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一种超表面编码方法与无线传输系统

1.本发明涉及无线通信安全领域，特别涉及一种超表面编码方法与无线传输系统。
技术背景
2.物联网(iot)作为数字世界的一股新革命浪潮，正在通过智能家居、智能医疗等改变人类生活的各个方面。无线通信技术一直是作为物联网设备通信的基础。
3.但是，随着无线技术对日常生活的渗透，正引起了人们对隐私问题的强烈担忧。由于无线媒体的广播特性，窃听者可以窃听一个合法的链接来窃取个人信息，甚至可以控制个人物联网设备，如语音助手和自动驾驶汽车。为了避免窃听的风险，一个简单的解决方案是使用一个复杂的加密协议。但目前的物联网设备由于成本低、功耗低，普遍采用弱加密算法，容易受到安全攻击。目前针对通信安全防护主要有如下几种：
4.第一种，添加人工噪声，人工噪声的产生依赖于多个天线或协同中继。虽然人工噪声辅助安全能够保证无线传输的保密性，但这是以浪费宝贵的传输功率资源为代价来实现的，而这是低成本和轻量级的物联网设备所无法提供的。
5.第二种，进行定向的波束成形，定向波束成形将能量汇聚于合法用户方向，降低旁瓣方向的信号能量。然而，它们只能削弱被窃听的信号，并且对具有高度敏感的接收器的窃听者依然存在被窃听隐患。另外，这种防护措施需要知道窃听者的位置信息。
6.综上所述，一种全向的、低成本、低功耗的适用于物联网设备的无线通信防窃听保护方法是被需要的。

