黃志川，吳 蒙

(南京郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

多目標(biāo)優(yōu)化的相控陣三維方向調(diào)制方法

黃志川，吳 蒙

(南京郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

針對無線通信系統(tǒng)物理層安全，提出一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的相控天線陣三維方向調(diào)制技術(shù)。研究了基于相控陣的二維方向調(diào)制技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，引入俯仰角構(gòu)建三維方向調(diào)制技術(shù)，并采用多目標(biāo)優(yōu)化的遺傳算法，通過第二目標(biāo)函數(shù)將非期望俯仰角上的星座圖畸變最大化，保證合法接收者垂直方向上的信息傳輸安全，同時(shí)克服單目標(biāo)遺傳算法產(chǎn)生的調(diào)制信號對俯仰角的不敏感性。對算法進(jìn)行仿真性能分析，并給出了物理層安全中潛在的研究方向。

物理層安全；相控天線陣；方向調(diào)制；多目標(biāo)優(yōu)化

0 引 言

Carey等[1]在2004年首次將智能天線技術(shù)和物理層安全相結(jié)合，利用波束賦形技術(shù)將發(fā)射功率集中在合法信道中，從而有效降低竊聽者信號接收功率。近年來基于多天線環(huán)境下的物理層安全信號調(diào)制技術(shù)和波束賦形技術(shù)日益受到廣泛關(guān)注。

Hero[2]研究了多輸入多輸出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)環(huán)境下的通信安全，并引入了具有單天線的竊聽者，還設(shè)計(jì)了一個(gè)基于SCI可見的傳輸策略來實(shí)現(xiàn)低截獲率或者令竊聽者難以察覺SCI。最終得出結(jié)論：竊聽者在完全不知道SCI的情況下，利用時(shí)空星座可以得到一個(gè)次優(yōu)的安全通信策略。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于近場天線直接調(diào)制并合成方向信息的模擬傳輸框架，這種方法并沒有使用數(shù)字基帶調(diào)制，而是利用天線開關(guān)改變電磁邊界狀態(tài)，從而調(diào)制天線信號的相位和振幅。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于雙切換天線陣的方向調(diào)制信號，在天線端用發(fā)射天線切換的方法綜合出調(diào)制信號，同時(shí)用射頻調(diào)制代替基帶調(diào)制以使非期望方向的星座點(diǎn)產(chǎn)生畸變。這種方法的缺點(diǎn)在于切換產(chǎn)生的諧波分量會帶來發(fā)射功率的浪費(fèi)。文獻(xiàn)[5-7]分別提出了基于差分方法、遺傳算法和粒子群算法設(shè)計(jì)發(fā)射陣列的時(shí)間序列的方向調(diào)制方案。這些方案也會帶來發(fā)射功率的浪費(fèi)。文獻(xiàn)[8]提出了基于偽隨機(jī)星座圖旋轉(zhuǎn)及添加微弱人工噪聲的物理層安全方法。發(fā)射端在完成星座調(diào)制之后按照和合法接收者約定的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在高速傳輸?shù)那闆r下，竊聽者破解旋轉(zhuǎn)角度的難度很大，從而保證了信息傳輸?shù)陌踩?。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于相控陣的定向調(diào)制技術(shù)，通過修改天線陣中每個(gè)天線的相移值，可以使信號在特定方向形成正確的星座圖。主要是通過單目標(biāo)的遺傳算法，以實(shí)現(xiàn)在期望方向上能綜合出正確的星座圖。文獻(xiàn)[10]在文獻(xiàn)[9]的理論基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基礎(chǔ)相控陣方向調(diào)制的通信系統(tǒng)。文獻(xiàn)[11]在此基礎(chǔ)上通過多目標(biāo)優(yōu)化擴(kuò)大星座點(diǎn)之間的歐氏距離，但是該方法僅考慮了方位角和星座圖的變化，無法保證合法接收者垂直方向上的信息安全。文獻(xiàn)[12]提出一種基于天線子集選擇的方向調(diào)制技術(shù)，充分利用大規(guī)模天線陣列的物理特性來提升物理層的安全。

Negi和Goel[13]針對波束賦形的缺陷在波束賦形時(shí)聯(lián)合人工噪聲。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[14]提出了最優(yōu)的功率分配以及聯(lián)合人工噪聲的波束賦形策略。傳統(tǒng)的信號調(diào)制技術(shù)關(guān)注點(diǎn)主要集中在提升通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和容量上。隨著物理層安全技術(shù)的發(fā)展，人們開始研究利用多天線豐富的物理特征資源結(jié)合信號調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理層安全。

