一种基于镜像操作的物理层安全传输发射权向量计算方法

1.本发明属于信号安全传输领域，具体地说是一种基于多边形镜像操作的方法，可以快速地生成用于信号安全传输的权向量设计。


背景技术：

2.伴随着信息时代的进一步发展，无线通信技术在教育，医疗，军事等领域中得到了广泛应用。但随着应用层面的领域不断扩大，信息在传输过程中的安全隐患也逐渐显露出来。在信息传输过程中，窃听和攻击都时有发生。为了实现信号的安全传输，确保信息在传输过程中的安全性和保密性，一般会采用数字加密技术或者是通信保密协议。目前，研究人员正在从物理层方面进入深入的研究，分为调节信道容量和设计实际通信系统两个方面。在基于相控阵的安全通信系统中，信息经过处理之后，需要通过权向量来进行加权传输。设计时变的权向量便成为了加密通信中重要的一环。基于多边形构造设计法是一种简单快速构造发射权向量的方法。本发明在多边形构造的基础上，通过镜像矢量多边形，来改变矢量的相角，最后快速得到的时变的发射权向量。


技术实现要素：

3.本发明为发射权设计提供了一种新方法，该方法首先通过多边形构造设计出一组已知的相位解，在此基础上，由于镜像操作不会改变矢量和，在确保有解的情况下，通过镜像矢量多边形的一组边或者多组边，便能得到一组新的发射权向量。
4.为了具体实现上述方案为：一种基于镜像操作的物理层安全传输发射权向量计算方法，该方法包括：
5.步骤1：针对miso下行系统，其中配备n个发射天线，1个接收机和q个窃听者；通过qpsk调制模型发射的数据yk(k)为：yk(k)＝hhw(k)x(k) η(k)，其中w(k)为发射权向量，x(k)为发射符号，h为信道向量，η(k)为高斯随机噪声；具体来说，权向量w(k)表示为其中其中φn为矢量方程的解，其中，为了简化表达，|h0|为接收机的波束增益，n表示天线个数，hn表示信道向量h的第n个元素，n＝1，
…
，n；
6.步骤2：通过多边形构造法得到一组初始发射权向量在得到初始发射权向量后，反向构造复矢量组其中，其中，表示取实部操作，表示取虚部操作；
7.步骤3：将复矢量组v
pre
随机分成不同小组，每一小组以本身矢量和为镜像轴，进行镜像操作，改变其矢量的相位，得到每一小组新的发射权向量；
8.步骤4：得到所有小组的发射全向量后再按顺序组合，然后提取组合后的发射全向量中的φn，通过计算新的发射权，即：
9.步骤5：在每一个时间，以上一时间的发射权为初始权向量，重复上述流程，迭代得到新的发射权向量。
10.本发明技术与现有技术相比具有以下优点：
11.只需一组初始的发射权向量，便能通过迭代来生成无穷组新的发射权向量。计算量较少，通过简单的矩阵操作便能求出新的发射权向量。相比于多边形构造法和其他方法，本发明运算时间大大减少。在较大的发射天线数n情况下，仍能保持较短的运行时间。
附图说明
12.图1是本发明的流程图；
13.图2是本发明在镜像操作上的图示；
14.图3是本发明在采用qpsk调制的基础上，接收机(bob)和窃听者(eve)接收数据的星座图；
15.图4是本发明在采用16qam调制的基础上，接收机(bob)和窃听者(eve)接收数据的星座图；
16.图5是在不同信噪比情况下，本发明和多边形构造法相比，接收机(bob)端的误码率。
17.图6是在不同信噪比情况下，本发明和多边形构造法相比，窃听者(eve)端的误码率。
18.图7是本发明与多边形构造法在不同n值下的计算时间比较图示。
19.图8是在单路径情况下，本发明与多边形构造法和asm在不同方位角下接收机(bob)端的误码率。
具体实施方式
20.参照图1，本发明的具体实现步骤如下：
21.步骤1，通过多边形构造法提供一组初始的发射权向量。
22.考虑一个配备n个发射天线的mis0的下行系统，考虑到典型的相控阵结构，发射的数据可以表示为：
23.yd(k)＝hhw(k)x(k) η(k)
24.其中，w(k)为发射权向量，x(k)为发射符号，η(k)为高斯随机噪声，h为信道向量，表达式如下：
[0025][0026]
ld为路径数，α
l
为第l条路径的增益，ψ
l
第l条路径的偏离角(aod)，a(ψ)为阵列导向向量，表达式如下：
[0027][0028]
λ为波长，d表示相邻传感器之间的距离。
[0029]
这样，求解发射权问题可以转化为求解方程：
[0030][0031]
其中，得到初始的发射权向量为：
[0032]
步骤2，构造复矢量其中vn为的二维坐标表示，即设置一个置换矩阵p，将复矢量组随机分为k组，即：
