基于子空间冗余的多天线方向调制物理层安全通信技术研究

Due to the broadcast nature of the wireless communication channel and the electromagnetic signal, researchers have come to pay more and more attentions to physical layer security communication for the wireless communication system. Recently, the multi-antenna directional modulation technique has become an important research branch in physical layer security communication. However, the security performance of the directional modulation signal is based on the supposition that the eavesdropper is a digital communication receiver for the traditional digital baseband modulation signal. Therefore, the security performance of the directional modulation signal is worth further investigation under the condition that the eavesdropper employs the blind estimation algorithms to demodulate the directional modulation signal at the undesired direction, such as the constant modulus algorithm (CMA). Based on the doctor research project of the directional modulation signal, this project would further enhance the security performance of the directional modulation signal by utlizing the selection redundancy of the multi-antenna transmit system, the solution set redundancy of the directional modulation sugnal synthesis algorithm and the setting freedom of the transmit antenna weight coefficients. In this case, the uncertainty of the receive signal by eavesdorpper at the undeired direction is increasing as same as the white Gaussian noise signal. Therefore, the blind estimation algorithms employed by eavesdorpper would not obtain the convergence solution to demodulate the receive directional modulation signal. This project research the physical layer security communication from the view of the signal modulation technique, which is concerned with the critical problems of the systhesis algorithm based on genetic algorithm, the transmit antenna selection algorithm, the transmit antenna weighting coefficients setting algorithm. The security performance research of the directional modulation signal in this project would lay the foundation on application in the physical layer security communication.

由于无线信道的开放性和电磁信号的广播特性，通信信息在物理层的安全性问题越来越受到人们的重视。近年来，采用多天线方向调制技术实现无线通信信息的安全传输成为物理层安全通信研究的一个重要分支。但方向调制信号在物理层的安全性是建立在窃听接收机是普通数字信号接收机的假设上，在窃听接收机采用盲估计等智能解调算法（如恒模算法）的情况下，增加方向调制信号的安全性是值得探索的方向。本项目申请人在博士课题对于方向调制信号的研究基础上，利用多天线发射子空间选择的冗余度、方向调制信号综合算法解集合中的子空间冗余度和权系数设置的自由度增加窃听接收机接收信号的不确定性，使接收信号与高斯白噪声类似，从而使盲估计等智能算法无法得到收敛的解。本项目从信号调制角度研究无线通信物理层安全问题，涉及基于遗传算法的方向调制信号综合算法、天线子空间选择方法、多天线的加权算法等关键性问题，为方向调制技术在物理层安全通信中的应用奠定基础

本课题研究了基于多天线发射的方向调制物理层安全通信技术，重点研究了方向调制信号发射信号的峰均比特性、不同的方向调制信号的综合算法以及根据发射阵列的冗余度提高方向调制信号安全性能的凸优化综合算法。主要的研究内容分为以下三个部分：.（1）第一部分主要研究了方向调制信号发射信号的峰均比特性，并且分别基于噪声子空间旋转不变性和部分传输序列法提出了两种不同的方向调制信号峰均比减低算法，在保证方向调制信号安全性能的前提下有效的减低了发射信号的峰均比特性。相比于现有的方向调制信号发射信号研究主要集中在安全性能衡量标准，本文研究了方向调制信号发射信号峰均比特性，在系统的硬件实现中发射信号的峰均比特性是一项重要的指标涉及后端放大器的设计；.（2）第二部分主要研究了方向调制信号的综合算法，提出了基于相位赋形的方向调制信号综合算法和基于迭代傅里叶变换的半数值半解析综合算法，并且分析了基于相控阵的方向调制信号综合算法中发射天线数的要求。现有的方向调制综合算法主要分为解析类综合算法和数值类综合算法，这部分的研究中主要的创新点在于提出了一种基于迭代傅里叶变换的半数值半解析综合算法，结合了现有的解析类和数值类综合算法的优点；.（3）第三部分主要研究内容是利用多天线发射的空间冗余度提出了一种基于凸优化的方向调制信号综合算法利用阵列的冗余特性分析了决定窃听接收机性能的最小欧式空间距离这一个关键参量，利用凸优化算法得到方向调制信号最优的空间欧式空间距离分布。这部分研究内容的创新点在于将凸优化算法应用于方向调制信号的综合，根据不同的需求建立不同的目标函数和约束条件，优化方向调制信号的安全性能。. 相比于现有的方向调制信号的研究成果,本课题的研究为方向调制信号的实际应用,发射信号的原理及其综合算法，方向调制信号的安全性能提升等方面奠定一定的理论基础。