文中對基于相控天線陣的物理層安全方向調(diào)制技術(shù)進(jìn)行研究，提出一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的相控陣三維方向調(diào)制技術(shù)。

1 方向調(diào)制

傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中信號經(jīng)過數(shù)字調(diào)制后就直接上變頻到射頻并通過天線陣傳輸，所有接收者接收的調(diào)制信號是相同的，只存在增益和信噪比的差異。方向調(diào)制技術(shù)的思想是在基帶數(shù)字調(diào)制時(shí)，對信息比特映射成星座符號，通過引入方向參數(shù)使得合法方向可以接收到正確的星座圖，而非法方向無法接收到正確的星座圖。

y(k,θ)=h(θ)x(k)+s(t)

(1)

其中，x(k)為發(fā)射機(jī)發(fā)射信號；s(t)為t時(shí)刻的加性噪聲；h(θ)為接收者每一根天線接收信號的方向系數(shù)，表達(dá)式如下:

(3)

將式(2)和式(3)帶入式(1)，可以推導(dǎo)出:

從式(4)可以清晰地看到，當(dāng)θ=θT時(shí)QPSK信號的系數(shù)為1，是可以接收到正確信號的。當(dāng)θ≠θT時(shí)QPSK信號的系數(shù)變小，故最終的星座圖在大小上產(chǎn)生了變化，但是形狀(即傳輸?shù)姆栃畔?卻沒有變。

文獻(xiàn)[8]提出了一種基于相控陣的定向調(diào)制技術(shù)，通過修改天線陣中每個(gè)天線的相移值，可以使信號在特定方向形成正確的星座圖。基于相控陣的方向調(diào)制技術(shù)傳輸模型如圖1所示。與傳統(tǒng)的信號調(diào)制不同，方向調(diào)制技術(shù)是通過相移控制器調(diào)節(jié)信號的相移來實(shí)現(xiàn)信號調(diào)制，信源信息被融合進(jìn)天線發(fā)射信號的相移中，接收者可以通過接收信號的相移還原出星座圖。

圖1 相控陣天線傳輸模型

由于陣元間距為半個(gè)波長，根據(jù)天線原理遠(yuǎn)場接收信號可以表示為：

(5)

2 基于相控陣的三維方向調(diào)制

天線陣是在三維空間中傳輸信號的，傳統(tǒng)的方向調(diào)制技術(shù)主要集中在研究將星座圖與方位角作關(guān)聯(lián)，卻無法保證垂直方向上的安全，即合法接收者正上方或正下方的竊聽者依然可以通過敏感的接收機(jī)接收到正確的星系。因此將基于相控陣的方向調(diào)制置于三維空間中去研究更具有實(shí)際意義。

在三維坐標(biāo)中的天線陣發(fā)射模型圖中，一般相鄰陣元間距設(shè)為半個(gè)波長。發(fā)射天線到遠(yuǎn)場接收目標(biāo)的距離為r。方位角為θ，俯仰角為φ，由于遠(yuǎn)場目標(biāo)足夠遠(yuǎn)，故可認(rèn)為所有天線發(fā)射的信號是平行的(即每根天線發(fā)射信號的方位角和俯仰角一致)。此時(shí)的遠(yuǎn)場接收信號應(yīng)表示為：

(7)

如果將式(7)帶入上一節(jié)的仿真模型，可以得到不同俯仰角所對應(yīng)的星座圖。然而通過單目標(biāo)遺傳算法得出的星座圖對俯仰角的變化并不敏感，即使在俯仰角相差20°的情況下，非法接收者還原出來的星座圖和QPSK信號星座圖依然相差不大，故簡單引入俯仰角參數(shù)并直接采用傳統(tǒng)的單目標(biāo)遺傳算法，調(diào)制出來的信號無法有效實(shí)現(xiàn)合法接收者垂直方向上的信息安全。因此文中使用多目標(biāo)優(yōu)化的遺傳算法，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可改為：

(8)

其中，φd為期望俯仰角。

式(8)中第二目標(biāo)函數(shù)的目的是將期望俯仰角±20°范圍內(nèi)的星座圖畸變最大化。如果將第二目標(biāo)函數(shù)最小化，可以得到最差解，即期望俯仰角±20°范圍內(nèi)的星座圖畸變最小化的結(jié)果。最差解的式子為：

(9)

多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法的步驟如下：

(1)產(chǎn)生由二進(jìn)制表示的初始種群。

(2)將初始種群帶入目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行衡量，這里兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重均為0.5。