技术实现要素：

7.针对现有技术的缺陷或不足，本发明首先提供了一种超表面编码方法。为此，本发明所提供的超表面编码方法包括：
8.步骤1，对1-bit可编程超表面进行空间波束调控，使得1-bit可编程超表面波束指向合法方向，并获得1-bit可编程超表面各单元的连续补偿相位及各单元合法方向波束的理论相位，同时获得各单元的连续补偿相位与1-bit量化实际补偿相位的相位误差；
9.步骤2，利用粒子优化算法在(2)和(3)两个约束条件下，使得目标函数(1)最大化，获得优化后的上边界ub
′
和下边界lb
′
，
[0010][0011][0012]
[0013]
式(1)-(3)中：
[0014]q*
为量化规则；
[0015]
(m,n)为超表面上任一单元的位置坐标，m为x方向的坐标值,m＝1,2,3,
…
,m，m取大于等于2的整数；n为y方向的坐标值，n＝1,2,3，
…
，n，m取大于等于2的整数；
[0016]
为单元(m,n)的连续补偿相位；
[0017]
为超表面主瓣方向的增益；
[0018]
为超表面能量最强旁瓣方向的增益；
[0019]
ξ为约束参数，8-10；
[0020]
为单元(m，n)的合法方向波束的理论相位；
[0021]
为单元(m，n)的连续补偿相位与1-bit量化实际补偿相位的相位误差；
[0022]
为单元(m，n)的连续补偿相位与优化过程中所更新量化规则下的实际补偿相位的相位误差；
[0023]
j为虚数单位，j2＝-1；
[0024]
θ
l
和φ
l
分别为超表面合法方向的俯仰角和方位角；
[0025]
γ为偏移分量，0≤γ≤5
°
；
[0026]
步骤3，利用步骤2获得的上边界ub
′
和下边界lb
′
构建量化规则式(4)：
[0027][0028]
式(4)中，m＝1，2，3，...，m；n＝1，2，3，
…
，n；
[0029]
步骤4，获得量化规则式(4)下不同超表面编码在各旁瓣上的相位噪声，选取能够对至少三个旁瓣方向引入π、或相位噪声的超表面编码，利用所选取的超表面编码构建超表面编码集合；
[0030]
步骤5，评估当前超表面编码集合下对各旁瓣方向的防窃听保护优劣性，对于未到达保护要求的旁瓣方向，在所述量化规则式(4)下的不同超表面编码中选择能够对该旁瓣方向引入π、或相位噪声的超表面编码，并加入当前超表面编码集合中；直至所有旁瓣方法均达到保护要求。
[0031]
进一步，步骤5中获得当前超表面编码集合下所有旁瓣方向解调时的星座图，利用星座图的熵值作为各旁瓣方向防窃听保护优劣性的评价指标，熵值大于阈值的旁瓣满足保护要求。所述阈值可根据保密严格程度确定，如取0.5～1，阈值越大，防窃听的保护效果越好。
[0032]
本发明同时提供了一种无线通信系统。所提供的无线通信系统包括发射端、超表面和用户端，所述超表面的编码集合采用上述方法获得；所述超表面用于无线通信系统的防窃听保护。进一步，所述超表面采用fpga控制。
[0033]
本发明通过所选择的可编程超表面上的编码集快速切换，不仅可以提升合法用户方向即主瓣方向的信号强度，增强合法通信链路的吞吐量。同时可以防止窃听，提升通信安全性能。尤其是在窃听用户的信道状态信息未知的情况下进行通信安全防护。
附图说明
[0034]
图1为1-bit超表面波束成形调控时补偿相位量化示意图，左图为理论情况下超表面补偿的相位；右图为在1-bit量化下，实际超表面补偿的相位。
[0035]
图2为不同相位噪声引起的星座图旋转效果图；第一行图从左至右依次为超表面编码、编码所对应的幅度方向图、编码所对应的相位方向图；第二行图从左至右依次为改变可变单元编码后结果、改变编码后所对应的幅度方向图、相位方向图。
[0036]
图3为本发明实施例合法用户在不同方向时使用所述发明与未使用时的信号强度的评估结果。
[0037]
图4为本发明实施例合法用户在不同方向时使用本发明与未使用时的误码率的评估结果。
[0038]
图5为本发明实施例在反向链路下的信号强度结果。
[0039]
图6为本发明实施例在反向链路下通信的误码率结果。
[0040]
图7为使用不同调制解调方式时本发明的通信的误比特率结果。
[0041]
图8为使用常见的调制方式：qpsk、8psk、qam、16qam、ofdm进行无线信号调制与解调下本发明的通信性能结果。
[0042]
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步地详细描述。
具体实施方式
[0043]
除非有特殊说明，本文中的科学与技术术语及方法根据相关领域普通技术人员的认识理解或采用相关领域普通技术人员已知的相关方法实现。
[0044]
本发明首先通过计算连续应补偿相位并进行量化，使得1-bit可编程超表面能够进行空间的波束调控，使得信号的大部分能量汇聚在合法用户方向，其次计算各单元的连续补偿相位及各单元合法方向波束的理论相位，同时获得各单元的连续补偿相位与1-bit量化实际补偿相位的相位误差；利用优化算法获取了在保证合法方向通信质量的前提下，最多的贡献较小的弱单元；利用相位噪声对解调数据所用星座图产生的旋转干扰；之后，通过改变超表面对于弱单元的1-bit相位补偿，选取可以对单一窃听方向引入有效相位噪声的超表面编码，并且利用了模糊熵的评判标准进行评估，针对结果低于阈值的方向再次添加携带有效相位噪声的编码来增强保护。进一步，通过控制超表面熵的编码集进行快速变化，完成窃听方向的无线通信安全防护。
