分布式多天线跳空收发技术(Ⅰ)

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分布式多天线跳空收发技术(Ⅰ)

第４７卷第１期

２０１３年１月

西

安交通大

学学

报

Ｖ０１．４７ＮＯ．１

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＸｌ’ＡＮＪｌＡＯＴＯＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ

Ｊａｎ．２０１３

分布式多天线跳空收发技术（Ｉ）

殷勤业，贾曙乔，左莎琳，董柳青，尹诗媛

（西安交通大学电子与信息工程学院，７１００４９，西安）

摘要：为了解决无线通信中的安全保密性问题，针对传统的跳频扩频方案存在的技术实现上的困难和无线频谱资源匮乏的矛盾，对信号能量在空间的分布进行了研究，结果表明：在多天线收发数字无线通信中，各处的信号空谱是不同的，这说明无线通信不仅有频谱资源还有更为丰富的空谱资

源。据此，提出一种分布式多天线跳空收发方案——０／１式跳空技术。该技术利用发端跳空图案，

通过训练得到收端多天线接收加权跳空图案，从而无需确知收发两端的阵列流型，也无需求解复杂的多径信道，就能得到规整的星座图。仿真实验验证了０／１跳空收发技术方案的优越性和安全保

密性。

关键词：无线通信；空谱；跳空技术；多天线；跳频扩频；安全保密性中图分类号：ＴＮ９１８．９１ＡＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ

文献标志码：Ａ

文章编号：０２５３－９８７Ｘ（２０１３）０１－０００１—０６

Ｍｕｌｔｉ＿ＡｎｔｅｎｎａＳｐａｃｅＨｏｐｐｉｎｇＴｒａｎｓｃｅｉｖｅｒＴｅｃｈｎｉｑｕｅ（Ｉ）

ＹＩＮＱｉｎｙｅ，ＪＩＡＳｈｕｑｉａｏ，ＺＵＯＳｈａｌｉｎ，ＤＯＮＧＬｉｕｑｉｎｇ，ＹＩＮＳｈｉｙｕａｎ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＪｉａｏｔｏｎｇ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００４９，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｎｃｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｓｌｉｋｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｈｏｐｐｉｎｇｓｐｒｅａｄｓｐｅｃｔｒｕｍｔｅｃｈｎｉｑｕｅ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ；ｓｐａｃｅｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｓｐａｃｅｈｏｐｐｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｍｕｌｔｉ—ａｎｔｅｎｎａ；

ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｈｏｐｐｉｎｇｓｐｒｅａｄｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｓｅｃｕｒｉｔｙ

无线通信的安全性和保密性是通信领域，尤其是军事通信中最为关注的问题。目前，无线通信中最常用的安全保密技术措施是跳频技术，但在实际中，跳频通信却存在难以克服的技术问题。跳频的

收稿日期：２０１２—０８～０４。

保密性和扩频增益都需要在载波跳速快、跳幅大的条件下才能获得。然而，跳频跳速和频率跳幅均会受到锁相环路的惯性（带宽）限制。同时，载波频率的变化意味着发射和接收天线长度也要随之变化，

基金项目：国家自然科学基金资助项目

作者简介：殷勤业（１９５０一），男，教授，博士生导师。

（６０９７１１１３，６１１７２０９３，６１０７１１２５，６１１０２０８１）；国家创新群体科学基金资助项目（６０９２１００３）。

网络出版时间：２０１２—１０—３１

网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ＷＷＷ．ｃｎｋｉ，ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／６１．ｉ０６９．Ｔ．２０１２１０３１．１１０６．０１０．ｈｔｍｌ

万方数据

西安交通大学学报

第４７卷

而短时间内大幅度调整天线的长度是很困难的，所以跳频通信载波频率的跳速和跳幅也会受到天线物理尺寸变化的制约。上述两方面就导致了跳频通信的扩频增益和保密性在实际中难以保证，同时跳频机制显然会使得日趋匮乏的频谱资源问题变得更为尖锐。

不难看出这种跳频技术根本没有真正应用无线

接收天线，而侦听用户Ｅｖｅ用Ｍ根天线侦听。无线信号传输的特点就是有多径，特别是考虑多天线ＭＩＭＯ系统必然要涉及到信号空谱的概念。所谓信号的谱是指信号幅度或功率的一种分布，例如：信号幅值在时域上的分布构成时谱，在频域上的分布构成频谱，而无线信号能量在传播空间域的分布即为空谱，关于空谱概念的详细讨论见文献［１０］。总之，空谱概念的确立是无线信号收发研究，特别是多天线ＭＩＭＯ系统研究的关键。

采用窄带信号模型，解析化的发射信号为

ｓ（￡）一ｓｎｅＪ（…ｔ＋４，ｏ’

