智能化無線通信信道安全容量控制仿真

魏麗英，楊立華

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000)

1 引言

當(dāng)前的無線通信技術(shù)應(yīng)用范圍越來越廣泛，但是由于通信數(shù)據(jù)量的增多，通信信道更易出現(xiàn)擁堵問題，通信延遲問題普遍存在，因此為改善此現(xiàn)象，需進(jìn)一步控制信道安全容量。

吳嘉鑫等人提出能量收集與協(xié)作網(wǎng)絡(luò)安全容量?jī)?yōu)化方法。該方法采用基于協(xié)作通信和能量收集技術(shù)研究無線網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)通信信道的資源分析，發(fā)現(xiàn)主用戶的安全容量需求大，而次用戶可以采集通信節(jié)點(diǎn)，輔助主用戶對(duì)節(jié)點(diǎn)的輸送，輸送結(jié)束后，主用戶需要將節(jié)點(diǎn)的資源分發(fā)到次用戶發(fā)送節(jié)點(diǎn)中，在確保次用戶服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，控制主用戶安全容量。但是該方法沒有建立通信信道模型，信道分析效果不理想，導(dǎo)致出現(xiàn)無線通道信道利用率低的問題。劉留等人提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)變無線信道仿真方法。，該方法先研究無線信道特性信息，并提升了無線信道容量傳輸性能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無線信道容量的控制。但是該方法在應(yīng)用中出現(xiàn)信道容量小問題。李明飛等人提出基于區(qū)塊鏈的自組織網(wǎng)絡(luò)多信道訪問控制方法。該方法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)，采用區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)其進(jìn)行采集，并加密處理該數(shù)據(jù)，將加密后的數(shù)據(jù)輸送到基站中，利用共識(shí)算法對(duì)其拷貝，完成對(duì)加密數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，通過對(duì)新用戶的授權(quán)機(jī)制、訪問機(jī)制等步驟，實(shí)現(xiàn)信道容量控制。但是該方法存在信道抗干擾能力差的問題。

為了解決上述方法中存在的問題，提出新的智能化無線通信信道安全容量控制方法。

2 無線通信信道模型建立

1)無線通信信道模型

為了使無線通信信道能夠得到有效分析，首先需要對(duì)無線通信信道進(jìn)行建模，如圖1所示。

圖1 無線通信信道模型

根據(jù)圖1所示，在無線通信信道系統(tǒng)中有發(fā)射天線根，接收天線根，而信號(hào)就處于無線通信信道的天線陣列中，此時(shí)信號(hào)()用方程定義為

()=[()，()，…，()]

(1)

方程中，[·]代表矩陣；()代表著在第根天線的信號(hào)。

那么接收端天線陣列中的信號(hào)()就是

()=[()，()，…，()]

(2)

式中，第根天線端口中的發(fā)射信號(hào)用()描述。

2)頻率選擇性信道模型

無線通信信道模型的信道矩陣可以表示如下

(3)

式中，代表信道矩陣代表復(fù)數(shù)矩陣，代表時(shí)延，代表時(shí)延信道系數(shù)，代表頻率。同時(shí)()∈×。的矩陣如下所示

(4)

無線通信信道模型屬于單輸入單輸出信道模型，與其它模型的區(qū)別在于無線通信信道模型代表一個(gè)矩陣，而矩陣的大小與無線通信信道模型兩個(gè)端點(diǎn)的天線數(shù)量有關(guān)聯(lián)。

首先對(duì)無線通道進(jìn)行研究，通過散射體將發(fā)射端進(jìn)行包圍，并且對(duì)附近的散射物進(jìn)行接收。在信道波束中禁止出現(xiàn)功率方位譜，因此利用上述條件，使遵從于高斯函數(shù)和拉普拉斯函數(shù)的分布，從而獲得下列空間函數(shù)表達(dá)式。

通過研究發(fā)現(xiàn)，天線與天線之間一般會(huì)相差半個(gè)波長(zhǎng)，比如，當(dāng)無線通信發(fā)射時(shí)，若發(fā)射端的天線陣列方位角可以對(duì)平均的近似空間函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算，那么就是方位角的擴(kuò)散函數(shù)，即∈[0，1]，因此當(dāng)=0時(shí)，信號(hào)只來源于一個(gè)方向，當(dāng)=1時(shí)，方位角中在[0°，360°]的范圍之間均勻分布。因?yàn)闊o線通信在發(fā)射的過程中所處環(huán)境不夠穩(wěn)定，因此上述結(jié)果在天線陣列中是很有用的。

通過上述兩個(gè)方程，對(duì)接收端及發(fā)射端的相關(guān)矩陣定義如下所示

(5)

(6)

由于空間函數(shù)中沒有矩陣的數(shù)據(jù)信息，因此需要連接天線之間的傳輸系數(shù)

(7)

因此整個(gè)矩陣的函數(shù)表達(dá)式為

cov(())=(()())=?

