无线通信中补充的一些小东西
1、对数域与线性域
\(\quad\)经常能看到各种各样的单位类似于dBm、dBW、W、mW、dB，其实可以理解为就是换了量纲。
（1）dB其实是一个相对单位，比如说描述功率扩大了多少，或者缩小了多少，例如：功率原来为P0，现在把功率扩大100000000倍设为P1，用dB表示的话就是\(10\lg(\cfrac{P1}{P0}) = 80dB\)，就相当于把一大串0表示为了一个数字。在路径损耗或者信道增益（两者互为倒数）中，就经常看到路径损耗为多少多少dB，其实就是描述了p_tx与p_rx之间的相对关系了，因为路径损耗等于发射功率p_tx / 接收功率p_rx，放在\(10lg(\cfrac{p_{tx}}{p_{rx}})\)里就是dB了。路径损失\(10\lg(\cfrac{p_{tx}}{p_{rx}}) = 10lg2 = 3dB\)，所以说3dB就相当于损失了一倍；反过来信道增益\(10\lg(\cfrac{p_{rx}}{p_{tx}}) = 10lg2 = 3dB\)说明3dB就相当于扩大了一倍。
（2）首先dBm和dBw与mw和w是有关系的，\(x(dBm) = 10\lg \cfrac{y(mW)}{1(mW)}\)以及\(x(dBW) = 10\lg \cfrac{y(W)}{1(W)}\)，就相当于是y对于参考功率1W或者1mW有多大，就可以理解为功率的绝对值，1W = 30dBm = 0dBW。例如，发射功率p_tx = 10dBm，p_rx = 30dBm，那么如何用dB描述相对关系呢？答案是直接相减p_rx - p_tx = 20dB，3dB相当于扩大了一倍，这20dB也就是说相当于扩大了接近7倍，还有可能在疑惑为什么dBm相减是dB，看公式dB = 10lgP1 - 10lgP2，dbm = 10lgP1 - 10lg(1mw) = 10lgP1 - 0，是不是就相当于是dB公式中的被减数了，同理dBW相减也是dB。
（3）还有就是在论文的代码里，经常会把对数数字(dB)转化为线性数字进行计算，\(x(dB) = 10\lg(y)\)，其中x就是对数数字，单位是dB，y是线性数字，可以理解为没有单位，其实就是把对数去掉罢了。
（4）还有就是有个约定，对于功率增益：\(h = 10lg(\cfrac{p_0}{p_1})\)，对于电流电压增益：\(h = 20lg(\cfrac{p_0}{p_1})\)，这个2主要来自于电流电压与功率的公式上\(P = UI = I^2R = \cfrac{U^2}{R}\)，网上有人说有时候来也用电流电压（振幅、信号幅度）增益描述信号强
度，而且论文代码里也用了20lg。
2、感知范围与通信范围
\(\quad\) 以无人机基站（UAV-BS）与地面设备（GT）通信为例，无人机基站的感知范围通常 > 覆盖范围。覆盖范围可以理解为UAV-BS能够与GT建立有效服务链接的范围；感知范围可以理解为无人机UAV-BS知道有GT的存在，但是不一定能建立有效的服务链接，因为可能超出了它的覆盖范围。
3、无线通信中的Resources block（RBs）
\(\quad\)在无线通信领域，"Resource Block"（资源块）是一个重要的概念，尤其是在4G LTE（长期演进）和5G等先进的移动通信系统中。资源块是无线频谱的基本分配单元，用于组织和管理无线电频率资源。具体来说：资源块是由一定数量的连续子载波（在频率上）和一定数量的连续时隙（在时间上）组成的。它是无线通信系统中分配给用户设备（如智能手机、平板电脑等）的基本资源单位。在LTE和5G系统中，资源块是用来分配数据传输的。系统会根据用户的数据需求和无线环境的条件，动态地分配一定数量的资源块给每个用户设备。通过对资源块的灵活分配，无线通信系统能够更有效地管理频谱资源，提高数据传输效率，同时减少干扰。资源块的概念使得多用户可以同时使用相同的频谱资源，但被分配到不同的资源块，从而实现多用户接入。（chatgpt的回答）
