多天线方向调制物理层安全传输技术研究

发布时间：2020-03-28 13:46

【摘要】：方向调制(Directional Modulation,DM)是一种重要的物理层安全技术,能够使非期望方向的信号发生畸变进而增大窃听者的窃密难度,同时不影响期望方向合法用户的正常通信。近年来,许多学者对方向调制进行了积极的探索,但是目前该技术尚处于发展阶段,许多相关问题有待进一步研究。本文围绕空域加扰和切换天线两种多天线方向调制技术进行了研究,主要工作如下:1.研究了空域加扰方向调制,为了提高空域加扰方向调制信号的安全性,优化设计了两种干扰激励。一种以合法信道零空间正交基向量组合作为干扰激励,另一种以正交基向量和高斯向量的组合作为干扰激励,在发射机效率约束的条件下,以最大化期望方向两侧区域的误码率作为优化目标函数,利用增广拉格朗日遗传算法对问题进行了优化求解。仿真结果表明,两种方法相对于参考方法安全性均有显著提高,具有更窄的保密波束宽度。2.研究了切换天线子集方向调制,为了提高该技术的安全性,提出了等概连续位置和概率加权随机位置两种天线切换方式。推导了在以符号速率为切换频率前提条件下的安全速率计算公式。对等概随机位置、等概连续位置、概率加权随机位置三种切换方式的安全性能进行了仿真比较。仿真结果表明等概连续位置在低信噪比情况下安全性最优,而概率加权随机位置切换则始终优于等概随机位置切换。3.研究了切换天线直接序列扩频方向调制,发现当前技术存在泄密角度的问题,为了消除泄密角度提出了一种非相关切换天线扩频方向调制技术。目前的切换天线合成扩频方向调制在特定的角度存在解扩效应,窃听者不必已知扩频序列使用一般接收机就能够实现窃密,通过分析给出了泄密角度的计算方法。非相关切换天线扩频方向调制技术去除了天线的切换作用与扩频序列的关联性。仿真结果表明,所提出的技术完全消除了泄密角度,具有更好的安全性和抗干扰能力。4.研究了切换天线跳频方向调制,为了增大窃听者载波估计难度,提出了一种具有跳频特征的方向调制技术。根据多普勒效应原理,通过变速切换阵列天线,合法接收者接收恒定载频信号,在不影响正常通信的情况下使非期望方向的信号随着时间改变发生相位的周期变化进而表现出跳频特征。分析了不同方位角通信信号的时频域特性,并仿真了不同方位角信号时频谱图以及不同通信信号窃听者的接收性能,验证了跳频方向调制的有效性。5.设计和实现了切换天线方向调制实验验证系统。基于GNU Radio和USRP软件无线电平台,结合高速射频开关、FPGA控制板、网络收发模块以及阵列天线搭建了点对点视频传输方向调制实验系统。对切换天线子集方向调制的发射机结构进行了优化设计,降低了实现的复杂度。通过测试窃听者位于不同位置的视频传输质量和信号星座样式验证了切换天线方向调制技术的可行性。
【图文】：

阵列天线,星座,方位,信号

图 1 传统阵列天线信号不同方位星座图 2 方向调制信号不同方位星文以国家 863 计划项目资助课题《未来无线接入物理层与系统安全，对方向调制相关内容进行了研究。方向调制技术发展及研究现状向调制技术经历了近十年的发展历程，通过研究人员的不懈努力，目合成、双波束、空域加扰、切换天线等多种技术。ydin Babakhani 在 2008 年提出了一种近场天线直接调制 (Near Field lation, NFDAM) 技术[13-14]，在期望方向上，主波束和主波束经反射后星座点，通过开关闭合改变反射器的特性实现信息的调制，这种技术望方向上发生一定程度的畸变从而增强通信安全。作者虽未提出方上 NFDAM 信号已经具有了方向调制信号的特点。009 年，Michael P. Daly 在《Directional Modulation Technique for Phase次提出了方向调制的概念，该论文基于相控阵天线，，利用权值变化在座点在其他方向上形成畸变的星座样式。随后基于多天线架构，一些

星座,调制信号,方位,方向

图 1 传统阵列天线信号不同方位星座图 2 方向调制信号不同方位星文以国家 863 计划项目资助课题《未来无线接入物理层与系统安全，对方向调制相关内容进行了研究。方向调制技术发展及研究现状向调制技术经历了近十年的发展历程，通过研究人员的不懈努力，目合成、双波束、空域加扰、切换天线等多种技术。ydin Babakhani 在 2008 年提出了一种近场天线直接调制 (Near Field lation, NFDAM) 技术[13-14]，在期望方向上，主波束和主波束经反射后星座点，通过开关闭合改变反射器的特性实现信息的调制，这种技术望方向上发生一定程度的畸变从而增强通信安全。作者虽未提出方上 NFDAM 信号已经具有了方向调制信号的特点。009 年，Michael P. Daly 在《Directional Modulation Technique for Phase次提出了方向调制的概念，该论文基于相控阵天线，利用权值变化在座点在其他方向上形成畸变的星座样式。随后基于多天线架构，一些
【学位授予单位】：解放军信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：E11

【参考文献】