文 献 综 述
一、课题研究意义
无线技术有着低安装成本、可伸缩和灵活性固定的特点，可以较为容易的获取实时信息和数据，因此受到广泛的关注。然而它也存在着不可忽视的缺陷，因为无线通信在广播过程中缺乏固有的物理边界，其传输的机密信息容易被拦截[1]，面临着严重的物理层安全问题。
传统的基于密钥的加密方式[2]，虽然可以在协议栈等较高层次上处理数据的安全传输问题，但加密所需的信道和安全协议的安全性难以保障，逐渐被人放弃。近年来，人们开始把研究方向放在协议最底层的物理层[3]。Wyner等人对物理层安全进行了研究，提出了安全容量的概念以及Wire-tap模型[4] ，即发射机将信息安全的传输到目标接收机所能达到的最大传输速率。另一方面，传统的安全技术方案中，主流的两种方案均利用了额外的发送功率确保信息的安全传输，分别为人为干扰噪声技术[4]，阵列冗余技术[5]。人为干扰噪声技术通过在窃听端添加设计好的噪声信号，以此降低窃听信道的信道质量。而阵列冗余技术则通过天线加权系数的更新造成窃听信道的快速且随机的变化，从而实现物理层的安全通信。但上述方法均高度依赖无线信道特性，导致其不适用于准静态通道以及视线通信环境。另一种不依靠上层加密来保证网络节点之间的安全通信技术——方向调制技术，则受到了广泛的关注。
方向调制(Directional Modulation, DM)技术[6]，该技术通过将信号进行预处理，使其可以在期望方向上传输，而在非期望方向上失真。因此，即使窃听接收机有更高的信号频率，也无法准确的恢复信号，大大提高了物理层信息的安全性，保证了机密信息的安全传输。
- 国内外研究现状
对于国内外研究现状，本文划分了从三个方面进行阐述：方向调制的结构，方向调制的合成方法以及方向调制技术的评价指标。
- 方向调制发射机的结构
经典的防止窃听的方法是在发射机已经知晓窃听接收机的存在和具体位置时，将这些接收机所在的空间方向设置为发射波束的零空间方向上[7]。但是，在通常情况下，接收机的存在和具体位置一般是不知晓的，因此该方法不可靠。而我们可以通过物理层安全技术利用无线通信信道独特的物理性质，来提高发射机的抗窃听性能。
在传统的波束成形阵列中，通过让主波束直接指向期望方向，使其传输在期望方向上获得最大的功率，保证信息的安全传输。但它也存在着问题，在旁瓣可能会出现一定程度的程序泄露，虽然泄露信息的接收功率远小于主瓣，但它所包含的信息与主瓣相同，窃听者可采用灵敏度足够高的窃听接收机窃听该信息。
DM属于发射端技术，通过设计DM发射机的结构，能够将所要传输的信息信号投射到预先指定的期望方向，同时扰乱持有相同信息的信号在所有其他方向上的星座图，从而保证安全精准的传输。文献[8]中，作者对基于近场衍射光栅干涉效应的DM结构进行了描述。但由于近场和其进入远场空间的不独立性，导致其在转化过程中存在复杂的相互作用，进而导致设计过程变得十分复杂。相比之下，文献[9]采用了优化算法，将有源天线阵列进行重构来消除进场天线直接调制所产生的耦合效应。之后，文献[10]和[11]提出了一种利用模拟射频（Radio Frequency, RF）移相器或开关主动驱动的DM阵列，推动了DM技术的发展。但是这些方法都无法避免DM发射机固有的缺点，即：1）设计过程的复杂性；2）对于高速率和高功率RF开关的依赖性；3）无法在空间中重定安全的通信方向[9]；4）在所要求的空间方向上非标准的调制格式。为了克服这些缺点，为了减少发射机的能量消耗以及增强发射机的安全性，文献[7]通过使用定向调制中的建设性干扰概念而提出了符号级预编码器。通常，DM可以通过波束成形在期望方向提高性能增益，同时大幅度降低信号在其他方向的质量来保证信号安全传输。但它存在有严重的缺陷，其波束形成方法仅取决于方向角，而与距离无关。因此，当窃听者仅需在期望方向的主波束内移动，便可轻松窃听到隐私信息。
为了解决波束成形方法带来的安全隐患问题，文献[12]提出了一种方法，通过多中继协作来增强无线传输中方向调制的物理层安全性，即每个中继站都充当DM发射机。借助多重中继和DM，使得只有目的地的期望接收者才能正确检测到隐私信息，而偏离所需接收器位置的窃听者受到来自多个中继DM发送器的人工噪声（Artificial Noise, AN）的严重干扰，无法接收到隐私信息。此外，文献[13]提出了一种新颖的频率分集阵列模型。频率增量被随机地（而不是线性地）分配给所有天线阵列元件，这被称为随机频率分集阵列（Random Frequency Diverse Array, RFDA）。文献[14]提出了一种基于RFDA的带有辅助AN的方向调制。该方案可以实现安全的精准无线传输。也就是说，用于期望用户的机密波束形成矢量和用于窃听者的AN投影矩阵在很大程度上取决于方向和距离。在文献[15]中，RFDA概念也已被用于构建正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）发射机，并在自由空间中实现了安全的无线通信。然而，随着发射天线的数量Nr趋于中等规模和大规模，期望的接收机所要求的接收结构越来越复杂。而文献[16]通过将随机子载波选择（Random Subcarrier Selection, RSCS），OFDM和DM相互结合，提出了一种低复杂度的安全精准无线传输方案，通过将波束成形矢量与二维方向和距离相结合，使得隐私信息能够传输到指定位置，并在该位置形成一个高接收功率的峰值，防止泄漏，其通信系统的结构如图2.1所示。文献[17]针对近距离合法用户（Legitimate User, LU）和窃听者（Eve）情况下所产生的物理性安全问题，设计了独特的FDA-DM-AN结构，将AN和FDA-DM结合在一起，大大增加了发射机的隐秘性并降低了Eve的信噪比。在文献[18]中，通过构造两个随机子载波索引集，二次子载波集（Quadratic Subcarrier Set, QSS）和素数子载波集（Prime Subcarrier Set, PSS），并进行了随机化过程（Randomization Procedure, RP），真正实现了每个OFDM符号的安全精准无线传输(Secure Precise Wireless Transmission, SPWT)，解决了安全精准无线传输所面临的关键问题。
