CN105119641A - 一种保密通信方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种保密通信方法，包括：发出信源需要传输的数据的信息序列；将信息序列调制为中频数字相位通信信号；将中频数字相位通信信号上变频，生成射频信号；将射频信号滤波，滤除边带信号；将经过滤波后的射频信号进行放大；随机选择M根位置连续的阵元作为发射天线，发射所述经过放大后的射频信号。本发明能够保证波束指向方向信号正常的同时动态扰乱其他方向的信号星座点，增加非通信方向的窃听者截获信号的难度，同时发射机前端与传统发射机保持兼容一致，不需要额外发射功率的消耗。本发明还公开了一种保密通信系统。

Description

一种保密通信方法及系统
技术领域
本发明涉及保密通信技术领域，尤其涉及一种保密通信方法及系统。
背景技术
目前，传统定向保密通信通常使用基于密钥的加密技术，但随着窃密计算能力的提高，密钥技术是可以被破解的，尤其近年来量子计算机的问世给基于密钥的传统保密通信系统带来了更为严重的安全威胁。
传统定向通信系统利用阵列天线通过波束形成增强期望方向信噪比，降低非通信方向信噪比来提高通信安全性，但是这种方法在通信的各个方向上的信号仅存在信噪比的差异，信号格式并没有改变，窃听者如果使用高灵敏度的接收机仍旧可以截获有效信息。
一些方向调制技术从物理层的角度提高了定向通信的安全性：使得信号在期望方向上正常，在其他方向上发生扰乱和畸变。例如：AydinBabakhani在文献《Anear-fieldmodulationtechniqueusingantennareflectorswitching》中提出利用反射器和偶极子天线可以实现一种发射方向相关的信号，在期望方向保持信号星座点正常在其他方向星座发生扭曲。电子科技大学杨仕文在专利CN102857280A中公布了一种利用四维阵实现方向调制的发射机，通过切换不同的阵列组合，在远场区域特定方向形成正常的星座点，而在其他方向上形成不规则的星座点。以上两种定向通信保密技术所造成的非主瓣方向信号发生的扭曲是固定的，产生的保密效果非常有限。DingYuan在《AVectorApproachfortheAnalysisandSynthesisofDirectionalModulationTransmitters》一文中利用人工噪声的思想提出了一种基于向量分析的定向保密通信方法，可以动态扰乱非期望方向的星座点，但是保密的提升的代价是浪费了额外的发射功率，在一些功率受限系统中很显然是不适用的。
综上所述，现有技术的缺点为：在某个固定非期望方向，信号的星座点产生的畸变是固定的，窃听者仍然可以识别出信号的调制方式，对安全性能的提升非常有限；信号的调制在射频端，与目前主流发射机结构有很大差异，不利于发射机的升级改造；信号的扰乱作用需要发射机消耗额外功率，在一些功率受限通信系统很明显是不适用的。
发明内容
本发明提供了一种保密通信方法，采用了一种与通信信号相关的射频天线切换方法，使得保证波束指向方向信号正常的同时动态扰乱其他方向的信号星座点，非期望方向上的星座点的扰乱作用是动态的，进而增加非通信方向的窃听者截获信号的难度。同时为了与传统发射机兼容，方便传统发射机升级为保密通信发射机，采用传统的二次变频调制，传统发射机进行改造时只需附加具有射频开关的阵列天线和控制设备。
本发明提供了一种保密通信方法，包括：
发出信源需要传输的数据的信息序列；
将所述信息序列调制为中频数字相位通信信号；
将所述中频数字相位通信信号上变频，生成射频信号；
将所述射频信号滤波，滤除边带信号；
将经过滤波后的射频信号进行放大；
每发送一个符号，随机选择M根位置连续的阵元作为发射天线，发射所述经过放大后的射频信号。
优选地，所述将所述信息序列调制为中频数字相位通信信号具体为：
通过I、Q调制模块将所述信息序列映射为中频数字相位通信信号。
优选地，所述将所述中频数字相位通信信号上变频，生成射频信号具体为：
通过上变频器将所述中频数字相位通信信号与本振产生的射频载频相乘，生成射频信号。
一种保密通信系统，包括：
信息序列模块：用于发出信源需要传输的数据的信息序列；
调制模块，用于将所述信息序列调制为中频数字相位通信信号；
本振，用于产生射频载波；
上变频模块，用于将所述中频数字相位通信信号与本振产生的射频载频相乘，生成射频信号；
滤波器，用于将所述射频信号滤波，滤除边带信号；
功率放大器，用于将经过滤波后的射频信号进行放大；
控制器，用于每发送一个符号，控制射频开关组合随机选择M根位置连续的阵元作为发射天线；
数字移相器，用于调整波束指向；
相控阵天线，用于通过数字移相器形成不同指向的发射波束，发射所述经过放大后的射频信号。
优选地，所述控制器为现场可编程门阵列处理器或复杂可编程逻辑处理器。
优选地，所述调制模块为I、Q调制模块，所述I、Q调制模块将所述信息序列映射为中频数字相位通信信号。
优选地，所述相控阵天线采用均匀直线阵，阵元个数为N，阵元间距为d。