[0045]
本发明步骤1可采用现有技术方法实现，其中各单元的连续补偿相位可利用matlab数学仿真建模软件对馈源-超表面-用户的路径进行建模，单元(m,n)的连续补偿相位其中：
[0046]
[0047][0048][0049]
其中，为单元(m,n)合法方向(即主瓣)波束的连续相位值，(m,n)为超表面单元位置，k＝2π/λ，xm和yn分别为在笛卡尔坐标系下第(m,n)个超标面单元距离原点(超表面的结构中心)距离的x分量与y分量，λ为波长；θ
l
和φ
l
分别为合法用户即波束主瓣指向的俯仰角和方位角；为电磁波由馈源(发射端)到达超表面上的实际相位值，d
(m，n)
为馈源到第(m，n)个超标面单元的距离。由于本发明所使用的可编程超表面为1-bit超表面，因此仅能进行0或π调控，为其量化规则，使得信号的大部分能量汇聚在合法用户方向，将合法用户的方位作为期望波束的主瓣方向，进行波束成形。
[0050]
由于1-bit可编程超表面波束成形的量化规则，会出现补偿相位接近0经1-bit量化后为变为0，也有可能出现补偿相位实际上接近π但根据量化规则也被量化为0，如图1(a，b)所示，这就使得各个单元对于主瓣的贡献是不一致的，如图2所示，贡献较弱地单元不同地量化相位值对于主瓣影响很小，但是对于旁瓣地相位却影响很大，对于贡献较弱的单元可定义为“弱单元”。本发明为了收获更多“弱单元”，利用粒子优化算法在(2)和(3)两个约束条件下，来对量化的上、下相位值边界进行优化，之后构建新的量化规则式(4)。
[0051]
发射端发送信号经超表面调制后，接收端接收到的信号会受相位噪声的影响，具体来讲，对于馈源端发送信号sr，其中，e0为信号能量，φ(r)为信号相位；经过超表面调制后的接收信号s
′r为：
[0052][0053]
其中，其中，为由超表面引起的相位噪声，为由超表面到接收端所传输路径中所产生的相位变化。基于此，本发明进一步在量化规则式(4)下，研究了相位噪声在解调时对旁瓣星座图的旋转效果，选择有效相位噪声，研究发现，相位噪声会造成解调时的星座图的旋转效果。由图3(a，b，c，d)所示，π三个相位噪声可以分别引发星座图跨一象限、二象限、三象限的旋转。因此，本发明选择为本发明所选择的有效相位噪声。
[0054]
实施例：
[0055]
该实施例的超表面为1-bit可编程超表面；使用直流稳压器(mestek dp3005b)为超表面提供偏置电压，通过给出不同的直流电压水平(0v或5v)，每个单元中的一对pin二极管切换到相反的状态，从而作为一个1位移相器，引入0或π的相位值；
[0056]
为了独立控制每个单元格，使用了一个kintex-7 fpga和32个sn74hc595移位寄存器来提供偏置电压，具体来说，将256个单元格平行分成8组，每组由4个移位寄存器组成，连续控制32个元素。
[0057]
采用本发明的方法分别对超表面的11个个合法方向(-50、-40、-30、-20、-10、0、
10、20、30、40、50
°
)进行编码集合进行构建，最终将11个合法方向上的的编码集合汇总得到总的编码集合，其中包含300套编码；过程中的ξ＝9，γ＝3
°
，该实施例评估在所有方向上通信保护的有效性，具体包括：
[0058]
利用matlab获得个方向混叠效果的熵值数据，熵值计算公示为：
[0059][0060][0061]
其中l
cluster
表示类别数量，rc表示传输数据的总数，表示所有传输的数据中属于p类的个数；p
pq
为聚类p的数据中属于q类的概率；
[0062]
当e
p
《0.5，认定为该方向混叠效果较差；对于e小于0.5旁瓣方向，向这个方向添加了更多具有增益相位噪声的编码模式，以增强混淆度。
[0063]
每个合法方向的混沌编码模式集都被预先存储在fpga中，当确定了合法的方向时，从相应的总的编码集合中随机选择一个编码模式来重新配置超表面。为了进行平行控制，将编码集合中的数据分为8组，然后将8组编码输入到8个数据存储器中，以控制32个移位寄存器来进行快速输出整个编码集。
[0064]
进一步，发明人尝试从以下若干个方面去评估本发明给出的基于可编程超表面的提升无线通信安全性能的方法：
[0065]
不同合法用户方向的信号强度与通信质量性能：
[0066]
图4为合法用户在不同方向时使用所述基于可编程超表面的提升无线通信安全性能的方法与未使用时的信号强度的评估结果，图5为合法用户位于不同位置使用所述基于可编程超表面的提升无线通信安全性能的方法的通信质量评估结果。可以看到，合法用户位于不同位置时，该方法可以明显提高合法方向的信号强度且保持较高的通信质量。
[0067]
反向链路性能：
[0068]
图6为在反向链路下的信号强度结果，图7为在反向链路下的通信误码率结果。从图中可以看出我们的方法还可以提升方向链路的信号强度与通信安全性能。
[0069]
不同调制方式性能对比评估：
[0070]
图8为使用常见的调制方式：qpsk、8psk、qam、16qam、ofdm进行无线信号调制与解调下的通信性能结果，从图中可以看到本方法在不同调制方案下都可以保持良好性能。

