波动双径衰落信道下的圆阵方向调制方法
发布时间：2021-09-29 15:15
为了实现对三维空间中任意期望方向的物理层安全通信,提出了一种基于均匀圆阵的方向调制发射机系统模型,使用迫零波束形成发射有用信号的同时用零空间映射法发射随机的人工噪声干扰非期望方向.针对当前对毫米波信号小尺度衰落刻画较好的波动双径（fluctuating two-ray, FTR）衰落信道,推导了本文模型的平均安全容量（average secrecy capacity, ASC）下界、安全中断概率（secrecy outage probability, SOP）上界的闭合表达式,对比了系统安全性能关于信噪比的变化曲线.仿真结果表明,阵元数为64,信噪比为10 dB,圆阵方向调制在期望方向可以无失真地恢复信号,非期望方向误差向量幅度（error vector magnitude, EVM）高达100%,误比特率高于40%.本文方法能在三维空间实现无需密钥的定向安全传输,提高信噪比可改善其在FTR衰落信道下的安全性能.
【文章来源】：电波科学学报. 2020,35(05)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
圆阵方向调制系统模型
图2展示了圆阵方向调制的星座图变化情况(假设无信道衰落和噪声).设置阵元数为64;共有两个期望用户,用户1位于(φ1,θ1)=(270°,20°)方向接收QPSK信号,用户2位于(φ2,θ2)=(130°,50°)方向接收8PSK信号;发射信号的总功率Ps=10δ2;功率分配因子 β 1 = 0.5 ;采用误差向量幅度(error vector magnitude, EVM)作为衡量星座图畸变程度的指标(文献[22]的公式(4)),与标准星座图偏差越大,EVM值越高. 可以看到,在用户1、用户2的方向,接收到的星座图分别是标准的QPSK和8PSK星座图,EVM均为0.00%,说明它们只收到了发射机发送给各自的那部分信息符号,不会受到用户间符号串扰或是AN干扰,解调功能正常不受影响. 一旦接收方的方位角或俯仰角稍稍偏离期望方向(图中Δφ=Δθ=10°),星座图立刻发生畸变,信号强度减弱,EVM高达100%左右,这是因为非期望方向受到有用信号相互串扰和AN加扰的影响. 即使窃听方成功监听信号,也难以从中获取信息,从而达到了物理层安全通信的目的.图3比较了圆阵方向调制和线阵方向调制[10]系统的BER(取常用对数)在方位角-俯仰角二维平面上的分布情况.阵元数为64,共设有三个期望用户,分别位于(φ1,θ1)=(260°,20°)、(φ2,θ2)=(130°,50°)、(φ3,θ3)=(40°,80°)方向,均接收QPSK信号,信噪比为10 dB,BER采用文献[22]的公式(6)计算得到. 可以看到:圆阵方向调制在期望用户方向BER达到最低,约7.8×10-4,与同信噪比下QPSK理论误比特性能相同,在以用户坐标为中心的点状区域具有较低的BER水平(BER小于1%的区域我们定义为安全区域),其余方向BER居高不下,多数在40%以上;线阵方向调制的安全区域为弧线状,期望方向之外仍可能正确解调,造成了安全隐患. 这直观地反映了本文提出的圆阵方向调制比线阵方向调制在三维空间中分辨能力更强,可应用场景更广,安全性更有保证. 同时可以注意到,圆阵方向调制形成的安全区域形状并不是一成不变的,而是和俯仰角有关. 经测量发现:俯仰角较小时(如用户1),安全区域在方位角维度较窄(约6°),在俯仰角维度较宽(约18°);俯仰角较大时(如用户3),安全区域在方位角维度较宽(约20°),在俯仰角维度较窄(约6°);俯仰角在45°左右可以获得方位角、俯仰角范围均在8°以内的圆点状安全区域. 因此,实际应用中可以利用这个特性调整阵面俯仰角,以获得整体形状更窄小的安全区域从而提升安全性.
