CN102857280B - 基于四维天线阵的保密通信系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四维天线阵的保密通信系统及其方法，其基本结构包括天线单元、高速射频开关、高精度本振源、功率放大器和开关控制电路等。本发明最大的创新在于通过控制天线阵列中每个阵元（或子阵）的工作时间序列来移动阵列的相位中心，信息的调制在天线端完成，只在特定方向合成需要传输的信号，其余方向不能合成需要传输的信号，可实现QPSK，2PSK，M扩频序列等多种调制方式并且简化发射机结构。相比传统的保密通信方式，此方法提供了一种新型的物理层加密方式，可有效对抗旁瓣方向的窃听接收机。本发明用于无线通信系统中。

Description

基于四维天线阵的保密通信系统及其方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，它特别涉及利用四维天线阵来控制阵列相位中心，从而实现方向调制和保密通信。

背景技术

四维天线阵的概念最初于1959年由美国休斯飞机公司(Hughes AircraftCompany)的Shanks和Bickmore等人提出。将时间变量引入到具有空间三维变化的常规天线阵中就构成了四维天线阵，空间阵元的幅度和相位加权可以通过时间加权的方式实现，从而增加了天线阵的设计自由度，使得时间调制天线阵相对于常规天线阵具有更多的设计优势，例如实现均匀激励下低副瓣、实现多波束和波束扫描等。区别于常规天线阵列，由于四维天线阵的发射信号有其独特的性质，使得四维天线阵存在许多潜在的应用价值，需要去深入研究。

传统无线通信系统中，在发射端，信号经调制、上变频、功率放大后由天线或天线阵辐射出去。空间各方向的辐射信号功率大小不同而携带信息相同。为了实现信息的保密传输，通常使用定向性强的天线。但在通信系统中，天线由于造价或物理尺寸的限制，定向性有限，对于一个灵敏的窃听接收机，即使其处于发射天线的副瓣方向，仍然有可能检测并解调出信息；深圳市中兴通讯股份有限公司在CN1458749中公布了一种通过共享密钥和伪随机数发生器来对信息进行加密和解密的保密通信方式。但如果密钥被窃听者窃取，则密钥加密的保密方式就会失效。

方向调制是一种新的保密通信方式。传输的信息与方向相关：在期望接收机的方向，载波携带信息；在其余方向，载波不携带信息。这样，对于处于天线副瓣方向的一个灵敏的窃听接收机，即使已知信源密钥，也无法正确解调出信息。M.P.Daly在IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,VOL.57,NO.9,SEPTEMBER 2009上发表的题为“directional modulation techniquefor phased array”中介绍了一种基于相控阵的方向调制方法，通过调节各天线单元的移相量，需要传输的调制符号只能在特定角度形成。但是此种方向调制方法需要造价很高的相控阵，对天线阵列和相应移相器的要求很高，不利于工程实用化。Tao Hong在IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS,VOL.10,2011发表的题为“dual-beam directional modulation technique forphysical layer secure communication”中提出了一种利用两个波形相同的天线阵来实行QPSK方向调制的方法。实际应用中，由于阵列间的互耦，两组天线的波形不可能完全一致，并且根据公布的结果，此种方法实现保密通信的能力有限。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供基于四维天线阵的保密通信系统及其方法，具有保密效果好。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种基于四维天线阵的保密通信方法，包括两个及以上的天线子阵，通过控制各个天线子阵的工作时间序列来移动天线阵列的相位中心，信号波形与方向相关，用于实现信号的方向调制，发射的信号在各个方向上的功率大小以及携带的信息各不相同，在期望接收机的方向，合成了需要传输的信息；在未期望接收机的方向上的信号波形发生畸变，使之不含需要传输的信息，用于防止信息被窃取。