(8)

式(8)為相關(guān)模型，()代表矢量化算子，?代表相關(guān)模型的運(yùn)算符號(hào)。

通過統(tǒng)計(jì)特性相同的角度來看，信道能夠表示為：=()12()12。式中，代表復(fù)高斯矩陣。

在無線通信信道空間中Kronecker相關(guān)模型可以分離發(fā)射端和接收端，從而開辟出一條單獨(dú)的通信鏈路。天線相關(guān)系數(shù)ρ中包含指數(shù)形式、Salz-Winters形式等。

1)指數(shù)形式代表天線和之間的相關(guān)系數(shù)，通常用=|-|表示。式中，代表相關(guān)系數(shù)。

2)Salz-Winters形式是天線i和k之間的相關(guān)系數(shù)，通常被定義如下

(9)

式中，代表指數(shù)形式，代表波達(dá)角；代表天線，代表角度擴(kuò)展，即=2π；代表兩個(gè)天線之間的相鄰距離；所代表波長(zhǎng)。

在方程中，的數(shù)值越小，與方程=|-|越相近。

通過上述步驟建立無線通信信道模型，完成對(duì)無線通信信道的整體分析，為無線通信信道的安全容量控制提供依據(jù)。

3 智能化無線通信信道安全容量控制

利用智能化cluster態(tài)五粒子表示無線通信信道的量子信道，cluster態(tài)五粒子方程為

(10)

式中，代表智能量子信道，1～5代表五粒子。

Alice用作信息發(fā)送方，Bob作為信息接收方，而Cindy作為半忠誠(chéng)的控制方，Cindy在測(cè)量的過程中，它的結(jié)果和測(cè)量行為都是忠誠(chéng)的，不會(huì)出現(xiàn)其它作弊的行為。

1)準(zhǔn)備階段

在無線通信的過程中發(fā)送方Alice優(yōu)化n組的五粒子cluster態(tài)，優(yōu)化后的態(tài)可以定義如下

(11)

式中，(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(=1，2，…，)代表在第組團(tuán)簇態(tài)中的粒子。當(dāng)制備出組團(tuán)簇態(tài)時(shí)，需要制備出數(shù)量和數(shù)量的單光子態(tài)用作誘騙光子放置到兩組粒子序列和中，誘騙光子位置定義如下

(12)

式中，序列的長(zhǎng)度為2；序列的長(zhǎng)度為2+，序列的長(zhǎng)度為+，通過把制備完成對(duì)三組粒子序列發(fā)送到，序列發(fā)送到，自己對(duì)粒子序列進(jìn)行保留。

2)智能化安全檢測(cè)階段

表1 三方參與者的測(cè)量結(jié)果

由Alice對(duì)Bob、Cindy測(cè)量結(jié)果的錯(cuò)誤率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，當(dāng)錯(cuò)誤率小于指定的閾值時(shí)，此時(shí)就是安全的，可以繼續(xù)通信，若高于某個(gè)指定的閾值，就說明通信的過程中存在竊聽行為，應(yīng)該放棄該通信，以防信息外泄。

3)無線通信信道安全容量控制

根據(jù)粒子序列選用的不同基，利用Cindy對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，從而決定信道安全容量，實(shí)現(xiàn)智能化無線通信信道安全容量的控制。

4 結(jié)果及討論

為了驗(yàn)證智能化無線通信信道安全容量控制仿真的整體有效性，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

采用智能化無線通信信道安全容量控制仿真(方法1)、能量收集與協(xié)作網(wǎng)絡(luò)安全容量?jī)?yōu)化技術(shù)(方法2)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)變無線信道仿真(方法3)對(duì)無線通信信道安全容量控制進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

通過上述對(duì)智能化無線通信信道的安全容量進(jìn)行了控制，需要對(duì)控制后的無線通信信道的利用率進(jìn)行有效測(cè)試。對(duì)比三種方法在不同數(shù)據(jù)幀下的信道利用率，具體測(cè)試如圖2所示。

圖2 無線通信信道利用率對(duì)比測(cè)試

根據(jù)圖2中的數(shù)據(jù)可知，方法1在初始測(cè)試時(shí)，信道利用率就要高于方法2和方法3，在后續(xù)過程中方法1的波動(dòng)軌跡也穩(wěn)定上升，直到達(dá)成信道利用率的最高點(diǎn)，由此可見方法1的無線通信信道性能強(qiáng)。

假設(shè)共發(fā)射8個(gè)天線，通過反復(fù)迭代采用方法1、方法2和方法3對(duì)信道容量進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

圖3 不同方法的信道容量對(duì)比測(cè)試

分析圖3中的數(shù)據(jù)可知，方法1、方法2和方法3在最初天線數(shù)量為1時(shí)，它們的信道容量相同，不過隨著天線數(shù)量的增加方法1的信道容量逐漸上升，最終方法1的信道容量達(dá)到最高值，且信道容量要優(yōu)于方法2和方法3。由此所述，方法1的信道容量要高于方法2和方法3，這是因?yàn)榉椒?通過建立模型對(duì)無線通信信道進(jìn)行有效分析，從中獲取了信道信息基礎(chǔ)，進(jìn)而對(duì)信道容量有著顯著的提升。

通過上述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)方法1的信道容量要高于其余兩個(gè)方法，為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上在發(fā)射天線中加入20dB的噪聲，采用三種方法對(duì)加入噪聲后的信道容量進(jìn)行比較，具體實(shí)驗(yàn)如圖4所示。

圖4 信道抗干擾能力測(cè)試

根據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，加入20dB噪聲后，方法1、方法2和方法3的初始信道容量全部有下降，但是方法1從第4個(gè)發(fā)射天線到第八個(gè)時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡迅速上升，且在測(cè)試期間方法1的信道容量依然優(yōu)于方法2和方法3，說明加入噪聲后方法1的信道容量絲毫沒有受到影響。方法2與方法3的初始信道容量依舊相同，但是從運(yùn)動(dòng)軌跡上看，方法2與方法3加入噪聲后信道容量有所降低，且方法2的信道容量在三個(gè)方法中要低于方法1和方法3，由此可見加入噪聲后對(duì)方法2的信道容量影響最大。

5 結(jié)束語

為了有效控制智能化無線通信信道的安全容量，提出智能化無線通信信道安全容量控制方法。通過建立模型分析通信信道，實(shí)現(xiàn)安全容量控制，提升了無線通信信道的實(shí)用效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該方法具有應(yīng)用有效性。利用所提方法控制智能化通信信道容量后，信道利用率高，加入噪聲后信道容量控制效果仍然較優(yōu)。