CN106385271A - 一种基于频控阵的安全通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于频控阵的安全通信方法及系统，其方法包括步骤：(1)产生扩频码；(2)对所述扩频码扩频得到发射阵元序列和子阵序号；(3)在每个阵元上加入相位偏移，并进行调制；(4)接收端采用相关器对接收到的信号进行解扩、解调；(5)对经过解扩后的信号进行判决，并计算误码率。本发明通过将扩频码的自相关特性引入到基于频控阵的方向调制中，频控阵相对于相控阵而言，在各阵元上附加了一个远小于载频的频偏，在波束上可以实现角度和距离上的双重控制，在角度和距离上提升了精度，即缩小了接收端的可解调范围，因此，基于频控阵的方向调制技术可以实现更高精度的物理层安全通信。

Description

一种基于频控阵的安全通信方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，涉及多天线阵列的方向调制及扩频技术，适用于利用频控阵进行安全通信。

背景技术

传统的无线通信发射机都是在基带实现数字通信信息的调制，然后上变频到射频，调制射频信号经过放大器激励发射天线或天线阵辐射通信信息。需要注意的是以这种方式发射的无线通信信号，窃听接收机在旁瓣中接收信号包含的信息与主瓣期望接收机接收信号相同，唯一的不同之处在于接收信号的信噪比不同，如果窃听接收机足够的灵敏同样可以从接收信号中解调出有用的通信信息。

当前基于相控阵的方向调制技术是通过在各阵元序列输出端的移相器引入新的相位偏移，在射频端完成数字信息的调制功能。在这种调制方式下，接收端接收到的星座图形状依赖于接收机的方位，除了期望接收机的方向，其他方位上接收到的信号星座图会在幅度和相位上畸变，导致通信误码性能恶化甚至无法解调出任何有用的通信信息，但是当窃听接收机和期望接收机处于同样的方向上，不同的距离位置上也可以接收到同样的信息，安全通信则不复存在。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于频控阵的方向调制，在此基础上加入扩频技术，在各阵元上附加了一个远小于载频的频偏，在波束上可以实现角度和距离上的双重控制，因此，基于频控阵的方向调制技术可以实现更高精度的物理层安全通信。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于频控阵的安全通信方法，包括以下步骤：

(1)产生扩频码；

(2)对所述扩频码扩频得到发射阵元序列和子阵序号；

(3)在每个发射阵元上加入相位偏移，并进行调制；

(4)接收端采用相关器对接收到的信号进行解扩、解调；

(5)对经过解扩后的信号进行判决，并计算误码率。

本发明的有益效果是：本发明通过将扩频码的自相关特性引入到基于频控阵的方向调制中，频控阵相对于相控阵而言，在各发射阵元上附加了一个远小于载频的频偏，在波束上可以实现角度和距离上的双重控制，在角度和距离上提升了精度，即缩小了接收端的可解调范围，因此，基于频控阵的方向调制技术可以实现更高精度的物理层安全通信。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤(1)中扩频码选用平衡gold码。

进一步，所述步骤(2)中的对所述扩频码扩频得到发射阵元序列和子阵序号，其具体过程为：选用长度为N的扩频码p(N)，每发送一个BPSK符号，都会被扩展成N个码元p(i)，每个码元p(i)由采用阵元数目为M的子阵发送，每个子阵序号的波束方向都是指向目标接收机处，每个码元p(i)对应的子阵序号为gsn(i)，子阵序号由如下公式可得：

p(1)＝1,gsn(1)＝1；p(1)＝-1,gsn(1)＝2

gsn(i)＝gsn(i-1)+(3+p(i)p(i-1))/2,i≥2

对于第i个序列对，发送信号阵元序列esn(i,m)为：

esn(i,m)＝gsn(i)*M+m,m＝1,2,…,M

其中，p(i)为第i个码元，gsn(i)为第i个码元所对应的子阵序号，M为每个子阵包含的阵元个数，m为子阵中的第m个天线。

进一步，所述步骤(3)中的在每个发射阵元上加入相位偏移，所述相位偏移公式为：

phase(i,m)＝π[esn(i,m)-1]*[2Δfr₀/c-sin(θ₀)]+π[gsn(i)-1]