作为优选，所述通过控制各个天线子阵的工作时间序列来移动天线阵列的相位中心是：

所述所有天线子阵中的一个开通并运行一段时间后关闭，再开通另一个天线子阵并运行一段时间后再关闭，按照同样的方式相继陆续开通其它天线子阵并运行一段时间后关闭；

上述方案不断的重复，使得天线阵列的相位中心单向移动，相位中心的移动将使辐射的信号将产生多普勒频移，不同方向的接收机将接收到不同多普勒频移的信号。

作为另一种实施方式，上述方案中的一个天线子阵可通过一路天线单元代替。

为了更好的对上述方法的实施：

一种实现上述方法的基于四维天线阵的保密通信系统，包括至少一个天线阵列，所述一个天线阵列包括一个本振源、一个功率放大器和至少两个天线子阵，所述本振源与功率放大器连接，所述功率放大器与所述至少两个天线子阵连接；所述天线子阵与功率放大器之间设置有控制开关，所述控制开关与开关控制电路连接，通过所述控制开关使天线子阵的导通或者关闭，以实现天线阵列中每个天线子阵的工作时间序列来移动天线阵列的相位中心。

为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：

作为优选，所述控制开关为单刀双掷高速射频开关，所述单刀双掷高速射频开关分别与两个天线子阵连接。

作为优选，所述开关控制电路根据需要传输的比特信息控制单刀双掷高速射频开关的导通或者关闭，所述单刀双掷高速射频开关在两个天线子阵中选择一个导通。

作为优选，所述每个天线子阵中的天线都为全向辐射天线。

作为优选，所述传输信息的调制在每个天线子阵的天线端完成。

作为优选，所述一个天线子阵由一路天线单元代替，所述一个天线阵列包括四路天线单元。

作为优选，所述一个天线阵列包括四个天线子阵，所述一个天线子阵由五路天线单元构成，所述每路天线单元上设置有移相器，所述开关控制电路还通过串并转换单元与信号源连接。

本发明还可以是：

作为优选，所述一个天线阵列包括两个天线子阵，所述一个天线子阵由五路天线单元构成，所述每路天线单元上设置有移相器，所述开关控制电路还通过扩频编码电路与信号源连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：

本发明的技术方案中，1）传输的信息与方向相关，只在期望接收机的方向合成了需要传输的信号，实现了物理层的保密通信；

2）发射机系统可以得到简化。QPSK调制由处于空间不同位置的天线子阵的辐射信号叠加而成，信号的调制被搬移到天线端，因此只需要一个本振源即可。而常规QPSK调制需要两个严格正交的本振源，大大简化了发射机系统；

3）可以于常规保密通信技术相融合，方向调制中也应用了M序列扩频调制。

4）将单刀双（多）掷开关引入四维天线阵中，取代吸收型单刀单掷开关，避免了能量损失；

附图说明

为了更清楚的说明本申请文件实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。

图1为本发明中的基于四维天线阵的保密通信系统原理性结构框图，其中（1）是天线阵，（2）是单刀双掷高速射频开关，（3）是高精度本振源，(4）是功率放大器，（5）是开关控制电路；

图2为基于四维天线阵的保密通信系统所采用的开关时序图，其中阴影部分表示开关导通；

图3为基于四维天线阵的保密通信系统在不同角度下相位中心随时间的变化关系；

图4为基于四维天线阵的保密通信系统在不同角度的辐射信号波形；

图5为基于四维天线阵的QPSK调制系统结构框图，其中（1）是天线阵，（3）是高精度本振源，（4）是功率放大器，（5）是开关控制电路，（6）是串并转换单元，（7）是移相器，（8）是单刀双掷高速射频开关；

图6为5单元半波长间距子阵的辐射方向图；

图7为基于四维天线阵的QPSK调制系统同相/正交支路比特信息与导通子阵的对应关系；

图8为基于四维天线阵的QPSK调制系统在不同方向辐射信号的星座图；

图9为基于四维天线阵的QPSK调制系统和常规QPSK调制系统在相同噪声情况下，各角度的接收机误码率；

图10为基于四维天线阵的M序列扩频系统结构框图，其中（1）是天线阵，（3）是高精度本振源，（4）是功率放大器，（5）是开关控制电路，（7）是移相器，（8）是单刀双掷开关，（9）是扩频编码电路；

图11为基于四维天线阵的M序列扩频系统辐射信号的相关值与角度的变化关系；

图12为基于四维天线阵的M序列扩频系统在相同噪声情况下，各角度的接收机误码率。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

