标    题：基于阵列天线的无线安全传输技术研究

英文标题：Research on Directional Modulation for Secure Wireless Communication Based on Array

作    者：邱彬

指导教师：王伶

培养院系：电子信息学院

学    科：信息与通信工程

读博寄语：吾尽吾心，终亦不悔；天道酬勤，何事难为。

主要研究内容

随着无线通信的飞速发展，当今社会正在大步迈入万物互联的时代。由于无线网络结构日趋开放，加之无线通信与生俱来的广播特性，使得无线通信的安全性和可靠性面临着严峻的挑战，信息泄露、非法窃听、恶意攻击等方面的问题屡见不鲜。近些年信息泄露事件不断攀升，保护信息私密性的重要性不言而喻，加强信息在无线传输的安全可靠性能刻不容缓。因此，确保重要信息可靠传输，防止非法截获窃听具有重要意义。物理层安全技术作为传统加密安全机制的一种有效互补技术，为信息传输提供了安全壁垒。物理层安全技术通过利用无线信道固有的随机特征实现信息加密，为无线安全传输提供了新的思路。随着对无线通信需求的不断增长，阵列天线传输利用空间自由度和天线增益已经被认为是现代物理层安全研究的强大驱动力之一。因此，研究应用于物理层安全的阵列天线传输技术具有重要的科学意义和应用价值。

研究内容一：混合窃听环境下的阵列方向调制安全传输技术

传统的DM仅考虑被动窃听环境的安全传输问题，若受到主动窃听者发射干扰信号扰乱LU的接收，系统则无法有效工作。采用天线阵列收发实现混合窃听环境PHY安全传输。具体而言，该结构在发射端采用最小发射功率准则设计预编码矢量，满足在LU端接收符号级约束，使得LU接收符号具有固定/松弛相位约束并满足指定SNR需求，然后将剩余发射总功率分配给AN。因此，所提方案能够精确地分配发送信息和AN之间的功率。然后，通过罚函数迭代方法求得优化问题的最优预编码矢量。在合法接收端采用最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response, MVDR)方法消除来自主动窃听者发出的干扰信号，保证LU的有效接收。所提的方法可以在混合窃听环境下提供安全传输。

图1多波束混合窃听系统结构

图2 人工噪声辅助符号级预编码发射机结构

图3 无噪声接收符号星座图

研究内容二：分布式正交方向调制安全传输方法

针对相控阵只依赖于角度的安全传输局限，提出了一种新颖的分布式正交方向调制（Decomposed and Distributed Directional Modulation, D3M）安全传输方法。在传输过程开始，将要传输的正交相移编码（Quadrature Phase Shift Keying, QPSK）调制符号分解为相互正交的同相和正交分量，并分别由两个分布式阵列发射机发射。这样，由独立发射机发出的波束不直接携带完整的信息。有效接收区仅为两个阵列发射机的主瓣波束交汇区域。特别地，单独优化每个发射机的波束成形矢量，满足在最小发射信息功率情况下，保证同相分量和正交分量能都以指定传输信号质量与LU完成通信。另外，通过考虑泄漏信息的功率设计AN投影矩阵，最小发射AN功率，满足对非期望方向指定的信干噪比（Signal-to-Interference-Noise Ratio, SINR）约束。所提AN设计方案能够在更少的发射AN功率消耗下保证对非期望方向指定的SINR。随后，将该优化问题转化为SDR优化问题，得到最优AN投影矩阵。所提AN辅助D3M方案接收端复杂度低，易于实际工程应用且安全性能优越。该方法是分布式阵列DM方法在PHY安全通信中的首次应用，比传统的单发射机结构可以提供更优的安全性能。

图4 人工噪声辅助D3M安全传输方案系统模型

图5 D3M发射机通用架构

图6 SINR在x-y平面空间分布

研究内容三：多波束频控阵安全传输方法

针对单LU邻近Eve以及多目标广播信道未知Eve两种场景下的无线安全传输问题，提出了AN辅助频控阵波束成形安全传输方法。具体地，通过联合设计波束成形矢量和频率增量最大化信息功率与泄漏信息和噪声功率比准则，称之为最大信泄露噪比（Maximizing Signal-to-Leakage-Noise Ratio, Max-SLNR）。根据瑞利熵定理，求得最优波束成形矢量，而阵列天线发射频率的优化是非凸-紧耦合变量的优化问题，采用传统的CVX方法无法求解。于是，采用BSUM算法解优化问题获得最优频控阵发射频率。随后，通过最大化LU的接收信号的信干噪比（Maximizing Signal-to-Interference-Noise Ratio, Max-SINR）设计了AN投影矩阵。然后，利用加和BSLM算法求得在多LU未知Eve广播信道情形的最优发射频率。所提方法比传统方法具有更好的角度-距离解耦特性，并且具有更高的安全性能。