其中，esn(i,m)为天线序号，Δf为频控阵的频率增量，r₀、θ₀为期望接收机相对于参考阵元的距离和方位角，c为光速，gsn(i)为第i个码元所对应的子阵序号，

在接收机的位置(θ,r)所接收到的第i个码片的调制信号为：

$r\left(t\right)=b_n\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{e}^{j\[\left(esn\right(i,m)-1)\mathrm{\π}\left(\sin \right(\mathrm{\θ})-2\mathrm{\Δ}fr/c)+phase(i,m)\]}{e}^{j2\mathrm{\π}ft}$

其中，b_n表示第n个比特，c为光速，m为子阵中的第m个天线，θ为接收机相对参考阵元的方位角，r为接收机相对参考阵元的径向距离，esn(i,m)、phase(i,m)分表表示第n个比特的第i个扩频码元对应的子阵中的第m个阵元和该阵元所加的相位偏移量，f为阵列的载波频率。

进一步，所述步骤(4)中的接收端对接收到的信号先经过下变频，将经过下变频后的连续的N比特数据与扩频序列p₂(N)相关运算进行解扩；码元同步后进行序列对的解扩，其中扩频序列为：

p₂(i)＝exp^{jπ[gsn(i)-1]},i＝1,2,…N

其中，gsn(i)是由发送端所确定的发射子阵序号。

进一步，所述步骤(5)中的对经过解扩后的信号进行判决，进行误码率的计算，其具体过程为：

根据解扩后的符号正负进行判决，若符号为正，则判断接收到的比特为1；若符号为负，则判断接收到的比特为0，将判决后的比特与阵列发送的比特b_n行比对，并累加错误比特数，计算误码率。

本发明还提供了一种基于频控阵的安全通信系统，包括

扩频码产生单元：用于产生扩频码；

扩频单元：用于对所述扩频码扩频得到发射阵元序列和子阵序号；

调制单元：用于在每个发射阵元上加入相位偏移，并进行调制；

解扩解调单元：用于接收端采用相关器对接收到的信号进行解扩、解调；

判决单元：用于对经过解扩后的信号进行判决，并计算误码率。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明频控阵阵列模型示意图；

图3为本发明采用的长度为7的扩频码的自相关曲线；

图4为本发明采用的长度为31的扩频码的自相关曲线；

图5为在方向维度上，长度分别为7、31和63的扩频码的系统误码率；

图6为在距离维度上，长度分别为7、31和63的扩频码的系统误码率；

图7为本发明系统框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的目的在于在相控阵的安全通信上实现更高的精度，提出了一种适用于频控阵的方向调制，在此基础上加入扩频技术，实现了在角度和距离上高精度的安全通信。

如图1、图2所示，本发明提供了一种基于频控阵的安全通信方法，包括以下步骤：

(1)产生扩频码,扩频码为自相关性优良、且互相关性较小的序列对，其中，扩频码选用平衡gold码，扩频码长可以为7、31或63。

(2)对扩频码扩频得到发射阵元序列和子阵序号；

假设选用长度为N的扩频码p(N)，每发送一个BPSK符号，都会被扩展成N个码元，每个码元由采用子阵阵元数目为M的阵列发送，每个子阵的波束方向都是指向目标接收机处，每个码元p(i)对应的子阵序号为gsn(i)。

子阵序号由如下公式可得：

p(1)＝1,gsn(1)＝1；p(1)＝-1,gsn(1)＝2

gsn(i)＝gsn(i-1)+(3+p(i)p(i-1))/2,i≥2

对于第i个序列对，发送信号阵元序列esn(i,m)为：

esn(i,m)＝gsn(i)*M+m,m＝1,2,…,M

其中，gsn(i)为第i个码元所对应的子阵序号，M为每个子阵包含的阵元个数，m为子阵中的第m个天线。

(3)在每个发射阵元上加入相位偏移，并进行调制；

为了能够在期望接收机位置产生稳定的星座图信息，每个阵元加入额外的相位偏移为

phase(i,m)＝π[esn(i,m)-1]*[2Δfr₀/c-sin(θ₀)]+π[gsn(i)-1]

