一种频率相位协同三维空间物理层安全传输方法

1.本发明属于无线通信的物理层安全传输技术领域，具体涉及一种频率相位协同三维空间物理层安全传输方法。


背景技术：

2.物理层安全传输方法在信息安全的相关研究中扮演着越来越重要的角色。与基于密码学理论体系的加密研究不同，物理层安全传输方法是利用无线信道的固有属性来保证信息安全传输。近年来，方向调制(directional modulation，dm)作为一种新型物理层安全技术受到了广泛关注。方向调制可以定向地向合法方位发送保密信息，而其他方位的接收信号发生幅度与相位上严重的畸变，使窃听者难以获取有用信息，从而保证信息传输的安全性。
3.现有研究主要集中于二维平面区域的通信安全方面，事实上，三维空间物理层安全传输的研究也是十分必要的，但是现有方向调制方法并未考虑到三维空间信息传输的物理层通信安全性问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为解决现有方向调制方法并未考虑三维空间信息传输的物理层安全性的问题，而提出的一种频率相位协同三维空间物理层安全传输方法。
5.本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种频率相位协同三维空间物理层安全传输方法，所述方法具体包括以下步骤：
6.步骤一、设计垂直阵列发射天线结构，并对垂直阵列中的每个阵元进行标号；再根据阵元标号结果设置各阵元发射信号的载波频率；
7.步骤二、计算垂直阵列的归一化导向矢量；
8.步骤三、对待发送信号进行基带调制和上变频处理后，再基于步骤二中得到的归一化导向矢量对上变频处理后的信号进行三维增强型方向调制，得到发射信号s＝[s
y(n-1)
(t),...,s
y1
(t),s0(t),s
x1
(t),...,s
x(n-1)
(t)]；
[0009]
步骤四、将发射信号s通过垂直阵列发射天线结构发射至信道，位于远场(x,y,z)处的接收机从信道中接收到的信号为r(x,y,z,t)；
[0010]
步骤五、对接收到的信号r(x,y,z,t)进行下变频，获得下变频后的信号r
′
(x,y,z,t)，再对下变频后的信号r
′
(x,y,z,t)进行解调，获得解调后的信号。
[0011]
进一步地，所述垂直阵列发射天线结构由原点阵元、n-1个沿x轴均匀线性排列的阵元以及n-1个沿y轴均匀线性排列的阵元组成，且相邻阵元的间距均为d。
[0012]
进一步地，所述对垂直阵列中的每个阵元进行标号，其具体为：
[0013]
将原点阵元作为参考阵元，将所述参考阵元作为x阵列的0号阵元和y阵列的0号阵元，再对沿x轴均匀线性排列的其它各阵元依次标号，即将沿x轴均匀线性排列的其它各阵元分别标号为x阵列的n号阵元，n＝1,2,...,n-1，对沿y轴均匀线性排列的其它各阵元依次
标号，将沿y轴均匀线性排列的其它各阵元分别标号为y阵列的n号阵元。
[0014]
进一步地，所述根据阵元标号结果设置各阵元发射信号的载波频率，其具体为：
[0015]
设置参考阵元发射信号的载波频率为f0，x阵列的n号阵元发射信号的载波频率与y阵列的n号阵元发射信号的载波频率相同；
[0016]
x阵列的n号阵元发射两个不同频率的载波信号，分别记为载波信号a和载波信号b，其中，载波信号a的载波频率为f0，载波信号b的载波频率为fn＝f0 nδf，δf为频率增量。
[0017]
进一步地，所述频率增量δf＝c/r1，c表示光速，r1表示合法接收机与参考阵元的距离。
[0018]
进一步地，所述步骤二的具体过程为：
[0019]
将接收机在空间三维直角坐标系中的位置坐标表示为(x,y,z)，则接收机与参考阵元之间的距离为
[0020]
则接收机处垂直阵列的归一化导向矢量为h(x,y,z,t)：
[0021][0022]
其中，e为自然对数的底数，j为虚数单位，ω0＝2πf0，δω＝2πδf，t表示时间，[
·
]
t
表示矩阵或向量的转置算子。
[0023]
进一步地，所述发射信号s＝[s
y(n-1)
(t),...,s
y1
(t),s0(t),s
x1
(t),...,s
x(n-1)
(t)]的具体形式为：
[0024][0025]
其中，n＝1,2,...,n-1，s0(t)表示三维增强型方向调制后参考阵元的发射信号，s
xn
(t)表示三维增强型方向调制后x阵列的n号阵元的发射信号，s
yn
(t)表示三维增强型方向调制后y阵列的n号阵元的发射信号，p
t
表示发射功率，φ(t)表示基带调制后的信号，ωn＝2πfn，w0表示参考阵元的加权系数，w
xn
、w
yn
分别表示x阵列、y阵列n号阵元的加权系数，[w
y(n-1)
,...,w
yn
,
…
,w
y1
,w0,w
x1
,
…
,w
xn
,
…
,w
x(n-1)
]
t
＝w，w表示发射加权矢量，令w＝h(x1,y1,z1,t)，h(x1,y1,z1,t)为合法接收机处垂直阵列的归一化导向矢量，(x1,y1,z1)为合法接收机在空间三维直角坐标系中的位置坐标。
[0026]
进一步地，所述步骤四中，信号r(x,y,z,t)的形式为：
[0027][0028]
其中，pa表示接收功率，v表示信道系数，u(t)表示加性高斯白噪声，[
·