采用四维天线阵实现方向调制和保密通信，具有系统结构简单，易于工程实现，保密能力强等优点，是一种新颖的保密通信方式。

本发明通过控制每个天线阵列的工作时间序列来移动天线阵列的相位中心，发射信号的调制在天线端完成，可以实现BPSK，QPSK和M扩频序列等数字信号的调制，信号波形与方向相关，从而实现信号的方向调制。发射的信号在各个方向不仅功率大小存在差异，而且携带的信息也各不相同：在期望接收机的方向，合成了需要传输的信息；在其余方向信号波形发生畸变，不含需要传输的信息，从而不能被旁瓣窃听接收机所窃取。

本发明的基本方案见附图1：

它的基本结构由天线阵列1、高速射频开关2、高精度本振源3、功率放大器4、开关控制电路5等器件组成。一个天线阵列1由一路天线单元构成，天线单元为理想的全向辐射天线，4路天线单元的间距为d=0.5λ,其中λ为发射信号的波长，天线阵列1中的各路天线单元分别用序号A、B、C、D表示，天线阵列1的4路天线单元分别由4个单刀双掷高速射频开关2控制导通与关闭。如图2所示，每一段时间τ内只有一路天线单元在辐射信号，利用单刀双掷高速射频开关2切换实现发射天线相位中心的移动。以单向相位中心移动的时间序列为例，控制开关的导通时间序列如图2所示。对于图1所示的4路天线单元，首先第一路天线单元A开通时间τ，经过一个时间步τ后，第一路天线单元A关闭而第二路天线单元B被开通。第二路天线单元B开通辐射时间τ后，第二路天线单元B关闭而第三路天线单元C开通，然后依次类推。当按如图2所示的开关序列激励此天线阵列时，天线阵列的相位中心单向移动，其相位中心运动的速度为v=d/τ=0.5λ/τ,相位中心的移动将使辐射的信号在θ角度上产生多普勒频移，相临天线单元辐射信号的空间相位差为观察上式可以看出，不同方向的接收机将接收到不同多普勒频移的信号，也就是说，接收机收到的信号与方向相关。

典型角度上的相位中心移动如图3所示：在θ=90°方向，不同天线单元的发射信号之间没有相位的变化，信号没有受到多普勒效应的调制，辐射的波形如图4(a)所示，为一连续正弦波。在θ=60°方向，相临天线单元辐射信号之间的相位差信号受到多普勒效应的调制，辐射的波形如图4(b)所示，在t＝nτ时刻，接收信号发生相位90°突变，这个突变是由于在t＝nτ时刻，激励阵元的瞬时转换引起的。在θ=0°方向，信号受多普勒调制的影响最为明显，相临天线单元辐射信号之间的相位差为辐射的波形如图4(c)所示，在t＝nτ时刻，接收信号发生相位180°突变。

在θ＝60°方向，辐射信号的相位变化为四象，可以利用这四种相位变化在此方向实现QPSK调制。在θ=0°方向，辐射信号的相位变化□为2象，可以在此方向实现2PSK调制或M序列扩频调制等。

我们提供的基本方案主要为原理性说明，在实际应用中可以根据具体情况对此基本方案进行改进

1）为了增强辐射，可将天线单元扩展为天线子阵，并通过移相器等措施将天线子阵的主波束指向期望接收机的方向。

2）根据期望接收机的方向，可以调整天线子阵间的间距d。各个天线子阵之间的相位差为根据期望接收机的方向，调整天线子阵的间距，可以在期望接收机的方向合成调制信号。

3）可根据实际需要扩展天线子阵中各路天线单元的数目或增大天线子阵间的间距。由于各天线子阵辐射信号之间的相位差以2π为周期，合理设计天线子阵中各路天线单元的数目和天线子阵间的间距，可在期望接收机方向使传输的信息不变，其余方向辐射信号的相位差随着天线子阵中各路天线单元的数目的增多或天线子阵间间距的增大而与期望接收机方向的相位差偏移增大，从而在这些方向信号波形畸变更为严重，窃听接收机的解调更加困难，增加保密通信的能力。