（１）

通信的特点——多径。实际上，虽然跳频技术既可

以应用于无线通信也可以应用于有线通信，但目前的跳频技术仅利用了频谱的扩频增益，『１１＝ｉ无线通信中更值得利用的是信号的空谱，因此跳频技术更加适用于有线通信。

一个重要的想法就是利用分布式天线ＭＩＭＯ，使用丰富的空间谱资源，以获得可靠且截获率低的物理层尢线通信传输模式。

目前，国内外对多天线收发技术的研究主要围绕两个方面展开：一个方面是从频域能量分布．的角度研究的，包括窄带波束形成，定向传输口。４１；另一个方面是从安全保密的角度研究的，而有关无线通信物理层安全保密的研究，大多是基于跳频的思想，即将跳频与无线信道的一些特性联系在一起进行安全保密通信。这两方面的问题归纳起来：一是不能摆脱频谱的限制，总试图从频谱的角度扩展频谱解决问题［５。６］；二是很多关于无线通信的研究没有建立起空谱的概念。之所以空域的概念没被普遍理解，是因为目前还没有有效描述空域信号的模型，甚至连一个简洁正确合理描述信道的模型也没有Ｌ７。９］。

本文从基本的无线传播模型出发，考虑信号能量在空间的分布，从而建立起了空谱的概念。在此基础上，提出了一种跳空传输方案，研究如何充分利用空间谱资源来解决无线通信中的通信传输能力和安全保密性的问题。１

式中：Ｓ。和西。分别为发射信号的幅度与初相；（Ｓ。，西。）是调制解调参数；ｃｏ为载波频率。据此，有

ｓ（ｔ＋ｒ）一Ｓ（￡）ｅｉ“。

（２）

针对信道模型做出如下假设：①传播介质是均匀的、线性的、各向同性的；②各阵元间距离大于波长，阵元间的影响可以忽略不计；③各阵元和信道中的噪声均为高斯加性自噪声，是相互独立的，且与信号无关；④信道是慢时变的，即在进行通信的一段时间内，信道特性是恒定的。此时，接收端信号可以描述为

ｒ。ｆ（ｔ）一ｓ（￡）ｂ“ｅＪｗｒ（ｘ．，２’％．ｆ．。州’＋７３州（￡）

（３）

式中：ｎ，。（ｆ）和ｂ刈（ｏ＜６州＜１）分别为第九根发射天线到第￡根接收天线的接收信号和幅度衰减系数；ｒ、（ｚ州，％∽ｚ。，。）和％，，（ｔ）分别为收发天线之间信号产生相移所对应的等价时间、收发天线之间等价电波传输距离的三维空间分量和信道与接收天线端均值为。的加性高斯白噪声。

基于信道和收发信号模型，ｏ／１式跳空传输模型如图２所示（图２是示意图，并不表示收发端的实际距离）。发射天线在电子开关接通的时候发射，断开的时候停止发射。电子开关不断地在发射天线阵列中各天线之间切换，发射信号Ｓ（￡）就会由不同的发射天线发射出去。多个接收天线构成不规则的分布式天线阵列。在接收端，将接收天线阵列接收到的信号Ｒ。（￡）经过窄带滤波器（ＮＢＦ）滤除噪声后，再进行加权处理，最后合成接收信号ｙ（ｆ）。

０／１式跳空传输模型

通常的无线安全传输模型框图如图１所示。发

射方Ａｌｉｃｅ有，根发射天线，期望用户Ｂｏｂ有Ｋ根

Ｂｏｂ：多天线（期望用户）

单发多收的信号接收模型如下

ｓ（ｔ）ｂ。．１

ｅ３“７ｈ“．１’’一．１“ｎ】’

ｓ（ｔ）ｂ＂，２ｅ’“７‘２”，２’’”，２’２一．２’

Ｅｖｅ：多天线（侦听者）

＋

ｓ（￡）ｂＨ．Ｋ

ｅ１“。‘。”．Ｋ’’＊．Ｋ’２，“Ｋ’

