CN109639325B - 一种基于通信距离的多载波相控通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于通信距离的多载波相控通信方法。该方法通过利用信息在空间介质中的传输时延以实现精确定点的安全无线传输。若接收机被放置在预先设定好的位置上，则能收到正确的信号，而当接收机被放到其他位置，包括任意其他距离或其他角度，则收不到信号或是不能正确解调接收信号，因而不能正常通信。该方法从空间的维度提高了系统的安全性能，从而增强通信网络的抗截获能力。

Description

一种基于通信距离的多载波相控通信方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于通信距离的多载波相控通信方法。

背景技术

物理层安全近几年来已经成为无线通信业界的热点话题，在无线通信领域中，物理层是一个尚未被完全开发的资源，传统安全通信方法依赖于高层的加密机制，而物理层的价值则通常被忽视。近几年国内外研究表明，通过合理的物理层设计便可实现保密认证等安全通信目的。

现有的物理层安全通信技术有：人工噪音技术、波束赋形技术、协作通信技术、以及差异化信道估计技术等。然而，在空间的维度上，现有技术如波束赋形和方向调制等只能实现角度域上的安全通信，当发射机、窃听者和合法接收机位于同一直线上时，将无法实现安全通信。

发明内容

了解决上述问题，本发明提出了一种新的物理层安全系统设计和通信方法，该发明通过发射机预编码，实现在预期位置可以接收到正确的信号，在其他位置处，接收机将检测不到信号或者因为载波相位错乱而收到错误的信号，从而在空间的维度上实现安全通信目的。

本发明的技术方案为：

一种基于通信距离的多载波相控通信方法，定义发送端的位置为极坐标原点(0,0)，对应的合法接收端位置坐标为(r₀,θ₀)，其特征在于：

发送端对将要发送的M路数据的相位进行旋转：对M路数据在发射之前分别乘上复常量ω₀,ω₁,…,ω_M-1，其中

并且

是基于发送端与接收端位置距离r₀的函数，c是电磁波在空气介质中的传播速度，τ_s是系统时延。因此，当接收端位于预期位置(r₀,θ₀)处时，发射端在载波f_i处预编码对用户数据所旋转的相位φ_i(r₀)将与该载波处由传输时延和系统时延而引起的相位旋转

相抵消，接收机将收到相位未经旋转的正确数据；当接收端位于其他位置(r₁,θ₁)处时，并且r₁≠r₀，那么预编码旋转相位φ_i(r₀)将不能与由传输时延和系统时延产生的相位

相互抵消，接收机将接收到相位被旋转过后的错误数据。

进一步的：发射端可以采用：窄波束单天线、相控阵、频控阵和相频混合阵列四种方式之一来控制发射波束，以获取角度域的安全性能。

进一步的：当发射端采用窄波束单天线控制波束时，所有载波承载的数据都经一根天线发射，控制该发射天线指向使其对准θ₀角度处；当发射端采用相控阵控制波束时，相控阵中不同的天线阵元发射相同的信号，该信号为M路待发射信号的叠加，采用波束赋形技术控制相控阵波束使其对准θ₀角度处；当发射端采用频控阵控制波束时，频控阵中不同的天线发射不同的信号，每根天线只发射一路信号，不同载波的信号经过不同的天线发送，并且频控阵中每个天线为窄波束发射天线，控制各个发射天线指向使其对准θ₀角度处。当发射端采用相频混合阵列控制波束时，先将天线阵列分解为M个子阵，每个子阵为相控阵，不同的子阵发射不同的信号，每个子阵只发射一路信号，不同载波的信号经过不同的子阵发送，各个相控子阵采用波束赋形技术控制波束使其对准θ₀角度处。

本发明的有益效果：

可以实现在指定位置处的接收端才能接收到正确信号，而其他位置处的接收端收到错误信号或者接收不到信号的安全通信，从而在空间的维度上增强系统安全通信能力。

附图说明

图1是实施例1基于窄波束高增益天线通信系统实施例框图。

图2是实施例2基于相控阵阵列通信系统实施例框图。

图3是实施例3基于频控阵阵列的通信系统实施例框图。

图4是实施例4基于相频混合阵列的通信系统实施例框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述，以便本领域的技术人员能够更好地理解本发明。

在以下描述中，了方便理解，采用了一些数学符号，所有的图中，相同的符号代表相同的意义。其中符号t表示时间，例如

表示的是一个随时间变化的载波信号。在实施例中，设定载波数量为M，事实上，M可以为任意正整数值。在实施例中，术语“载波”特指由单音正弦信号和与该正弦信号正交的余弦信号结合而成的复载波，用数学符号表达即为e^{j2 πft}，其中j表示纯虚数单位，f是该载波的频率，并将M个载波信号描述为向量