]h表示矩阵或向量的共轭转置算子，τ表示接收到参考阵元辐射信号的时延，τ＝r/c，φ(t-τ)表示φ(t)时延τ后的信号，r表示位于远场(x,y,z)处的接收机与参考阵元的距离，h(x,y,z,t)表示位于远场(x,y,z)处的接收机处垂直阵列的归一化导向矢量。
[0029]
更进一步地，所述步骤五中，对接收到的信号r(x,y,z,t)进行下变频，获得下变频后的信号r
′
(x,y,z,t)，信号r
′
(x,y,z,t)的形式为：
[0030][0031]
本发明的有益效果是：
[0032]
本发明通过三维增强型方向调制(three-dimension enhanced dm，3d-edm)方法实现频率相位协同三维空间定点物理层安全传输。发射机对信号进行基带调制、上变频和3d-edm后，发射到信道。接收机对获取的叠加信号进行下变频和解调。
[0033]
本发明可以在三维空间中定点地向合法位置发送保密信息。从合法接收机解调后的信号中可以获取有效信息，而窃听接收机解调后的信号发生严重失真，无法从中获取有用信息，从而在物理层保证三维空间通信的安全性。相比于现有方向调制方法，本发明适用于对三维空间的可通信区域实现距离维和角度维的双重控制，有效保证信息在三维空间传输的安全性。
附图说明
[0034]
图1为本发明的阵列结构图；
[0035]
图2为本发明的发射机系统的模型图；
[0036]
图3为本发明的接收机系统的模型图。
具体实施方式
[0037]
具体实施方式一、结合图1、图2和图3说明本实施方式。本实施方式所述的一种频率相位协同三维空间物理层安全传输方法，所述方法具体包括以下步骤：
[0038]
步骤一、设计垂直阵列发射天线结构，并对垂直阵列中的每个阵元进行标号；再根据阵元标号结果设置各阵元发射信号的载波频率；
[0039]
步骤二、计算垂直阵列的归一化导向矢量；
[0040]
步骤三、对待发送信号进行基带调制和上变频处理后，再基于步骤二中得到的归一化导向矢量对上变频处理后的信号进行三维增强型方向调制，得到发射信号s＝[s
y(n-1)
(t),...,s
y1
(t),s0(t),s
x1
(t),...,s
x(n-1)
(t)]；
[0041]
步骤四、将发射信号s通过垂直阵列发射天线结构发射至信道，位于远场(x,y,z)处的接收机从信道中接收到的信号为r(x,y,z,t)；
[0042]
步骤五、对接收到的信号r(x,y,z,t)进行下变频，获得下变频后的信号r
′
(x,y,z,t)，再对下变频后的信号r
′
(x,y,z,t)进行解调，获得解调后的信号。
[0043]
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述垂直阵列发射天线结构由原点阵元(位于空间三维直角坐标系的原点的阵元)、n-1个沿x轴均匀线性排列的阵元以及n-1个沿y轴均匀线性排列的阵元组成，且相邻阵元的间距均为d。
[0044]
本实施方式中，x轴、y轴和z轴是空间三维直角坐标系的三个坐标轴。
[0045]
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
[0046]
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述对垂直阵列中的每个阵元进行标号，其具体为：
[0047]
将原点阵元作为参考阵元，将所述参考阵元作为x阵列的0号阵元和y阵列的0号阵元，再对沿x轴均匀线性排列的其它各阵元依次标号，即将沿x轴均匀线性排列的其它各阵元分别标号为x阵列的n号阵元，n＝1,2,
…
,n-1，对沿y轴均匀线性排列的其它各阵元依次标号，将沿y轴均匀线性排列的其它各阵元分别标号为y阵列的n号阵元。
[0048]
本实施方式中，将距离原点阵元最近的x轴排列的阵元标号为x阵列的1号阵元，将距离原点阵元第二近的x轴排列的阵元标号为x阵列的2号阵元，依次类推。沿y轴排列的阵元的标号方式与沿x轴排列的阵元的标号方式相同。
[0049]
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
[0050]
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述根据阵元标号结果设置各阵元发射信号的载波频率，其具体为：
[0051]
设置参考阵元发射信号的载波频率为f0，x阵列的n号阵元发射信号的载波频率与y阵列的n号阵元发射信号的载波频率相同；
[0052]
x阵列的n号阵元发射两个不同频率的载波信号，分别记为载波信号a和载波信号b，其中，载波信号a的载波频率为f0，载波信号b的载波频率为fn＝f0 nδf，δf为频率增量。
[0053]
为了避免产生栅瓣，阵元间距
[0054]
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
[0055]
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述频率增量δf＝c/r1，c表示光速，r1表示合法接收机与参考阵元的距离。
[0056]
通过本实施方式中设置的δf计算阵列波束方向图，阵列波束方向图的极值点在角度维和距离维上均与合法接收机的位置(x1,y1,z1)一致。
[0057]
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
[0058]