图7 上界二次近似目标函数

图8 可达速率随距离-角度分布

图 9 可达速率随角度分布

图10 可达速率随距离分布多LU可达速率空间分布

主要创新点

（1）针对混合窃听环境的安全传输问题，提出了多目标阵列收发符号级预编码技术，有效防止了被动窃听者对信息的截获以及消除了主动窃听者对合法用户的阻塞干扰，实现了无线安全传输。

（2）针对阵列传输技术仅角度依赖的安全传输问题，提出了人工噪声辅助分布式正交方向调制方法，避免了与合法用户相同角度窃听者的窃听，有效提高了无线安全传输性能。

（3）针对邻近窃听者和合法用户场景的物理层安全问题，基于人工噪声辅助频控阵传输技术，提出了阵列发射频率、波束成形矢量和人工噪声联合优化策略，实现最大化信泄露噪比。

代表性创新成果

一、发表的学术论文

[1] Qiu Bin, Tao Mingliang, Wang Ling, Xie Jian, and Wang, Yuexian. Multi-Beam Directional Modulation Synthesis Scheme Based on Frequency Diverse Array [J]. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, 2019, 14(10): 2593-2606. (SCI：000471685000006, EI: 20192507068621, IF: 7.231).

[2] Qiu Bin, Wang Ling, Xie Jian, Zhang Zhaolin, Wang Yuexian and Tao Mingliang. Multi-Beam Index Modulation With Cooperative Legitimate Users Schemes Based on Frequency Diverse Array [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2020，69(10): 11028-11041. (SCI: 000583767600042, EI: 20204609478040, IF: 6.239).

[3] Qiu Bin, Xie Jian, Wang Ling, and Wang Yuexian. Artificial-noise-aided secure transmission for proximal legitimate user and eavesdropper based on frequency diverse arrays [J]. IEEE Access, 2018, 6: 52531–52543. (SCI: 000447713000001, EI: 20183805820044, IF: 3.476).

[4] Qiu Bin, Wang Ling, Xie Jian, Zhang zhaolin, and Wang Yuexian. Multi-beam Symbol-Level Precoding in Directional Modulation Based on Frequency Diverse Array [C]. 2020 IEEE International Conference on Communications (ICC), Dublin, Ireland, 2020: 1-7. (EI)

[5] Qiu Bin, Wang Ling, Yang Xin, and Xie Jian. Security Enhancement of Directional Modulation Schemes Against Hybrid Eavesdroppers [C]. General Assembly and Scientific Symposium of the International Union of Radio Science (URSI GASS) 2021. (EI).

二、专利

[1] 王伶, 邱彬, 谢坚, 粟嘉, 陶明亮, 张兆林.一种基于频控阵人工噪声方向调制的优化方法[P]. 发明专利: 201810919296.5. 2021-06-11，授权.

[2] 王伶, 邱彬, 陶明亮, 粟嘉, 谢坚, 张兆林.一种基于频控阵人工噪声方向调制的时不变安全通信方法[P]. 发明专利: 201810950886.4. 2018-08-21.授权

[3] 谢坚, 邱彬, 王伶, 张兆林, 汪跃先, 陶明亮, 粟嘉等. 一种基于多播频控阵方向调制的稳健波束成形方法[P]. 发明专利: 201910264287.1. 2019-04-03.授权

[4] 王伶, 邱彬, 谢坚, 张兆林, 汪跃先, 陶明亮, 粟嘉. 一种基于多播频控阵方向调制的优化方法[P]. 发明专利: 201910264285.2. 2019-04-03.授权

[5] 王伶, 邱彬, 谢坚, 张兆林, 陶明亮, 粟嘉. 基于XX的多目标接收机安全通信方法[P]. 国防专利: 201918004881.8. 2019-7-19.

[6] 谢坚, 邱彬, 王伶, 陶明亮， 张兆林，汪跃先. 一种基于XX频控阵公平优化方法[P]. 国防专利：201918011850.5. 2019-11-28.

[7] 王伶, 邱彬, 谢坚, 张兆林, 陶明亮, 汪跃先等. 一种基于多播频控阵天线选择方法[P]. 专利号：201911145916.5. 2019-11-21.

[8] 杨欣, 邱彬, 谢坚, 张兆林, 王伶. 一种基于正交时频空方向调制安全通信方法[P]. 专利号：202011234585.5. 2020-11-07.