其中，esn(i,m)为天线序号，Δf为频控阵的频率增量，r₀、θ₀为期望接收机相对于参考阵元的距离和方位角，c为光速，gsn(i)为第i个码元所对应的子阵序号，

因此在接收机的位置(θ,r)所接收到的第i个码片的调制信号为：

$r\left(t\right)=b_n\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{e}^{j\[\left(esn\right(i,m)-1)\mathrm{\π}\left(\sin \right(\mathrm{\θ})-2\mathrm{\Δ}fr/c)+phase(i,m)\]}{e}^{j2\mathrm{\π}ft}$

其中，b_n表示第n个比特，(θ,r)为接收机的位置，esn(i,m)、phase(i,m)分表表示第n个比特的第i个扩频码元对应的子阵中的第m个阵元和该阵元所加的相位偏移量，f为阵列的载波频率。

而在期望接收机位置(θ₀,r₀)，信号为

r(t)＝b_nMe^{jπ[gsn(i)-1]}e^j2πft

其中，b_n表示第n个比特，M为子阵的天线数目，gsn(i)为第n个比特扩频后第i个码片对应的子阵序号，f为阵列的载波频率。

(4)接收端采用相关器对接收到的信号进行解扩、解调；

在接收端对接收到的信号先经过下变频，将经过下变频后连续的N比特数据与扩频序列p₂(N)相关运算进行解扩；码元同步后进行序列对的解扩，其中扩频序列为：

p₂(i)＝exp^{jπ[gsn(i)-1]},i＝1,2,…N

其中，gsn(i)是由发送端所确定的发射子阵序号。

(5)对经过解扩后的信号进行判决，并计算误码率。

根据解扩后的符号正负进行判决，若符号为正，则判断接收到的比特为1；若符号为负，则判断接收到的比特为0，将判决后的比特与阵列发送的比特b_n行比对，并累加错误比特数，计算误码率。

在本实施例中，选用平衡gold码作为扩频码，扩频码长分别为7、31和63，频控阵每个子阵序列的阵元序列数目为4，频控阵的参考阵元序列载频f₀＝10GHz阵元序列间距d＝λ/2，λ为参考阵元序列载频对应的波长，频率增量Δf＝15kHz，目标接收机位置(40°,100km)。

本发明通过将扩频码的自相关特性引入到基于频控阵的方向调制中，如图3、图4所示，图3为本发明采用长度为7的扩频码的自相关曲线；图4为本发明采用长度为31的扩频码的自相关曲线；本发明采用基于频控阵的方向调制技术，在调制中引入扩频码使得可解调方位角和距离上更聚集。如图5、图6所示，图5为在方向维度上，长度分别为7、31和63的扩频码的系统误码率；图6为在距离维度上，长度分别为7、31和63的扩频码的系统误码率；从图中可看出在方向维度和距离维度上提升了精度，即缩小了接收端的可解调范围，可以看出在期望接收机对应的方位角θ₀和距离r₀上误码率最低，而随着方向和距离的偏移误码率逐渐增加，通过比较不同长度的扩频码可知，我们可以通过控制扩频序列长度来控制信号的可解调方位角和距离维的范围，比较不同码长的解调范围，验证安全通信理论，如表1所示。

	角度解调范围	距离解调范围
			N＝7	42.3°-37.8°＝4.5°	100.3-99.7＝0.6km
N＝31	40.4°-39.6°＝0.8°	100.06-99.94＝0.12km
			N＝63	40.2°-39.8°＝0.4°	100.03-99.97＝0.06km

表1

图7为本发明系统框图，序列对依次经过扩频和方向调制，再经过阵元序列发射和信道的传输，在接收端通过相关器来进行解扩解调，最后通过判决器来判断发送符号。

其具体为一种基于频控阵的安全通信系统，包括

扩频码产生单元：用于产生扩频码；

扩频单元：用于对所述扩频码扩频得到发射阵元序列和子阵序号；

调制单元：用于在每个发射阵元上加入相位偏移，并进行调制；

解扩解调单元：用于接收端采用相关器对接收到的信号进行解扩、解调；

判决单元：用于对经过解扩后的信号进行判决，并计算误码率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于频控阵的安全通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)产生扩频码；