接下来研究圆阵方向调制系统在FTR衰落信道下的物理层安全性能,设阵元数为16. 图4比较了当窃听方与期望用户位于同一方向(270°,30°)时,系统分别在AWGN信道和FTR衰落信道下的ASC性能. 可以看到,对于传统研究的AWGN信道,此时即便提升用户信噪比也不能改善ASC为0的状况,这是因为窃听方不受AN干扰,信噪比与用户始终相同,方向调制将无法发挥作用. 而在FTR衰落信道,由于信号强度随机变化,ASC下界不为0,仍可实现一定速率的安全通信,增大用户信噪比将提高ASC下界,最终趋于一定值. 因此,利用信道的衰落特性有助于解决窃听方与期望用户位于同一方向时方向调制失效的问题.图3 不同阵型方向调制的BER分布
【参考文献】：
期刊论文
[1]多目标遗传算法方向调制物理层安全通信信号设计[J]. 洪涛,宋茂忠,刘渝. 应用科学学报. 2014(01)
[2]一种基于方向调制的双波束扩频安全通信系统[J]. 洪涛,宋茂忠,刘渝. 电子与信息学报. 2011(10)
本文编号：3413936
【文章来源】：电波科学学报. 2020,35(05)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
圆阵方向调制系统模型
图2展示了圆阵方向调制的星座图变化情况(假设无信道衰落和噪声).设置阵元数为64;共有两个期望用户,用户1位于(φ1,θ1)=(270°,20°)方向接收QPSK信号,用户2位于(φ2,θ2)=(130°,50°)方向接收8PSK信号;发射信号的总功率Ps=10δ2;功率分配因子 β 1 = 0.5 ;采用误差向量幅度(error vector magnitude, EVM)作为衡量星座图畸变程度的指标(文献[22]的公式(4)),与标准星座图偏差越大,EVM值越高. 可以看到,在用户1、用户2的方向,接收到的星座图分别是标准的QPSK和8PSK星座图,EVM均为0.00%,说明它们只收到了发射机发送给各自的那部分信息符号,不会受到用户间符号串扰或是AN干扰,解调功能正常不受影响. 一旦接收方的方位角或俯仰角稍稍偏离期望方向(图中Δφ=Δθ=10°),星座图立刻发生畸变,信号强度减弱,EVM高达100%左右,这是因为非期望方向受到有用信号相互串扰和AN加扰的影响. 即使窃听方成功监听信号,也难以从中获取信息,从而达到了物理层安全通信的目的.图3比较了圆阵方向调制和线阵方向调制[10]系统的BER(取常用对数)在方位角-俯仰角二维平面上的分布情况.阵元数为64,共设有三个期望用户,分别位于(φ1,θ1)=(260°,20°)、(φ2,θ2)=(130°,50°)、(φ3,θ3)=(40°,80°)方向,均接收QPSK信号,信噪比为10 dB,BER采用文献[22]的公式(6)计算得到. 可以看到:圆阵方向调制在期望用户方向BER达到最低,约7.8×10-4,与同信噪比下QPSK理论误比特性能相同,在以用户坐标为中心的点状区域具有较低的BER水平(BER小于1%的区域我们定义为安全区域),其余方向BER居高不下,多数在40%以上;线阵方向调制的安全区域为弧线状,期望方向之外仍可能正确解调,造成了安全隐患. 这直观地反映了本文提出的圆阵方向调制比线阵方向调制在三维空间中分辨能力更强,可应用场景更广,安全性更有保证. 同时可以注意到,圆阵方向调制形成的安全区域形状并不是一成不变的,而是和俯仰角有关. 经测量发现:俯仰角较小时(如用户1),安全区域在方位角维度较窄(约6°),在俯仰角维度较宽(约18°);俯仰角较大时(如用户3),安全区域在方位角维度较宽(约20°),在俯仰角维度较窄(约6°);俯仰角在45°左右可以获得方位角、俯仰角范围均在8°以内的圆点状安全区域. 因此,实际应用中可以利用这个特性调整阵面俯仰角,以获得整体形状更窄小的安全区域从而提升安全性.
接下来研究圆阵方向调制系统在FTR衰落信道下的物理层安全性能,设阵元数为16. 图4比较了当窃听方与期望用户位于同一方向(270°,30°)时,系统分别在AWGN信道和FTR衰落信道下的ASC性能. 可以看到,对于传统研究的AWGN信道,此时即便提升用户信噪比也不能改善ASC为0的状况,这是因为窃听方不受AN干扰,信噪比与用户始终相同,方向调制将无法发挥作用. 而在FTR衰落信道,由于信号强度随机变化,ASC下界不为0,仍可实现一定速率的安全通信,增大用户信噪比将提高ASC下界,最终趋于一定值. 因此,利用信道的衰落特性有助于解决窃听方与期望用户位于同一方向时方向调制失效的问题.图3 不同阵型方向调制的BER分布
【参考文献】：
期刊论文
[1]多目标遗传算法方向调制物理层安全通信信号设计[J]. 洪涛,宋茂忠,刘渝. 应用科学学报. 2014(01)
[2]一种基于方向调制的双波束扩频安全通信系统[J]. 洪涛,宋茂忠,刘渝. 电子与信息学报. 2011(10)
本文编号：3413936
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