4、无线通信中的公式中的功率、幅度
\(\quad\) \(p = \cfrac{u^2}{R}\)，一般考虑单位电阻，因此\(p=u^2\), 电压\(u=\sqrt{p}\)，一般来说信号幅度都认为等于电压幅度。
5、信道的衰落
- 小尺度衰落：特指多径效应造成的衰落，瑞利衰落是小尺度衰落的一种，考虑了多径效应对信号造成了乘性干扰，假设小尺度衰落系数为\(h(t)\)，那么接收信号就是\(r(t) = h(t)s(t) + n(t)\)。
- 大尺度衰落：路径损耗和阴影衰落。
6、协方差矩阵
\(\quad\)在无线通信中，协方差矩阵用来描述信号向量各个分量之间线性关系的统计度量：
- 对角线上的元素表示各个信号分量的功率（即方差），在这种情况下，表示各个反射元素发射的信号功率。
- 非对角线上的元素表示不同信号分量之间的协方差，即它们之间的线性依赖关系。
对于一个单一信号源，其协方差矩阵Q的维度通常与信号源的维度一致。例如，如果一个发射机发射一个由三个不同频率分量组成的信号，其协方差矩阵就会是一个3×3的矩阵。
\(tr(Q)\)就是信号的发射功率。
7、香农容量（信道容量）
\(\quad\)SISO中，香农容量公式为：$$C = \log(1+\cfrac{S}{N})$$
\(\quad\)在MIMO中，信道系数h也成了信道矩阵H，其中H的每个元素\(h_{ij}\)表示第\(j\)个发射天线到第\(i\)个接收天线的信道增益，信道矩阵可以包含所有的多径效应、衰落和其他信道特性。发送信号协方差矩阵Q通常是对角化的，其中对角线元素表示各个发送天线的发射功率，非对角线元素表示不同发送天线间的相关性。如果发送天线间的信号是独立的，那么协方差矩阵就是对角矩阵。对于一个具有T个发送天线和R个接收天线的MIMO系统，香农容量的计算公式为：
其中H是RxT信道矩阵，表示从发送天线到接收天线的信道响应，可以类比于下图的G；Q是TxT的发送信号的协方差矩阵，表示各个发送天线上信号的功率分布和相互关系；\(N_0\)是噪声功率谱密度；\(I_R\)是RxR单位矩阵，表示接收端的噪声影响。
参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/377356965
8、信道状态信息CSI
\(\quad\) CSI提供了关于信道传播特性的详细信息，如信道增益、路径损耗、相位变化、多径效应等，这些信息对于实现物理层的安全通信机制至关重要。它的作用包括：
- 密钥生成：物理层安全中的一种方法是利用信道本身的特性来生成密钥。由于无线信道的随机性和时变性，同一地点的不同用户经历的信道特性是独特的。通过测量CSI，通信双方可以生成高度相关的信道特征数据，进而提取出共享的秘密密钥，而窃听者由于处于不同的位置，其测量到的CSI将与通信双方有显著差异，难以获取相同的密钥。
- 安全增强：CSI可以用来评估信道的不对称性和独特性，这对于检测和防御中间人攻击等安全威胁非常重要。例如，通过分析CSI的时间变化和空间特性，可以判断当前通信环境是否存在未授权的设备或潜在的安全威胁。
- 窃听者检测：利用CSI的独特性，可以设计算法来检测和识别潜在的窃听者。如果检测到的信道特性与预期存在显著差异，系统可以采取措施如调整传输策略或中断通信，以防止数据泄露。
- 适应性传输策略：通过实时获取CSI，通信系统可以根据信道条件的变化动态调整传输策略，如调制和编码方案，以最大化数据传输的安全性和效率。在存在潜在安全威胁的情况下，系统甚至可以选择更加安全的传输路径或频段。
\(\quad\)总而言之，CSI在物理层安全中的应用提供了一种从根本上增强无线通信安全的方法。通过利用信道的固有特性，可以在不依赖传统加密算法的情况下，实现数据传输的保密性、完整性和认证。
9、物理层安全
\(\quad\)物理层安全传输策略主要有两类，一类是上述的窃听编码、波束成形、人工噪声和中继协作干扰等计数，另一类是基于物理层的密钥加密方法。