(2)对所述扩频码扩频得到发射阵元序列和子阵序号；

(3)在每个发射阵元上加入相位偏移，并进行调制；

(4)接收端采用相关器对接收到的信号进行解扩、解调；

(5)对经过解扩后的信号进行判决，并计算误码率。

2.根据权利要求1所述的基于频控阵的安全通信方法，其特征在于，所述步骤(1)中扩频码选用平衡gold码。

3.根据权利要求2所述的基于频控阵的安全通信方法，其特征在于，所述步骤(2)中的对所述扩频码扩频得到发射阵元序列和子阵序号，其具体过程为：

选用长度为N的扩频码p(N)，每发送一个BPSK符号，都会被扩展成N个码元p(i)，每个码元p(i)由采用阵元数目为M的子阵发送，每个子阵序号的波束方向都是指向目标接收机处，每个码元p(i)对应的子阵序号为gsn(i)，所述子阵序号gsn(i)由如下公式可得：

p(1)＝1,gsn(1)＝1；p(1)＝-1,gsn(1)＝2

gsn(i)＝gsn(i-1)+(3+p(i)p(i-1))/2,i≥2

对于第i个序列对，发送信号阵元序列esn(i,m)为：

esn(i,m)＝gsn(i)*M+m,m＝1,2,…,M

其中，p(i)为第i个码元，gsn(i)为第i个码元所对应的子阵序号，M为每个子阵包含的阵元个数，m为子阵中的第m个天线。

4.根据权利要求3所述的基于频控阵的安全通信方法，其特征在于，所述步骤(3)中的在每个发射阵元上加入相位偏移，所述相位偏移公式为：

phase(i,m)＝π[esn(i,m)-1]*[2Δfr₀/c-sin(θ₀)]+π[gsn(i)-1]

其中，esn(i,m)为天线序号，Δf为频控阵的频率增量，r₀、和θ₀为期望接收机相对于参考阵元的距离和方位角，c为光速，gsn(i)为第i个码元所对应的子阵序号，

在接收机的位置(θ,r)所接收到的第i个码片的调制信号为：

$r\left(t\right)=b_n\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{e}^{j\[\left(esn\right(i,m)-1)\mathrm{\π}\left(\sin \right(\mathrm{\θ})-2\mathrm{\Δ}fr/c)+phase(i,m)\]}{e}^{j2\mathrm{\π}ft}$

其中，b_n表示第n个比特，c为光速，m为子阵中的第m个天线，θ为接收机相对参考阵元的方位角，r为接收机相对参考阵元的径向距离，esn(i,m)、phase(i,m)分别表示第n个比特的第i个扩频码元对应的子阵中的第m个阵元和该阵元所加的相位偏移量，f为阵列的载波频率。

5.根据权利要求4所述的基于频控阵的安全通信方法，其特征在于，所述步骤(4)中的接收端采用相关器对接收到的信号进行解扩、解调前先经过下变频，将经过下变频后的连续的N比特数据与扩频序列p₂(N)相关运算进行解扩，码元同步后进行序列对的解扩，其中扩频序列为：

p₂(i)＝exp^{jπ[gsn(i)-1]},i＝1,2,…N

其中，gsn(i)是由发送端所确定的发射子阵序号。

6.根据权利要求5所述的基于频控阵的安全通信方法，其特征在于，所述步骤(5)中的对经过解扩后的信号进行判决，并计算误码率，其具体过程为：

根据解扩后的符号正负进行判决，若符号为正，则判断接收到的比特为1；若符号为负，则判断接收到的比特为0，将判决后的比特与阵列发送的比特b_n进行比对，并累加错误比特数，进行误码率的计算。

7.一种基于频控阵的安全通信系统，其特征在于，包括

扩频码产生单元：用于产生扩频码；

扩频单元：用于对所述扩频码扩频得到发射阵元序列和子阵序号；

调制单元：用于在每个发射阵元上加入相位偏移，并进行调制；

解扩解调单元：用于接收端采用相关器对接收到的信号进行解扩、解调；

判决单元：用于对经过解扩后的信号进行判决，并计算误码率。