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤二的具体过程为：
[0059]
将接收机在空间三维直角坐标系中的位置坐标表示为(x,y,z)，则接收机与参考阵元之间的距离为将连接接收机(x,y,z)和参考阵元的线与x轴、y轴正方向形成的方位角分别表示为θ
x
、θy，即cosθ
x
＝x/r,cosθy＝y/r；
[0060]
则接收机处垂直阵列的归一化导向矢量为h(x,y,z,t)：
[0061][0062]
其中，e为自然对数的底数，j为虚数单位，ω0＝2πf0，δω＝2πδf，t表示时间，[
·
]
t
表示矩阵或向量的转置算子。
[0063]
参考阵元的发射信号在接收端的相位如式(2)：
[0064][0065]
x阵列的n号阵元a、b发射信号在接收端的相位ψ
xan
、ψ
xbn
如式(3)。当接收端的位置满足远场条件时，阵列发射的波束可认为是平行波束，因此接收端与x阵列n号阵元之间的距离为r
xn
＝r-ndcosθ
x
＝r-ndx/r,n＝1,2,...,n-1；接收端与y阵列n号阵元之间的距离为r
yn
＝r-ndcosθy＝r-ndy/r,n＝1,2,...,n-1。
[0066][0067]
同理，y阵列的n号阵元a、b发射信号在接收端的相位ψ
yan
、ψ
ybn
如式(4)：
[0068][0069]
远场条件下(n-1)d＜＜r，(n-1)δf＜＜f0，各个阵元在接收端的相位差δψ
xan
、δψ
xbn
、δψ
yan
、δψ
ybn
如公式(5)：
[0070][0071]
根据各个阵元发射信号与参考阵元发射信号在接收端的相位差获得垂直阵列的归一化导向矢量。
[0072]
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
[0073]
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述发射信
号s＝[s
y(n-1)
(t),...,s
y1
(t),s0(t),s
x1
(t),...,s
x(n-1)
(t)]的具体形式为：
[0074][0075]
其中，n＝1,2,...,n-1，s0(t)表示三维增强型方向调制后参考阵元的发射信号，s
xn
(t)表示三维增强型方向调制后x阵列的n号阵元的发射信号，s
yn
(t)表示三维增强型方向调制后y阵列的n号阵元的发射信号，p
t
表示发射功率，φ(t)表示基带调制后的信号，ωn＝2πfn，w0表示参考阵元的加权系数，w
xn
、w
yn
分别表示x阵列、y阵列n号阵元的加权系数，[w
y(n-1)
,...,w
yn
,...,w
y1
,w0,w
x1
,...,w
xn
,...,w
x(n-1)
]
t
＝w，w表示发射加权矢量，令w＝h(x1,y1,z1,t)，h(x1,y1,z1,t)为合法接收机处垂直阵列的归一化导向矢量，(x1,y1,z1)为合法接收机在空间三维直角坐标系中的位置坐标。
[0076]
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
[0077]
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述步骤四中，信号r(x,y,z,t)的形式为：
[0078][0079]
其中，pa表示接收功率，v表示信道系数，u(t)表示加性高斯白噪声，[
·
]h表示矩阵或向量的共轭转置算子，τ表示接收到参考阵元辐射信号的时延，τ＝r/c，φ(t-τ)表示φ(t)时延τ后的信号，r表示位于远场(x,y,z)处的接收机与参考阵元的距离，h(x,y,z,t)表示位于远场(x,y,z)处的接收机处垂直阵列的归一化导向矢量。
[0080]
再对本实施方式获得的信号进行下变频和解调，则从位于远场的合法接收机的解调信号中可以得到传输的初始信息，而窃听接收机的解调信号的幅度和相位发生严重失真。
[0081]
接收功率pa是发射功率p
t
经过路径损耗后的结果。在不同位置的接收端，接收功率pa不同，接收端与参考阵元的距离越近，pa越大，反之，距离越远，pa越小。令τ
xn
＝r
xn
/c、τ
yn
＝r
yn
/c表示接收到x轴、y轴的n号阵元辐射信号的时延，由于(n-1)d＜＜r，x轴、y轴的n号阵元与接收端的距离r
xn
≈r、r
yn
≈r，且假设φ(t)是窄带信号，则φ(t-τ
xn
)≈φ(t-τ)，φ(t-τ
yn
)≈φ(t-τ)。
[0082]
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
[0083]
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，所述步骤五中，对接收到的信号r(x,y,z,t)进行下变频，获得下变频后的信号r
′
(x,y,z,t)，信号r
′
(x,y,z,t)的形式为：
[0084][0085]
下变频后的信号r
′
(x,y,z,t)中的whh转换为一般表达式如式(9)：
[0086][0087]
其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
[0088]
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。