由上述方案可知，本发明提供的一种保密通信方法，通过将发出的信源需要传输的数据的信息序列调制为中频数字相位通信信号，然后再将中频数字相位通信信号上变频，生成射频信号，然后将射频信号进行滤波和放大处理，最后再通过随机选择M根位置连续的阵元作为发射天线发射经过放大后的射频信号。采用了一种与通信信号相关的射频天线切换方法，使得保证波束指向方向信号正常的同时动态扰乱其他方向的信号星座点，非期望方向上的星座点的扰乱作用是动态的，进而增加非通信方向的窃听者截获信号的难度。同时为了与传统发射机兼容，方便传统发射机升级为保密通信发射机，采用传统的二次变频调制，传统发射机进行改造时只需附加具有射频开关的阵列天线和控制设备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种保密通信方法的流程图；
图2为本发明实施例公开的一种保密通信系统的结构示意图；
图3为本发明公开的QPSK正常星座图；
图4为本发明公开的天线阵元位置示意图；
图5a为本发明公开的在方位角为89度接收载波的无噪星座图；
图5b为本发明公开的在方位角为90度接收载波的无噪星座图；
图5c为本发明公开的在方位角为110度接收载波的无噪星座图；
图6a为本发明公开的在方位角为89度接收载波的含有噪声的星座图；
图6b为本发明公开的在方位角为90度接收载波的含有噪声的星座图；
图6c为本发明公开的在方位角为110度接收载波的含有噪声的星座图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的保密通信方法的实施条件是通信信号使用PSK(数字相位调制)信号，PSK调制是无线通信中应用广泛的数字载波调制技术，通过载波相位信息携带发送符号信息，常用的有BPSK、QPSK、8PSK等，分别表示二进制、四进制和八进制调制。如图3所示，以QPSK为例，可以使用{45°,135°,225°,315°}四个相位分别表示{11,01,00,10}四个符号，接收机通过判断信号星座点的相位来解调出相应的符号。
如图1所示，为本发明公开的一种保密通信方法，包括：
S101、发出信源需要传输的数据的信息序列；
S102、将信息序列调制为中频数字相位通信信号；
S103、将中频数字相位通信信号上变频，生成射频信号；
S104、将射频信号滤波，滤除边带信号；
S105、将经过滤波后的射频信号进行放大；
S106、每发送一个符号，随机选择M根位置连续的阵元作为发射天线，发射所述经过放大后的射频信号。
具体的，上述实施例的工作原理为：当需要进行保密通信时，设置移相器的数值，完成波束指向，以后的操作步骤以波束指向为θ0＝90°作为标准，后面描述的方位角θ在波束指向不为90°时表示为θ-θ0+90°。
设在第k个符号选择的连续M根阵元最左面的一根位置为Lk，Lk可能取值为0,1,2,3,…,N-M，示意如图4，当发送第一个符号时选择N个阵元中最左面位置连续的M根阵元作为发射天线即L0＝0。
发送第k个符号时信息序列比特流经过I、Q调制为中频PSK通信信号，信号可以表示为ejψ(k)，其中ψ(k)为携带信息的载波相位；
将中频信号进行上变频为射频信号；将射频信号经过带通滤波器，滤除边带信号；
将经过滤波后输出的射频信号通过功率放大器进行放大，输出的射频信号可以表示为s(k)＝ρ(θ)ejψ(k)，其中ρ(θ)为与方位角有关的幅度值；
通过发送射频开关，每发送一个符号随机选择位置连续的M根阵元作为发射用天线，每次切换可供选择的可能有N-M+1个，天线每切换一次远场载波由于到达波程不断变化，其相位也会表现出变化，例如Lk＝5，发送的符号与第一时刻发送的符号相同时，两种情况下电波传播的距离相差为(Lk-L0)dcosθ＝5dcosθ，那么相位就会相差一般而言，位于方位角θ的接收机接收到的信号可以表示为y(k,θ)＝ρ(θ)ejψ(k)+jΔψ(k)，其中Δψ(k)是因为天线运动产生的远场载波相位变化
为了更好的对本发明进行说明，下面以发射天线为均匀直线阵，阵元间距为载波波长的一半，阵元个数为50，发送信号采用QPSK调制方式，波束指向为90°。每发送一个符号，随机选择位置连续的10根阵元作为发射用天线为例对本发明进行详细的介绍。
由于，每发送一个符号，随机选择位置连续的10根阵元作为发射用天线那么每种符号对应41种选择，选择某种可能的概率是相等的。
例如当连续发送10个“11”的符号，根据星座点映射关系，载波的相位表示为45°的信号s(k),k＝0,1,2,…,9。如果发送10个符号时依次选择阵列天线位置L0＝0、L1＝1、L2＝2、L3＝3、L4＝4、L5＝5、L6＝6、L7＝7、L8＝8、L9＝9，那么方位角为80°的在远场区域，窃听者接收的载波产生的相位扰动Δψ(k)，k＝0,1,2…,9分别为0°、31.3°、62.5、93.7°、125.0、156.3°、187.5°、218.8°、250.1°、281.3°，与原始载波相位45°相加后窃听者接收到的载波相位为45°、76.3°、107.5°、138.7°、170.0°、201.3°、232.5°、263.8°、295.1°、326.3°，而10个原始信息相位均为45°，1个星座点变为了10个星座点，因此窃听者接收到的相位信息发生了严重扰乱，无法正常解调信号。
而在90°方位角的信号相位扰动Δψ(k)，k＝0,1,2…,9均为0，接收到的载波相位仍为45°，合法接收者可以正常解调出信息符号。
