為了實(shí)現(xiàn)對三維空間中任意期望方向的物理層安全通信,提出了一種基于均勻圓陣的方向調(diào)制發(fā)射機(jī)系統(tǒng)模型,使用迫零波束形成發(fā)射有用信號的同時(shí)用零空間映射法發(fā)射隨機(jī)的人工噪聲干擾非期望方向.針對當(dāng)前對毫米波信號小尺度衰落刻畫較好的波動雙徑（fluctuating two-ray, FTR）衰落信道,推導(dǎo)了本文模型的平均安全容量（average secrecy capacity, ASC）下界、安全中斷概率（secrecy outage probability, SOP）上界的閉合表達(dá)式,對比了系統(tǒng)安全性能關(guān)于信噪比的變化曲線.仿真結(jié)果表明,陣元數(shù)為64,信噪比為10 dB,圓陣方向調(diào)制在期望方向可以無失真地恢復(fù)信號,非期望方向誤差向量幅度（error vector magnitude, EVM）高達(dá)100%,誤比特率高于40%.本文方法能在三維空間實(shí)現(xiàn)無需密鑰的定向安全傳輸,提高信噪比可改善其在FTR衰落信道下的安全性能. 

【文章來源】：電波科學(xué)學(xué)報(bào). 2020,35(05)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

圓陣方向調(diào)制系統(tǒng)模型

圖2展示了圓陣方向調(diào)制的星座圖變化情況(假設(shè)無信道衰落和噪聲).設(shè)置陣元數(shù)為64;共有兩個(gè)期望用戶,用戶1位于(φ1,θ1)=(270°,20°)方向接收QPSK信號,用戶2位于(φ2,θ2)=(130°,50°)方向接收8PSK信號;發(fā)射信號的總功率Ps=10δ2;功率分配因子 β 1 = 0.5 ;采用誤差向量幅度(error vector magnitude, EVM)作為衡量星座圖畸變程度的指標(biāo)(文獻(xiàn)[22]的公式(4)),與標(biāo)準(zhǔn)星座圖偏差越大,EVM值越高. 可以看到,在用戶1、用戶2的方向,接收到的星座圖分別是標(biāo)準(zhǔn)的QPSK和8PSK星座圖,EVM均為0.00%,說明它們只收到了發(fā)射機(jī)發(fā)送給各自的那部分信息符號,不會受到用戶間符號串?dāng)_或是AN干擾,解調(diào)功能正常不受影響. 一旦接收方的方位角或俯仰角稍稍偏離期望方向(圖中Δφ=Δθ=10°),星座圖立刻發(fā)生畸變,信號強(qiáng)度減弱,EVM高達(dá)100%左右,這是因?yàn)榉瞧谕较蚴艿接杏眯盘栂嗷ゴ當(dāng)_和AN加擾的影響. 即使竊聽方成功監(jiān)聽信號,也難以從中獲取信息,從而達(dá)到了物理層安全通信的目的.圖3比較了圓陣方向調(diào)制和線陣方向調(diào)制[10]系統(tǒng)的BER(取常用對數(shù))在方位角-俯仰角二維平面上的分布情況.陣元數(shù)為64,共設(shè)有三個(gè)期望用戶,分別位于(φ1,θ1)=(260°,20°)、(φ2,θ2)=(130°,50°)、(φ3,θ3)=(40°,80°)方向,均接收QPSK信號,信噪比為10 dB,BER采用文獻(xiàn)[22]的公式(6)計(jì)算得到. 可以看到:圓陣方向調(diào)制在期望用戶方向BER達(dá)到最低,約7.8×10-4,與同信噪比下QPSK理論誤比特性能相同,在以用戶坐標(biāo)為中心的點(diǎn)狀區(qū)域具有較低的BER水平(BER小于1%的區(qū)域我們定義為安全區(qū)域),其余方向BER居高不下,多數(shù)在40%以上;線陣方向調(diào)制的安全區(qū)域?yàn)榛【�狀,期望方向之外仍可能正確解調(diào),造成了安全隱患. 這直觀地反映了本文提出的圓陣方向調(diào)制比線陣方向調(diào)制在三維空間中分辨能力更強(qiáng),可應(yīng)用場景更廣,安全性更有保證. 同時(shí)可以注意到,圓陣方向調(diào)制形成的安全區(qū)域形狀并不是一成不變的,而是和俯仰角有關(guān). 經(jīng)測量發(fā)現(xiàn):俯仰角較小時(shí)(如用戶1),安全區(qū)域在方位角維度較窄(約6°),在俯仰角維度較寬(約18°);俯仰角較大時(shí)(如用戶3),安全區(qū)域在方位角維度較寬(約20°),在俯仰角維度較窄(約6°);俯仰角在45°左右可以獲得方位角、俯仰角范圍均在8°以內(nèi)的圓點(diǎn)狀安全區(qū)域. 因此,實(shí)際應(yīng)用中可以利用這個(gè)特性調(diào)整陣面俯仰角,以獲得整體形狀更窄小的安全區(qū)域從而提升安全性.

接下來研究圓陣方向調(diào)制系統(tǒng)在FTR衰落信道下的物理層安全性能,設(shè)陣元數(shù)為16. 圖4比較了當(dāng)竊聽方與期望用戶位于同一方向(270°,30°)時(shí),系統(tǒng)分別在AWGN信道和FTR衰落信道下的ASC性能. 可以看到,對于傳統(tǒng)研究的AWGN信道,此時(shí)即便提升用戶信噪比也不能改善ASC為0的狀況,這是因?yàn)楦`聽方不受AN干擾,信噪比與用戶始終相同,方向調(diào)制將無法發(fā)揮作用. 而在FTR衰落信道,由于信號強(qiáng)度隨機(jī)變化,ASC下界不為0,仍可實(shí)現(xiàn)一定速率的安全通信,增大用戶信噪比將提高ASC下界,最終趨于一定值. 因此,利用信道的衰落特性有助于解決竊聽方與期望用戶位于同一方向時(shí)方向調(diào)制失效的問題.圖3 不同陣型方向調(diào)制的BER分布

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]多目標(biāo)遺傳算法方向調(diào)制物理層安全通信信號設(shè)計(jì)[J]. 洪濤,宋茂忠,劉渝.  應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào). 2014(01)
[2]一種基于方向調(diào)制的雙波束擴(kuò)頻安全通信系統(tǒng)[J]. 洪濤,宋茂忠,劉渝.  電子與信息學(xué)報(bào). 2011(10)



本文編號：3413936