在实施例中，术语“业务数据产生用户”特指数据的合法发送端，术语“业务数据接收用户”特指数据的合法接收端，同时，空间中还存在大量的窃听者。假设这些窃听者的目的为窃听和截获业务数据产生用户所发送的数据。本发明采用极坐标来描述业务数据产生用户、业务数据接收用户、以及窃听者的位置，其中，业务数据产生用户位于极坐标原点(0,0)，而业务数据接收用户位于指定位置(r₀,θ₀)处，窃听者可以位于空间任意位置进行窃听，并且这些位置对业务数据产生用户和业务数据接收用户来说并不可见。

实施例1

如图1所示，为基于窄波束高增益天线通信系统设计实施例。其中“数据”表示在编码及星座图映射等一系列操作之后得到的基带复信号。由于在本发明所述系统实施例中，这些操作与传统通信系统无异，因此在图中将这些操作省去。

定义收发机的M个载波为

载波信号可以通过相同时钟源外加锁相环产生，也可以分两步产生：在数字基带中，先产生载波

其中Δf_i＝f_i-f₀，i＝1,2,…,M-1，再在射频前端进行上变频：

这样产生载波信号由诸多好处，其好处之一则是有利于载波频偏的补偿：若射频f₀发生抖动或偏移，只用在f₀处进行相位偏移估计，然后对所有载波处信号旋转相同的相位进行补偿即可。另外，这样的设计有利于提升系统的安全性：所有的用于帧同步，相位估计的前导码均从载波f₀处发射出去。由于这些前导码完全有可能被窃听者所获知，因此窃听者可以利用这些前导码来进行相位估计与补偿，从而抵消发射端预编码的效果，从而截获到业务数据。然而，由于前导码仅由载波f₀处发射，在其他载波f₁,f₂,…,f_M-1处，窃听者将无法进行类似的相位估计和补偿。

如果业务数据产生用户的本地载波表示为

业务数据产生用户产生M路数据经该M个载波调制后发送，当载波f_i所承载的信号到达业务数据接收用户端时，该路数据的相位将被旋转角度值

该相位旋转是由于发射端信号到达接收端后，其载波相位因为延迟而滞后于接收端载波相位而产生的，其中

是传输时延，c是电磁波在空气介质中的传播速度，τ_s是系统时延，值得注意的是，发射机和接收机由于开机不同步而产生的载波相位差亦可考虑在τ_s中，此时τ_s为发射机开机时间差和系统处理信号时延之和。如果发射机和接收机采用数字载波以及数字调制方式，那么还应该考虑采样定时偏移ξT_s，其中T_s是采样间隙，由于采样定时偏差中ξ是随机量，本专利通过提高接收端的采样率，使得

即使得采样率远高于最大频率偏移，此时由采样定时引起的相位偏差可以忽略不计，即ξ_mT_s≈0。

发射端预编码方式为：对将要发送的M路数据的相位进行旋转：对M路数据在发射之前分别乘上复常量ω₀,ω₁,…,ω_M-1，其中

并且

是基于发送端与接收端位置距离r₀的函数，c是电磁波在空气介质中的传播速度，τ_s是系统时延。因此，当接收端位于预期位置(r₀,θ₀)处时，发射端在载波f_i处预编码对用户数据所旋转的相位φ_i(r₀)将与该载波处由传输时延和系统时延而引起的相位旋转

相抵消，接收机将收到相位未经旋转的正确数据；当接收端位于其他位置(r₁,θ₁)处时，并且r₁≠r₀，那么预编码旋转相位φ_i(r₀)将不能与由传输时延和系统时延产生的相位

相互抵消，接收机将接收到相位被旋转过后的错误数据。

在本实施例中，为了进一步提高系统的安全性能，业务数据产生用户采用窄波束天线，并使其指向业务数据接收用户，使得在角度θ≠θ₀处的窃听者所接收到的信号功率将远小于业务数据接收用户的接收信号功率，从而在角度域上进一步提升系统的安全性能。

实施例2

如图2所示，与实施例1不同的是，发射端通过相控阵而非窄波束天线来控制波束，并将波束指向业务数据接收用户，从而使得在角度θ≠θ₀处的窃听者所接收到的信号功率将远小于业务数据接收用户的接收信号功率。

