毫米波无线通信物理层安全传输技术研究摘要安全性能是无线通信系统的一项重要指标。传统的加密安全通信技术是在系统上层先对信息进行加密处理，然后通过无线信道传输到目标用户。但由于无线信号的广播传输特性，窃听者很容易窃听到加密后的无线信号并采用高性能的计算机进行破解。因此，传统的加密安全通信技术仍然存在安全威胁。物理层安全技术是利用信道特征实现安全无线通信，无需在系统上层对信息进行加密。由于低频段频谱资源枯竭，新一代无线通信系统为满足更宽带宽和更高速率需求，载波频率朝着更高频的毫米波频段发展已成必然。通信频段的升高，引起了信道特性的变化。毫米波路径损耗大、反射能力强、衍射能力弱的独特信道特性使得无线通信方式从单天线向大规模天线阵波束成形转变，产生物理层安全通信研究的新挑战。由于毫米波波束的定向性能高，窃听者只有在旁瓣采用灵敏度高的接收设备或追踪波束主瓣才能窃听信号。研究解决旁瓣区域敏感窃听问题和波束主瓣窃听问题对提升毫米波波束成形传输系统的物理层安全性能意义重大。为此，本文针对传统波束旁瓣区域的敏感窃听难题和波束主瓣窃听难题，通过开拓相控天线阵列的幅度、频率和相位自由度，提出可编程幅度权重定向角度波束成形、旋转角度波束成形和定区域波束形成三种物理层安全传输技术方案。论文的主要研究工作和所提出的创新性总结如下：1. 旁瓣随机化的定向角度波束成形物理层安全传输技术。为解决定向波束旁瓣方向的敏感窃听难题，将波束旁瓣泄漏信号转化为人工噪声，提出了用可编程幅度权重相控阵结构实现反转幅度天线子集和最优幅度权重子集的定向波束旁瓣随机1化波束成形技术方案。推导了波束形成系数和接收信号的数学统计特征定理，得到旁瓣随机化信号的近似高斯分布特征。研究人工噪声功率最大化的天线子集设计优化方案，可提升安全速率达 33%。设计模拟退火粒子群优化算法构建优质天线子集矢量码本，波束旁瓣方向的随机化幅度峰值可降低21.12dB。2. 旋转角度波束成形物理层安全传输技术。为解决波束主瓣方向的窃听难题，通过开拓多频相控阵列的频率自由度，提出了角度距离双参数控制的可旋转角度波束成形物理层安全传输技术。提出了波束旋转定理，公式化了波束旋转角度与频率偏移增量的关系表达式。采用波束零旁瓣旋转技术避免已知位置信息的窃听。采用波束动态旋转技术降低旁瓣平均增益，避免未知位置信息的窃听者捕捉到波束主瓣实施窃听。3. 定区域传输波束成形物理层...