(3)進(jìn)行基因選擇，合并、重組以及種群變異。

(4)是否達(dá)到設(shè)定的迭代次數(shù)，如果是則結(jié)束，否則轉(zhuǎn)到步驟(2)。

圖2給出了將第二目標(biāo)函數(shù)最大化以及最小化時(shí)解的對比。文中使用英國謝菲爾德大學(xué)標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法進(jìn)行仿真計(jì)算，為了便于在多目標(biāo)函數(shù)情況下使遺傳算法得出的結(jié)果趨于穩(wěn)定，這里設(shè)置個(gè)體數(shù)目為200，最大遺傳代數(shù)為200，代溝為0.9，多目標(biāo)優(yōu)化問題利用權(quán)重系數(shù)變換法很容易求出Pareto最優(yōu)解，文中確定f1和f2的權(quán)重系數(shù)都為0.5。

圖2 第二目標(biāo)函數(shù)最大化以及最小化時(shí)解的對比

從圖2中可看出,第二目標(biāo)函數(shù)最大化(最優(yōu)解)時(shí)種群均值穩(wěn)定在1.4左右，種群最大解穩(wěn)定在2.5，而當(dāng)?shù)诙繕?biāo)函數(shù)最小化(即最差解)時(shí)種群均值穩(wěn)定在0.2左右，而種群最大解趨近0.5以下。最優(yōu)解和最差解的種群均值相差7倍，說明第二目標(biāo)函數(shù)對于擴(kuò)大非期望俯仰角的星座圖畸變起到了優(yōu)化作用。

3 性能仿真

文中使用八元的均勻天線線陣作為模型。發(fā)射每種信號四根天線均勻各自的相位移動值，集合F一共有四種情況，故模擬發(fā)射一套QPSK信號一共有十六種相移值。表1給出了使用單目標(biāo)遺傳算法方向調(diào)制技術(shù)的情況下當(dāng)期望角度為60°時(shí)天線陣發(fā)送QPSK信號所需相移值的結(jié)果。

根據(jù)表1的結(jié)果在不同的信號接收角度可以還原出如圖3所示的星座圖。

從圖3中可以看出，在期望角度為60°的合法接收者可以還原出和QPSK一致的星座圖，而在55°方位角的接收者還原出的星座圖產(chǎn)生了一定的畸變，當(dāng)方位角偏離到50°時(shí)星座圖的這一畸變進(jìn)一步擴(kuò)大。

表1 天線發(fā)射信號的相移值

圖3 不同方位角星座圖和QPSK信號星座圖的對比

圖4給出了發(fā)射不同信號的方向圖，可以看出主瓣并不一定是朝著期望角60°，即合法接收者接收的信號功率并不是最高的。發(fā)射四種信號的功率分別為

圖4 不同信號的方向圖

-15.608 2dB，-11.758 8dB，-12.813 9dB，-21.107 2dB且均值為-15.322 0dB。但是就算非期望方向上的輻射功率大于期望方向，在非期望方向上也依然無法從畸變的星座圖中還原出傳輸信息，這也就是方向調(diào)制的意義所在。

將上一章的多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法進(jìn)行仿真，第二目標(biāo)函數(shù)的最大化解和最小化解，可以得到圖5所示的不同俯仰角對應(yīng)的星座圖。

從圖5中可以看出，當(dāng)俯仰角為10°時(shí)星座圖產(chǎn)生了較明顯的畸變，使得合法接收者垂直方向上的竊聽者無法有效地還原傳輸信息。四種信號的發(fā)射功率分別為-14.912 3dB，-13.646 6dB，-15.892 5dB，-17.012 7dB。均值為-15.366 0dB，這一數(shù)據(jù)同二維方向調(diào)制情況下的15.322 0dB基本相似，可見信號發(fā)射功率并沒有受到明顯影響。

圖5 不同俯仰角的星座圖同QPSK信號星座圖的比較

4 結(jié)束語

文中提出了一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的相控陣三維方向調(diào)制技術(shù)，引入俯仰角將二維方向調(diào)制擴(kuò)展到三維，仿真發(fā)現(xiàn)在使用傳統(tǒng)的基于單目標(biāo)遺傳算法的相控陣方向調(diào)制技術(shù)的情況下，接收信號對俯仰角的變化并不敏感，合法接收者垂直方向上的竊聽者依然可以竊聽到有效信息。在不影響發(fā)射功率的情況下，利用多目標(biāo)優(yōu)化的第二目標(biāo)函數(shù)擴(kuò)大非期望方向上的星座圖畸變程度，使得合法接收者垂直方向上的竊聽者無法還原出正確的星座圖。