本发明将信号的调制由基带搬移到天线端，发射信号经空间传播，在期望接收机方向合成需要的信号，在其余方向不能合成需要信号。

实施例2

基于单刀双掷开关的20天线单元QPSK调制。

将基本方案加以改进，可以构成如参照图5所示QPSK调制系统。本实施例采用20个全向性天线单元构成时间调制天线阵。该发射机系统主要包括天线阵列（1），高精度本振源（3），功率放大器（4），开关控制电路（5），串并转换单元（6），移相器（7）和单刀双掷开关（8）等。各路天线单元为半波长等间距分布，标号为A到T。20个天线单元分成4个子阵，每个天线子阵由5个相临的天线单元构成，天线子阵N由天线单元5(N-1)+1到5N构成(N∈{1,2,3,4})。通过调节移相器7使各天线子阵的主波束指向θ=60°方向，各天线子阵的辐射特性（幅度方向图和相位方向图）均一致，辐射方向图如图6所示。天线子阵501和天线子阵503受左边的单刀双掷开关8控制，天线子阵502和天线子阵504受右边的单刀双掷开关8控制，单刀双掷开关8的导通选择由开关控制电路5控制。

如图5所示，待发送的二进制比特信息S_k(S_k∈{+1,-1},k=1,2,3,4…)通过并串转换电路后分成同相支路I和正交支路Q。同相支路I通过开关控制电路控制左边的单刀双掷开关在天线子阵501或天线子阵503中选择一路导通，正交支路Q通过开关控制电路控制右边的单刀双掷开关8在天线子阵502或天线子阵504中选择一路导通。I/Q支路的比特信息与被导通子阵之间的对应关系如图7所示。如当发送比特信息I=+1，Q=+1时，天线子阵501和子阵502被同时导通，天线子阵501和天线子阵502的发射信号在空间θ=60°方向上存在相位差所以天线子阵501和天线子阵502的合成信号可用复数形式表示为e^jπ/4e^jwt；当发送比特信息I=+1，Q=-1时，天线子阵501和天线子阵504被同时导通，天线子阵501和天线子阵504的发射信号在空间θ=60°方向上存在的相位差为天线子阵501和天线子阵504的合成信号可用复数表示为e^j-π/4e^jwt。在θ＝60°方向发射信号的星座图如图8所示，可见在此方向上实现了QPSK调制，此方向上的期望接收机可以通过标准QPSK解调方式得到发送的信息。在其余方向，各个阵元之间的相位差与θ=60°时的相位差不同，不能形成QPSK调制，图8同样给出了在几个典型方向上合成信号的星座图，在这些方向上信号的星座图发生了扭曲或旋转，处于这些方向的QPSK接收机的误码率会大大增加。图9给出了在信噪比为12dB的情况下，各个方向的接收机误码率。图9同样给出了采用图6所示的方向图及相同信噪比的情况下，常规QPSK调制下各个方向的接收机的误码率。可以看到相比于常规QPSK发射系统，基于四维天线阵的QPSK方向调制系统在偏离θ=60°方向后，接收机的误码率迅速上升，信息只能在θ=60°附近很窄范围内传输，实现了信息的保密通信。

在本实施例中，我们将基本方案中的4路天线单元四维天线阵发射阵列扩充为4个天线子阵，并采用特定的开关时序实现了特定方向的QPSK调制。由于调制在天线端完成，发射机仅仅需要一个本振源，不需要两个严格正交的本振源，大大简化了系统结构。

实施例3

基于单刀双掷开关的10路天线单元M序列调制。

本实施例将基于四维天线阵的方向调制与扩频通信相结合，在θ=60°方向发射M=7的扩频序列。发射机的结构框图参照图10。该发射机结构包括天线阵列（1），高精度本振源（3），功率放大器（4），开关控制电路（5），移相器（7），单刀双掷开关（8），扩频编码电路（9）。天线阵列由相距为半波长的10路天线单元全向性天线构成，10个天线单元分为2个天线子阵，每个天线子阵由相临的5个天线单元组成。天线子阵的主波束指向θ=60°方向，且2个天线子阵的辐射特性完全相同，方向图仍如图6所示。天线子阵的空间间距d=0.5λ×5,在θ=60°方向两个天线子阵的辐射信号相位相差为了实现M序列调制，调节天线子阵102的移相器7，使其滞后天线子阵这样天线子阵101和天线子阵102辐射信号在θ=60°的相位差为空间相位差和移相器的移相相位差之和两个天线子阵的发射信号相位相反。因此在此方向，利用天线子阵101和天线子阵102交替发射，可以实现M序列扩频调制。