图１无线安全传输简化模型（４）

令Ｒ。（ｆ）垒［ｒ州（￡），ｒ棚（￡），…，，．州（ｆ）］’，定义

ｈｔｔｐ

ｔ“ＷＷＷ．ｊｄｘｂ．ｃｒｌ

ｈｔｔｐ：｝｛ｚｋｘｂ．ｘｊｔｕ．ｅｄｕ．ＣＩ＂１

万方数据

第１期

殷勤业，等：分布式多天线跳空收发技术（Ｉ）

ｗ。．ｆ（２－１，２，…，Ｋ）：由第”根天线发射、第￡根天线接收到的信号的加权值；ｙ（￡）：对所有接收天线收到的信号加权合成后的输出信号；ＮＢＦ：窄带滤波器

图２

ｏ／１式跳空传输模型示意图

从第竹根发射天线到达接收天线阵列的Ｋ个信道为Ｋ维列向量ｂ。，即

巩垒［玩，ＩｅＪｅ．．－，阮，２ｅｊ０．％…，ｂｎ，Ｋｅ巩，Ｋ］１

式中：巩，ｆ垒（Ｕｒ（ｚ训，Ｙ。ｆ，ｚ州）。

那么，单发多收的接收信号模型（式（４））可以简化为

Ｒ。（￡）一ｂ。Ｓ（￡）４－ｙ（￡）

（６）（５）

假设在通信之前，收发双方对于信道６。没有先验信息，需要通过训练才可以得到ｂ。。假定收发双方的晶振频率同步。训练的方法是：收发双方提前约定好将要进行通信的信号ｓ（ｆ），收方以本地晶振为基准，由于收发双方无法做到相位同步，故以收方的角度来看，发射信号相对于真正的发射信号有某一固定的相移函，即ｊ（ｆ）一ｓ（ｆ）ｅｊ≠。从而单发多收的接收信号模型式（６）需要修改为

对式（６）两边取期望可得

Ｅ［Ｒ。（￡）］一ｂ。５（￡）

（７）

Ｒ。（￡）一ｂ。；（≠）４－ｙ（ｆ）

（１０）

ｂ。客观存在，由信道模型假设可知，在进行通信的一段较短的时间内，ｂ。恒定，希望在收方获得发射信息ｓ（￡）。式（７）描述的是Ｋ个关于８（ｆ）的方程，所以它是一个关于８（ｔ）的超定方程，可用于求Ｊ（￡）在最小二乘意义下的解。因为（ｂ。）Ｋ。。（Ｋ＞１）是个列矢量，也可以称为列满秩的矩阵，这样ｂ。的伪逆为

ＬＨ

发方按照约定发射信号，对于第竹根天线发射的信号，接收到的信号是Ｒ。（ｔ）。进行内积相关检测（等价于平稳信号的统计相关检测），检测结果为

１

ｒＴ

髻。一（Ｒ。（￡），ｅ”‘）一丰Ｉ

』Ｊ０

Ｒ。（￡）ｅ。１“ｄｔ一

（１１）

ＥＥｎ。（￡）（ｅｊ“）‘］

将式（１０）带入式（１１），可得

善。＝ＥＥｂ。ｅ１≠ｅ。１“ｓ（ｆ）４－Ｖ（￡）ｅ１“］

（１２）

６：一（６７６ｎ）１６７一＿『广善｝可１

所以ｓ（￡）在最小二乘意义下的解为

ｋＨ

（８）

由于噪声与信号无关且均值为０，因此式（１２）可化简为

考。一ｂ。ｅ’≠５。ｅＨ，ｏ

（１３）

ｓ（￡）一６１Ｅ［Ｒｎ（￡）］一］丁专ｌ广Ｅ［Ｒｎ（￡）］

２分布式天线发射接收的方法

（９）

从而，收方通过训练可以获得与信道相关的信息誊。。针对收发双方相位不同步，｛。中还引入了一个固定的常数因子ｅ”。

发射天线阵列由－，根天线组成，天线的序号分别是１，２，…，Ｊ，每一根发射天线都对应一个接收加权向量ｂ一因为由不同的发射天线发射会经历不同的传输路径，所以６，与６，相互独立。为了获得每一根天线的扫。，需要对每一根发射天线进行单独的训练，训练方法与式（１１）的单发多收的信道训练方法相同。

接下来设计权值，通过对接收信号加权来恢复发射信号。对于第押根天线发射的信号，其恢复信

为了实现基于上述模型的跳空技术，并利用该技术达到扩空加密的效果，需要在传输信号时不断地改变Ａｌｉｃｅ与Ｂｏｂ之间的信号空谱。与跳频的扩频加密类似，跳空的扩空增益也受到两方面因素的影响：跳空的跳幅和跳速。具体来说就是：信号的空谱变化幅度越大，相应的空谱跳幅就越大，扩空增益也就越大。同时，信号空谱变化的速度越快，扩空增益也越大。下面仅就分布式０／１跳空收发技术进行详细的讨论。