[0033][0034]
其中，p为一个n
×
n的置换矩阵。
[0035]
步骤3，找出每一复矢量组的householder矩阵。
[0036]
规定每一复矢量组的镜像轴矢量为sk，为每一复矢量组的和，即：
[0037][0038]
对于每一复矢量组，在数学上都存在着一个householder矩阵：
[0039][0040][0041]
使得关于sk的镜像矢量为：
[0042][0043]
由于镜像轴为矢量组的和，所以镜像之后的矢量和仍保持不变，这一点在图2中将得到具体说明。
[0044]
步骤4，构造整体镜像矩阵y。整合每一复矢量组的householder矩阵，得到整体镜像矩阵为：
[0045][0046]
步骤5，将镜像后的复矢量组按照原顺序复原，计算得到新的发射权向量。
[0047]
将镜像后的矩阵右乘置换矩阵，得到新的复矢量组：
[0048][0049]
由和得到，新的发射权向量为：
[0050][0051]
步骤6，在每一个时间，重复上述操作，以上一时间的发射权为初始权向量，迭代得到新的发射权向量。
[0052]
一.仿真条件及仿真数据处理
[0053]
1.仿真条件
[0054]
仿真参数如表1所示：
[0055]
表1仿真参数表
[0056][0057][0058]
2.仿真数据处理
[0059]
仿真1，本发明采用qpsk调制和16qam调制传输信息，验证算法安全性。
[0060]
设置1个接收机(bob)和2个窃听者(eve)，通过在不同时间构造的不同的发射权向量来发射数据，接收信息采用星座图展示，仿真结果如图3和图4，表2为前四个时间点的取值，其中k＝0是基于多边形构造法的初始发射权，k＝1，2，3为采用本发明构造的新发射权。图3为采用qpsk调制的星座图，图4为采用16qam调制的星座图。
[0061]
表2初始发射权及前3个时刻的发射权
[0062]
[0063][0064]
由仿真结果上来看，不同时间点上生成的发射权完全随机，确保了数据传输的安全性。这一点也在图3和图4中给出了展示，红色点为接收机(bob)接收数据，绿色点和蓝色点为窃听者(eve)接收的数据，窃听者的星座图完全被扭曲，不能解码出正确的数据。
[0065]
仿真2，误码率仿真。进一步具体说明算法在不同信噪比下的安全性。
[0066]
设置信噪比snr从-5db——20db,运用概率统计，统计并计算接收机和窃听者在不同信噪比下的误码率，仿真结果如图5和图6。图5接收机(bob)上的误码率,图6为窃听者(eve)上的误码率。
[0067]
由仿真结果来看，接收机在低信噪比的情况下误码率较高，随着信噪比的增大，误码率逐渐减少，维持在一个比较低的水平。这在理论上来说是正常的。而窃听者无论是在低信噪比还是高信噪比都维持在一个极高的误码率，说明窃听者在任意信噪比都无法正确解码出数据。
[0068]
仿真3，时效性仿真。将本发明和多边形构造法进行计算时间对比。
[0069]
将时间点设置为200个，发射天线数n设置100至2000，步长为50，计算两种方法的运行时间，具体情况如图7所示。
[0070]
由仿真结果来看，相比多边形构造法来说，本发明的运行时间大大降低，甚至在较高的n值时，仍能保持较低的运行时间，体现了本发明快速，高效的特点。
[0071]
仿真4，单路径安全性仿真。将本发明与多边形构造法和asm在单路径下进行仿真对比。
[0072]
本发明不仅适用于多路径下的信息安全传输，在单路径下也能具有很好的安全性和高效性。
[0073]
天线子集调制技术(asm)，通过调制在发射过程中天线的启用情况，调节活跃的达到安全传输的目的。设置信道向量：
[0074]
h＝a(θ
t
)
[0075]
θ为偏离角(aod)，a(θ)为阵列导向向量，表达式如下：
[0076][0077]
其中，λ为波长，d表示相邻传感器之间的距离。
[0078]
设置信噪比(snr)为10db,将接收机固定在60
°
,窃听者从其他角度破解解析数据。设置方位角为[0
°
,180
°
],计算在不同角度下的误码率，仿真结果如图8所示。
[0079]
由仿真结果可见，本发明在单路径情况下，安全性与asm和多路径仿真效果相似，在接收机上所在的方位上能准确接收收据，而在其他方位上，误码率保持在一个很高的数值，窃听者无法准确接收和解码信息。
[0080]
综上所述，在已知一组初始发射权的情况下，本发明能很快构造出新的发射权向量，在单路径和多路径的情况下，都能安全的进行信息传输。