：星座點(diǎn)階數(shù)，θdesired：期望方向角度，θc：偏離期望方向角度，ek(θ)：遠(yuǎn)場合成的電場輻射，fk：標(biāo)準(zhǔn)星座點(diǎn)。

s72：將天線權(quán)值組代入ek(θ)中，再代入衡量參數(shù)中，求得每組天線的衡量參數(shù)值，選取其中參數(shù)值很高的一些組作為動態(tài)方向調(diào)制的基本權(quán)值組，參數(shù)值低的舍棄掉。對于4天線陣來說，選取畸變大的3種星座圖來作為動態(tài)方向調(diào)制的基本圖形，剩下的21種圖形不采用。

s8：將基帶調(diào)制信號進(jìn)行分類，按照不同的符號對應(yīng)不同的天線陣元組進(jìn)行映射。在進(jìn)行實(shí)際信號發(fā)射中，通過不同符號的映射每發(fā)射一個(gè)符號映射一次相應(yīng)的天線權(quán)值，不同的符號周期采用最終篩選留下的不同的權(quán)值組，便形成了在期望方向上的動態(tài)方向調(diào)制。

下面將對本發(fā)明方法的性能進(jìn)行分析，以進(jìn)一步驗(yàn)證本發(fā)明的性能。

采用了兩個(gè)方面來度量算法的有效性，一個(gè)是使用誤碼率曲線波束圖說明本方法實(shí)現(xiàn)的方向調(diào)制的安全性是有效的，在期望方向的誤碼率低，而非期望方向隨著誤碼率高，并且用于動態(tài)方向調(diào)制的星座圖的平均誤碼率波束比舍棄的平均誤碼率波束在10e-2級別多收斂2-4°。一個(gè)是使用誤差向量幅度(errorvectormagnitude，簡稱evm)來衡量方向調(diào)制的安全性，在期望方向evm較低，在非期望方向evm高，用于動態(tài)方向調(diào)制的星座圖的平均evm比傳統(tǒng)evm在距離目標(biāo)方向10°處提高了近10％。

圖1為衡量參數(shù)矢量誤差積分圖——四天線16apsk在目標(biāo)方向正負(fù)10°間畸變的星座圖與目標(biāo)方向的星座圖的矢量誤差積分圖。四天線16apsk總共有種星座圖的矢量誤差積分?jǐn)?shù)值?？梢钥闯霾煌男亲鶊D衡量參數(shù)參差不齊，有的差異特別大，反映出來是性能差異大，有進(jìn)行優(yōu)化的必要。

圖2為通過圖一四天線16apsk通過變換權(quán)值求得的24個(gè)星座圖求得的矢量積分排序后，最大矢量誤差積分前10％(3個(gè))與最小矢量誤差積分后三個(gè)在不同角度上誤碼率的比較。圓圈代表最好性能誤碼率，三角形代表最差性能誤碼率。誤碼率10e-2處，最好的性能比最差性能安全性好，多收斂了4°安全角度。

圖3為通過圖一四天線16apsk求得的矢量積分排序后，最大矢量誤差積分前10％(3個(gè))與最小矢量誤差積分后三個(gè)在不同角度上evm的比較。在距目標(biāo)方向5°處，最大矢量誤差積分evm提高了近4.905％，在距目標(biāo)方向10°處，最大矢量誤差積分evm提高了9.69％。

綜上所述，本發(fā)明提出的基于優(yōu)選的動態(tài)方向調(diào)制的方法，在自更新方向調(diào)制的基礎(chǔ)上，通過采用一個(gè)合適的衡量參數(shù)——目標(biāo)角度周圍一定范圍內(nèi)畸變星座圖與目標(biāo)角度星座圖矢量誤差積分，對權(quán)值順序變化產(chǎn)生的不同星座圖的性能進(jìn)行衡量，將性能好的若干組星座圖作為動態(tài)方向調(diào)制的基本星座圖。再從evm和誤碼率波束圖上分析和對比了要采取的星座圖和舍棄的星座圖之間的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本發(fā)明提出的算法實(shí)現(xiàn)了低復(fù)雜度的動態(tài)方向調(diào)制，并且和非優(yōu)選的自更新方向調(diào)制相比，提高了方向調(diào)制的安全性。