当发送2000个随机生成的QPSK符号，在方位角为89度、90度、110度三个方向信号的无噪声星座图的仿真结果分别如图5a、图5b、图5c所示。
位于非期望方向的非法接收机接收到的星座图不再是QPSK标准星座图，星座点和信息不能实现一对一映射，因此窃听者无法通过识别载波相位解调出发送符号。
当90度方位角信噪比为20dB，所有方向均含有相同功率谱密度的高斯加性噪声时，在方位角为89度、90度、110度三个方向信号的含有噪声星座图的仿真结果分别如图6a、6b、6c所示。
由于噪声的影响，窃听者接收信号星座点变为圆环，窃听者根本无法解调出发送符号，这样就实现了保密通信。
如图2所示，为本发明公开的一种保密通信系统，包括：信息序列模块1，调制模块2，上变频模块3，本振4，滤波器5，功率放大器6，控制器7，射频开关组合8，数字移相器9和相控阵天线10；其中：
信息序列模块1，用于发出信源需要传输的数据的信息序列；
调制模块2，用于将所述信息序列调制为中频数字相位通信信号；
本振4，用于产生射频载波；
上变频模块3，用于将所述中频数字相位通信信号与本振产生的射频载频相乘，生成射频信号；
滤波器5，用于将所述射频信号滤波，滤除边带信号；
功率放大器6，用于将经过滤波后的射频信号进行放大；
控制器7，用于每发送一个符号，控制射频开关组合8随机选择M根位置连续的阵元作为发射天线；
数字移相器9，用于调整波束指向；
相控阵天线10，用于通过数字移相器9形成不同指向的发射波束，发射所述经过放大后的射频信号。
具体的，上述的控制器9可为现场可编程门阵列处理器或复杂可编程逻辑处理器。
具体的，上述的调制模块2可为I、Q调制模块，I、Q调制模块将所述信息序列映射为中频数字相位通信信号。
综上所述，本发明保密通信的机制是利用阵列天线的不断切换造成非期望方向的波程差变化，并非利用人工噪声原理，因此不需要额外的功率消耗，节省了发射机能量；同时，发射机先在中频完成正交调制，然后进行上变频至射频端，信号的调制部分与传统发射机相同，因此可以很好的与目前传统发射机进行兼容；同时，本发明对非期望方向的扰乱作用体现在相位的扰乱，与一般方向调制技术相比这种扰乱是动态的、多样的，因此保密效果更好。
本实施例方法所述的功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算设备可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备(可以是个人计算机，服务器，移动计算设备或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
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或相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种保密通信方法，其特征在于，包括：
发出信源需要传输的数据的信息序列；
将所述信息序列调制为中频数字相位通信信号；
将所述中频数字相位通信信号上变频，生成射频信号；
将所述射频信号滤波，滤除边带信号；
将经过滤波后的射频信号进行放大；
每发送一个符号，随机选择M根位置连续的阵元作为发射天线，发射所述经过放大后的射频信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述信息序列调制为中频数字相位通信信号具体为：
通过I、Q调制模块将所述信息序列映射为中频数字相位通信信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所述中频数字相位通信信号上变频，生成射频信号具体为：
通过上变频器将所述中频数字相位通信信号与本振产生的射频载频相乘，生成射频信号。
4.一种保密通信系统，其特征在于，包括：
信息序列模块，用于发出信源需要传输的数据的信息序列；
调制模块，用于将所述信息序列调制为中频数字相位通信信号；
本振，用于产生射频载波；
上变频模块，用于将所述中频数字相位通信信号与本振产生的射频载频相乘，生成射频信号；
滤波器，用于将所述射频信号滤波，滤除边带信号；
功率放大器，用于将经过滤波后的射频信号进行放大；
控制器，用于每发送一个符号，控制射频开关组合随机选择M根位置连续的阵元作为发射天线；
数字移相器，用于调整波束指向；
相控阵天线，用于通过数字移相器形成不同指向的发射波束，发射所述经过放大后的射频信号。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述控制器为现场可编程门阵列处理器或复杂可编程逻辑处理器。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述调制模块为I、Q调制模块，所述I、Q调制模块将所述信息序列映射为中频数字相位通信信号。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述相控阵天线采用均匀直线阵，阵元个数为N，阵元间距为d。
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