二进制比特信息S_k(S_k∈{+1,-1},k=1,2,3,4…)以比特率R_b进入扩频编码电路，编码电路采用M=7的扩频码[+1,-1,-1,+1,+1,+1,-1]对二进制比特信息S_k进行扩频。当S_k=+1时，编码电路的输出结果为S=[+1,-1,-1,+1,+1,+1,-1]，当S_k=-1时，编码电路的输出结果为S=[-1,+1,+1,-1,-1,-1,+1]，编码后码率变为原始信息的7倍。编码后的信息通过控制电路控制单刀双掷开关在2个天线子阵中选择，当S=+1时，子阵1被导通，当S=-1时子阵2被导通。扩频调制在θ=60°方向由于空间相差而自动合成，在其余方向，由于两个天线子阵的空间相差不同于θ=60°时的相差，不能合成扩频调制，处于这些方向上的窃听接收机解调能力受到影响，误码率增高。图11给出了在不同方向，辐射信号与M序列的相关值，在偏离θ=60°方向上，信号的星座图发生旋转，与M序列的相关值降低，接收机的误码率显著上升，图12给出了在信噪比为0dB的情况下，不同方向接收机的误码率，在θ=60°方向，接收机的无码率最低，偏离此方向后接收机的误码率逐渐上升，期望接收机只有处于θ=60°附近时才有可能解调出信息实现了M序列扩频调制的保密通信。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1）传输的信息与方向相关，只在期望接收机的方向合成了需要传输的信号，实现了物理层的保密通信。

2）发射机系统可以得到简化。如实施例1所示，QPSK调制由处于空间不同位置的天线子阵的辐射信号叠加而成，信号的调制被搬移到天线端，因此只需要一个本振源即可。而常规QPSK调制需要两个严格正交的本振源，大大简化了发射机系统。

3）可以于常规保密通信技术相融合，如实施例2所示，方向调制中也应用了M序列扩频调制。

4）如实施例1和实施例2所示，将单刀双（多）掷开关引入四维天线阵中，取代吸收型单刀单掷开关，避免了能量损失。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (6)

1.一种基于四维天线阵的保密通信方法，其特征在于，包括两个及以上的天线子阵，通过控制所述天线子阵中的一个开通并运行一段时间后关闭，再开通另一个天线子阵并运行一段时间后再关闭，按照同样的方式相继陆续开通其它天线子阵并运行一段时间后关闭；上述方案在信号发射周期内不断的重复，使得天线阵列的相位中心单向移动，相位中心的移动将使辐射的信号将产生多普勒频移，不同方向的接收机将接收到不同多普勒频移的信号；信号波形与方向相关，发射的信号在各个方向上的功率大小以及携带的信息各不相同，在期望接收机的方向，合成了需要传输的信息；在未期望接收机的方向上的信号波形发生畸变，使之不含需要传输的信息，用于防止信息被窃取。

2.根据权利要求1所述的基于四维天线阵的保密通信方法，其特征在于，所述权利要求1中的天线子阵通过一路天线单元代替。

3.一种实现如权利要求1所述方法的基于四维天线阵的保密通信系统，其特征在于，包括至少一个天线阵列，所述一个天线阵列包括一个本振源、一个功率放大器和至少两个天线子阵，所述本振源与功率放大器连接，所述功率放大器与所述至少两个天线子阵连接；所述天线子阵与功率放大器之间设置有控制开关，所述控制开关与开关控制电路连接，通过所述控制开关使天线子阵的导通或者关闭，以实现天线阵列中每个天线子阵的工作时间序列来移动天线阵列的相位中心。

4.根据权利要求3所述的基于四维天线阵的保密通信系统，其特征在于，所述控制开关为单刀双掷高速射频开关，所述单刀双掷高速射频开关分别与两个天线子阵连接。

5.根据权利要求4所述的基于四维天线阵的保密通信系统，其特征在于，所述开关控制电路根据需要传输的比特信息控制单刀双掷高速射频开关的导通或者关闭，所述单刀双掷高速射频开关在两个天线子阵中选择一个导通。

6.根据权利要求5所述的基于四维天线阵的保密通信系统，其特征在于，所述每个天线子阵中的天线都为全向辐射天线。