一個(gè)信號從發(fā)出到接收，中間要經(jīng)過許多的處理過程，如信源編碼、信道編碼、信號調(diào)制等，在對這些信號進(jìn)行處理的過程中，很多物理層安全的研究者通過把對信息理論的相關(guān)研究融入進(jìn)去，從信息理論的角度為現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)安全構(gòu)建一層屏障。下一步的研究方向是結(jié)合大規(guī)模天線陣列豐富的物理信道特征資源，利用這些特征來模仿信號調(diào)制的過程，使得接收者接收的信號與具體信道特征或者方向相關(guān)聯(lián)。

[1]CareyJM,GrunwaldD.EnhancingWLANsecuritywithsmartantennas：aphysicallayerresponseforinformationassurance[C]//ProceedingsoftheIEEEvehiculartechnologyconference.Rhodes,Greece:IEEE,2004:318-320.

[2]HeroA.Securespace-timecommunication[J].IEEETransactionsonInformationTheory,2003,49(12):3235-3249.

[3]BabakhaniA,RutledgeD,HajimiriA.Transmitterarchitecturesbasedonnear-fielddirectantennamodulation[J].IEEEJournalofSolid-StateCircuits,2008,43(12):2674-2692.

[4]BaghdadyEJ.Directionalsignalmodulationbymeansofswitchedspacedantennas[J].IEEETransactionsonCommunications,1990,38(4):399-403.

[5]YangS,GanYB,TanPK.Anewtechniqueforpower-patternsynthesisintime-modulatedlineararrays[J].IEEEAntennasWirelessPropagationLetters,2003,2:285-287.

[6]YangS,GanYB,TanPK.Designofauniformamplitudetimemodulatedlineararraywithoptimizedtimesequences[J].IEEETransactionsonAntennasPropagation,2005,53(7):2337-2339.

[7]PoliL,RoccaP,ManicaL,etal.Handlingsidebangradiationsintime-modulatedarraysthroughparticleswarmoptimization[J].IEEETransactionsonAntennasPropagation,2010,58(4):1408-1411.

[8]MaRuifeng,DaiLinglong,WangZhaocheng,etal.SecurecommunicationinTDS-OFDMsystemusingconstellationrotationandnoiseinsertion[J].IEEETransactionsonConsumerElectronics,2010,56(3):1328-1332.

[9]DalyM,BernhardJ.Directionalmodulationtechniqueforphasedarrays[J].IEEETransactionsonAntennasPropagation,2009,57(9):2633-2640.

[10]DalyMP,DalyEL,BernhardJT.Demonstrationofdirectionalmodulationusingaphasedarray[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation,2010,58(5):1545-1550.

[11] 洪 濤，宋茂忠，劉 渝.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].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào),2014,32(1):51-56.

[12]ValliappanN,LozanoA,MemberS.Antennasubsetmodulationforsecuremillimeter-wavewirelesscommunication[J].IEEETransactionsonCommunications,2013,61(8):3231-3245.

[13]NegiR,GoelS.Securecommunicationsusingartificialnoise[C]//ProceedingsoftheIEEEvehicletechnologyconference.Dallas,TX:IEEE,2005:1906-1910.

[14]ZhouX,McKayMR.Physicallayersecuritywithartificialnoise:secrecycapacityandoptimalpowerallocation[C]//Procofinternationalconferenceonsignalprocessingandcommunicationsystems.Omaha,NE:[s.n.],2009.

Three-dimensional Direction Modulation of Phased Array Based on Multi-objective Optimization

HUANG Zhi-chuan，WU Meng

(School of Computer,Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023,China)

Aiming at the physical layer security of wireless communication system,a new method of 3D directional modulation technology based on multi-objective optimization is proposed.The two-dimensional direction modulation technology is studied based on phased array,and on this basis,the pitch angle is introduced to construct the three-dimensional direction modulation technique.The genetic algorithm for multi-objective optimization is adopted,and the second objective function is used to maximize the constellation distortion and guarantee the safety of information transmission receiver in a vertical direction,at the same time,overcoming the insensitivity of single objective genetic algorithm to generate a modulated signal of angle of pitch.The simulation performance of the algorithm is analyzed,and the potential research direction of physical layer security is given.

physical layer security;phased array;directional modulation;multi-objective optimization

2016-01-08

2016-05-11

時(shí)間：2016-09-19

江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃(BK20151507)

黃志川(1990-)，男，碩士，研究方向?yàn)槲锢韺影踩?；?蒙，教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)闊o線通信、信息安全等。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160919.0842.046.html

TP301

A

1673-629X(2016)11-0111-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.11.025