技术特征：

1.一种超表面编码方法，其特征在于，方法包括：步骤1，对1-bit可编程超表面进行空间波束调控，使得1-bit可编程超表面波束指向合法方向，并获得1-bit可编程超表面各单元的连续补偿相位及各单元合法方向波束的理论相位，同时获得各单元的连续补偿相位与1-bit量化实际补偿相位的相位误差；步骤2，利用粒子优化算法在(2)和(3)两个约束条件下，使得目标函数(1)最大化，获得优化后的上边界ub
′
和下边界lb
′
，，，式(1)-(3)中：q
*
为量化规则；(m,n)为超表面上任一单元的位置坐标，m为x方向的坐标值,m＝1,2,3,
…
,m，m取大于等于2的整数；n为y方向的坐标值，n＝1,2,3，
…
，n，m取大于等于2的整数；为单元(m,n)的连续补偿相位；为超表面主瓣方向的增益；为超表面能量最强旁瓣方向的增益；ξ为约束参数，8-10；为单元(m,n)的合法方向波束的理论相位；为单元(m,n)的连续补偿相位与1-bit量化实际补偿相位的相位误差；为单元(m,n)的连续补偿相位与优化过程中所更新量化规则下的实际补偿相位的相位误差；j为虚数单位，j2＝-1；θ
l
和φ
l
分别为超表面合法方向的俯仰角和方位角；γ为偏移分量，0≤γ≤5
°
；步骤3，利用步骤2获得的上边界ub
′
和下边界lb
′
构建量化规则式(4)：式(4)中，m＝1,2,3,
…
,m；n＝1,2,3，
…
，n；
步骤4，获得量化规则式(4)下不同超表面编码在各旁瓣上的相位噪声，选取能够对至少三个旁瓣方向引入π、或相位噪声的超表面编码，利用所选取的超表面编码构建超表面编码集合；步骤5，评估当前超表面编码集合下对各旁瓣方向的防窃听保护优劣性，对于未到达保护要求的旁瓣方向，在所述量化规则式(4)下的不同超表面编码中选择能够对该旁瓣方向引入π、或相位噪声的超表面编码，并加入当前超表面编码集合中；直至所有旁瓣方法均达到保护要求。2.如权利要求1所述的超表面编码方法，其特征在于，步骤5中获得当前超表面编码集合下所有旁瓣方向解调时的星座图，利用星座图的熵值作为各旁瓣方向防窃听保护优劣性的评价指标，熵值大于阈值的旁瓣满足保护要求。3.一种无线通信系统，包括发射端、超表面和用户端，其特征在于，所述超表面的编码集合采用权利要求1所述方法获得；所述超表面用于无线通信系统的防窃听保护。4.如权利要求3所述的无线通信系统，其特征在于，所述超表面采用fpga控制。

技术总结

本发明公开了一种超表面编码方法与无线传输系统，本发明在实施中，首先通过计算连续应补偿相位并进行量化，使得1-bit可编程超表面能够进行空间的波束调控，使得信号的大部分能量汇聚在合法用户方向；利用优化算法获取了在保证合法方向通信质量的前提下，最多的贡献较小的弱单元；利用相位噪声对解调数据所用星座图产生的旋转干扰；之后，通过改变超表面对于弱单元的1-bit相位补偿，选取可以对单一窃听方向引入有效相位噪声的超表面编码，并且利用了模糊熵的评判标准进行评估，针对结果低于阈值的方向再次添加携带有效相位噪声的编码来增强保护。进一步，通过控制超表面熵的编码集进行快速变化，完成窃听方向的无线通信安全防护。的无线通信安全防护。