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万方数据

西安交通大学学报第４７卷

号为

Ｙ（￡）一Ｗ．Ｒ。（￡）

（１４）

式中：Ｗ。为设计的权值

￡Ｈ

Ｗ。一丌｝而

｜｜∈ｎ｜Ｊ

（１５）

那么恢复的信号为

如）一臀刮卅等眦）（１ｓ）

』

ＱＰＳＫ信号的解调可以通过相关检测实现

Ｅｌｙ（ｔ）ｅ１‘］一Ｅ｛５０ｅＩ‘卅≠。’ｅ＿ｊ“‘｝＋

△、Ｏ、ｘ、口、?、ｑ、》、ｖ、◇、章、＋、青、×ｊ子别为Ａ—Ｍ号发射天线所对应的接收信号

Ｅｉ（砖节Ｐｗ。’｝（１７）

假设噪声的各个分量之间是相互独立的，可得

图３１３发４收情况下未加权的接收信号的星座图

在收方形成了１３个幅度和旋转角度均不同的４点星座图，这些非同相的星座图叠放在一起形成了无规律可循的星座图。这表明空间各处的信号空谱是

不同的。

Ｅｌｙ（ｔ）ｅ一‘］＝ｓ。曲

（１８）

式（１８）解得的（如，西。）就是ＱＰＳＫ星座图的位置。

０／１跳空技术中，标明发射天线切换顺序以及切换时序的图就是跳空图。跳空图类似跳频中的跳频图案，例如：收发双方只有在频率同步／相位同步的前提下，严格按照跳空图进行发射和接收，才能够正确传输信息。这一点与跳频类似，但两者也有些不同：在跳频通信时，一旦跳频图案泄露，任何侦听者都可以截获通信内容，但在跳空通信中，即使跳空图案泄露，侦听者仍旧无法侦听。这是因为接收加权向量ｂ。是一个与发射／接收位置紧密相关的量，侦听者的位置只要与收方有稍许差别，接收加权向量就与收方完全不同了。

为了更加清楚地呈现不同的发射天线发射同一调制信号ｉ（ｉ一１，２，３，４）所对应的接收信号在星座图上的分布情况，将图３中调制信号ｉ对应的接收信号分别抽取出来，单独用星座图表示，结果如图４所示。

，

３

ｏ／１式跳空通信的仿真实验

根据第２部分介绍的工作原理，按照图２的跳

（ａ）发射信号１（ｂ）发射信号２

空系统模型对０／１式跳空技术进行了仿真实验。由于图２中ＮＢＦ组的作用使得跳空系统的性能特别好，所以本文的仿真实验均去除了窄带滤波器组。即便如此，０／１式跳空系统仍有卓越的性能。

不考虑噪声的影响，根据图２中的０／１式跳空系统模型，采用１３发（编号从Ａ～Ｍ）４收的天线阵列，发端发射标准ＱＰＳＫ信号（编号从１到４），跳空图案设计为ＡＡＡＡＢＢＢＢ…ＭＭＭＭ。将接收天线阵列收到的信号直接相加合成，用Ｑ、１分别表示接收信号的实部和虚部，其星座图如图３所示。图４是经跳空图案训练加权恢复后的信号的星座图。

如图３所示，同一种图注对应的信号的星座图正交，这说明同一根天线发射的标准ＱＰＳＫ信号在收端仍然正交。但是，由１３根空间位置不同的天线发出的标准ＱＰＳＫ信号，经过不同的信道作用后，

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图４

Ｊ

（ｃ）发射信号３（ｄ）发射信号４

△、Ｏ、×、口、●、．日、》、ｖ、◇、厶、＋、☆、×分别为Ａ—Ｍ号发射天线所对应的接收信号

１３发４收情况下各个发射信号对应的未加权的接收信号的星座图

图４中，接收符号无规律地散布在整个星座图上，甚至都不对应４个独立的区域，因此接收方不能判别发方采用了何种调制方式；另外，同一个调制信号并不落在星座图上邻近的位置，例如发射信号３在第１、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限内均有出现，从这样的星座图进行符号判决将无章可循。值得注意的是，这里并未考虑噪声。实际上，这里的０／１式跳空技术利用了各处的信号空谱不同这一性质，使得接收端在没

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万方数据

第１期殷勤业，等：分布式多天线跳空收发技术（Ｉ）

有正确加权处理不同位置发射天线的空谱时就无法由恢复信号的星座图可知，即使加入一定的噪正确接收检测。

声，接收端在获得训练权值后仍可以有效地恢复原加权恢复后信号的星座图如图５所示。由图５始发射信息。可知，接收端在获得训练权值后不仅可以恢复原始信号，而且恢复后的信号的星座图是规整的星座图。４

０／１式跳空通信的保密性能分析

这就体现了０／１式跳空的安全保密性。

由于ｏ／］式跳空通信与收发端的空间位置有

ｌ关，只有接收端知道跳空图案才能正确地解码，所以１侦听者（Ｅｖｅ）在其他位置无法侦听正确的信息。下ＯＱＩ

ｏ面２个实验分别用ＱＰＳＫ和１６ＱＡＭ调制进行跳空—Ｏ通信来验证０／１式跳空技术的安全保密性。

—ｌ—ｌ

在ＱＰＳＫ的实验中，采用４发４收的分布式天线收发阵列。假设有２个侦听方，均配备４根接收