实施例3

如图3所示，本例基于频控阵阵列的通信系统设计实施例，其中频控阵是这样的一种阵列：其不同的天线阵元用于传输不同载波所承载的信号。其中天线阵元的摆放不局限于均匀线性阵列，设计者可以根据自己的需要采取任意其它的天线摆放形式，也可以根据自身需求来对天线空间位置进行优化。本实施例与传统频控阵发射方式的不同之处在于，天线阵列中每个天线采用窄波束天线，并且控制各个发射天线指向使其对准θ₀角度处。在图3中，频控阵被用于发射端，接收端也可以采用单天线或者天线阵接收即可实现安全通信目的。

本实施例中，采用频控阵将导致发射端DAC数量的增加：每一路载波信号将对应一个DAC，这将会导致发射端功耗的增加。跟单天线设计相比，频控阵的特性在于：不同的载波所承载的信号在空中传输的距离是不同的，即不同阵元发射的信号之间会产生波程差。为了保证角度θ₀处的业务数据接收用户能够收到正确数据，发射端既可以通过控制频控阵法向指向θ₀处，或者通过发射端波程差补偿的方式来消除或者补偿波程差的影响。

本实施例中，系统其余部份的设计，包括发射端预编码，窄波束天线控制波束等方案与实施例1相同。

实施例4

如图4所示，本例为基于相频混合阵列的通信系统设计实施例。下面简称“相频混合阵列”为“混合阵列”。混合阵列是由多个相控阵组成的频控阵。在本实施例中，首先，将N个天线阵元等分成M个子阵，实际上，将N个天线阵元分成M个子阵即可，每个子阵的天线阵元数量不一定相等也是可行的。其中，每个子阵是一个相控阵，使用同一个载波，用于传输一路信号；不同的相控阵使用不同的载波，传输不同的信号，从而实现频分复用。在混合阵列中，天线阵元的摆放不局限于均匀线性阵列，设计者可以根据自己的需要采取任意其它的天线摆放形式，也可以根据自身需求来对天线空间位置进行优化。

本实施例中，各个相控子阵的作用在于利用波束赋形技术，通过改变每个天线阵元的相移来控制波束指向。实际上，相控子阵替代了实施例3中的窄波束天线。使用天线阵列的另一个好处是可以结合一些阵列相关的安全通信技术，例如方向调制等，来进一步获取安全性能。

Claims (6)

1.一种基于通信距离的多载波相控通信方法，定义发送端的位置为极坐标原点(0,0)，对应的合法接收端位置坐标为(r₀,θ₀)，其特征在于：

发送端采用M个载波[f₀,f₁,…,f_M-1]承载M路发射数据，对将要发送的M路数据的相位进行旋转：对M路数据在发射之前分别乘上复常量ω₀,ω₁,…,ω_M-1，其中

i＝0,1,…,M-1，并且

是基于发送端与接收端位置距离r₀的函数，c是电磁波在空气介质中的传播速度，τ_s是系统时延；使得，当接收端位于预期位置(r₀,θ₀)处时，发射端在载波f_i处预编码对用户数据所旋转的相位φ_i(r₀)将与该载波处由传输时延和系统时延而引起的相位旋转

相抵消，接收机将收到相位未经旋转的正确数据；当接收端位于其他位置(r₁,θ₁)处时，并且r₁≠r₀，则预编码旋转相位φ_i(r₀)将不能与由传输时延和系统时延产生的相位

相互抵消，接收机将接收到相位被旋转过后的错误数据。

2.根据权利要求1所述的基于通信距离的多载波相控通信方法，其特征在于：发射端可以采用：窄波束单天线、相控阵、频控阵和相频混合阵列四种方式之一来控制发射波束，以获取角度域的安全性能。

3.根据权利要求2所述的基于通信距离的多载波相控通信方法，其特征在于：

所述发送端采用的发射天线为窄波束天线，并且所有载波承载的数据都经一根天线发射，控制该发射天线指向使其对准θ₀角度处。

4.根据权利要求2所述的基于通信距离的多载波相控通信方法，其特征在于：

相控阵中不同的天线阵元发射相同的信号，该信号为M路待发射信号的叠加，采用波束赋形技术控制相控阵波束使其对准θ₀角度处。

5.根据权利要求2所述的基于通信距离的多载波相控通信方法，其特征在于：

频控阵中不同的天线发射不同的信号，每根天线只发射一路信号，不同载波的信号经过不同的天线发送，并且频控阵中每个天线为窄波束发射天线，控制各个发射天线指向使其对准θ₀角度处。

6.根据权利要求2所述的基于通信距离的多载波相控通信方法，其特征在于：

先将天线阵列分解为M个子阵，每个子阵为相控阵，不同的子阵发射不同的信号，每个子阵只发射一路信号，不同载波的信号经过不同的子阵发送，各个相控子阵采用波束赋形技术控制波束使其对准θ₀角度处。

Images