CN110493777B

CN110493777B - 一种基于四维天线阵的多目标保密通信系统

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Publication number: CN110493777B
Application number: CN201910815202.4A
Authority: CN
Inventors: 杨鹏; 曾前伟; 赵瑞; 杨峰; 杨仕文; 胡俊
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2020-07-17
Anticipated expiration: 2039-08-30
Also published as: CN110493777A

Abstract

本发明提出一种基于四维天线阵的多目标物理层保密通信系统。其基本结构包括天线单元、移相器、高速射频开关、开关控制模块、功分器、混频器、高精度本振源以及基带信号生成模块。本发明的最大创新在于通过优化设计系统天线单元控制时序，使得天线阵辐射的不同谐波方向图指向不同的目标用户，从而实现多目标的保密通信。本发明系统中的控制时序调制频率f_p远小于通信信号带宽B，降低了对高速射频开关性能的要求，并且提高了通信带宽。本发明用于无线通信系统，特别是对保密性要求较高的高速率通信系统。

Description

一种基于四维天线阵的多目标保密通信系统

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别涉及基于四维天线阵的多目标、高速率保密通信系统。

背景技术

四维天线阵是将时间作为第四维变量引入传统天线阵列之中，增加了天线阵列设计的自由度，使其具有很多特殊的优势。1961年，Shanks发现周期性时间调制阵列的多谐波特性，利用不同谐波方向图覆盖空域的不同，实现波束的快速扫描。1963年，Kummer等人将时间调制技术应用于一个X波段8单元波导缝隙阵中，在单元等幅同相激励条件下实验测试获得了-40dB的低副瓣。四维天线阵能够通过等效的时间加权，在低幅度动态比的情况下，实现传统阵列难以达到的低副瓣特性。另外，通过控制四维天线阵元间的相对时延，也能在无移相器的情况下实现波束扫描，大大简化了传统相控阵系统结构的复杂性。

方向调制是实现保密通信的方式之一。在2009年，Michael P.Daly等人提出了基于相控阵的方向调制技术，这种调制技术的传输信息在射频端进行。在期望传输角度，对于不同的传输符号，采用不同的加权，使其在这个角度能有正确的传输信号星座图，而在其他角度方向使星座图产生畸变。这种方向调制技术码元传输速率与权重切换速率直接相关，由于硬件设备的限制，速率不可能提高。另外，在其他窃听机可能存在的角度，研究信号的变化特性，也有可能存在信息被窃取的风险。2011年，T.Hong等人提出了基于切换天线阵的方向调制技术，从本质上来说，这种方法是通过扩频编码使信号频谱分布在更大的带宽内。2014年，Quanjiang Zhu等人提出了基于四维天线阵的方向调制技术，研究了运用思维天线阵发射AM信号的相关特性，但是文中方法时序简单，只能够实现单目标的保密通信。2018年，Chao Sun等人运用四维反向阵列来实现保密通信，尽管这个方法能够实现多目标的保密通信，但是该方法需要用户不停地向反向阵列发射信号。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于四维天线阵的多目标保密通信系统。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于四维天线阵的多目标保密通信系统，其主要思想是借助于四维天线阵由于周期性时间调制产生的多谐波方向图特性，在期望目标用户方向传输正确的信息信号，而在其他方向使天线辐射信号产生畸变。

作为优选方式，基于四维天线阵的多目标保密通信系统应包含两个前提条件：第一是周期性通断的高速射频开关的对信号的调制频率f_p小于发射基带信号的带宽B，使不同谐波信号频谱产生混叠；第二是在目标用户方向，除了利用的谐波信号频谱外，应尽量地抑制其他谐波频谱的产生，以确保发射信号频谱的纯净；而在其他非目标用户角度，应存在两个及两个以上频谱信号能量强度相当的谐波分量存在，利用不同谐波的混叠使信号产生畸变。

作为优选方式，基于四维天线阵的多目标保密通信系统，其实现的关键在于控制时序的设计，必要的情况下可以结合优化算法进行优化，以得到最合适的辐射阵列方向图。

为了更好地实施上述方法，实现上述基于四维天线阵的多目标保密通信的系统，携带信息的基带信号先由基带信号生成模块生成，然后与高精度本振源产生的载波信号通过混频器上变频为射频信号，接着射频信号通过功分器分成多路信号，各路信号分别通过由开关控制模块控制的高速射频开关进行时间调制，然后通过微波功率放大模块来增加发射功率以及移相器来精确控制波束指向，最后通过天线单元辐射到自然空间中。

作为优选方式，对于不同数量的目标用户通信场景，应选取不同的控制时序，如单极性矩形脉冲时序、双极性矩形脉冲时序等。

作为优选方式，所述传输信息的调制在基带进行完成，与传统方式相同，目的在于使信号码元速率不受射频开关速率的约束。传统的加密编码、扩频编码等方式在本系统中仍然适合。

作为优选方式，利用不同的谐波，能够同时实现一个及一个以上的目标用户保密通信。

本发明的核心内容是借助于四维天线阵多谐波特性，根据需要的目标方向图，通过优化算法设计出最优的控制时序。以实现在期望目标用户方向传输正确的信息信号，而在其他方向使天线辐射信号产生畸变。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)借助于四维天线阵多谐波特性，根据应用需求，可以实现多个目标角度域的物理层保密通信；2)传统基于相控阵的保密通信信号调制通常在射频端完成，本发明将射频调制替换成基带调制，使信号传输码元速率不受射频开关速率的约束，提高了通信速率，降低了对射频开关的要求；3)提高了通信带宽。

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是本发明系统结构图；

图2是本发明的一些相关控制时序模型图；

图3是图2所示时序模型对应的硬件拓扑结构图；

图4是目标位于-53°和24°时优化得到的四维天线阵频域方向图；

图5是实施例中四维天线阵列发射的原始图片；

图6是为位于[-53°,24°,10°,60°]的四台接收机，以f₀-f_p为中心频率对接收到的信号进行下变频，解调出来的图片；

图7是对应图6情况下，接收信号误码率随角度变化的关系曲线；

图8是为位于[-53°,24°,10°,60°]的四台接收机，以f₀+f_p为中心频率对接收到的信号进行下变频，解调出来的图片；

图9是对应图8情况下，接收信号误码率随角度变化的关系曲线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

为了更清楚地说明本发明的实施方式，我们首先介绍几种常见的射频开关控制时序及其相关特性，如附图2所示。附图2(a)为双极性时序，这种时序存在两种不同的状态，+1和-1，其对应的射频开关拓扑结构如附图3(a)所示，可用一位的数字移相器实现。双极性时序馈电网络能量利用效率为100％。双极性时序可以实现谐波分量强度高于中心频带信号强度，适用于利用谐波分量进行信息传输的无线通信系统。附图2(b)为单极性时序，这种时序存在两种不同的状态，+1和0，状态+1表示开关与天线连接，状态0表示开关与匹配负载连接，其对应的吸收型射频开关拓扑结构如附图3(b)所示。由于吸收型匹配负载的存在，单极性时序馈电网络能量利用效率小于100％，存在能量损失。一般情况下，单极性时序实现中心频带信号强度高于谐波分量强度，适用于利用中心频带方向图进行信息传输的无线通信系统。附图2(c)为双极性归零时序，这种时序存在三种不同的状态，+1、-1和0，其对应的射频开关拓扑结构如附图3(c)所示。双极性归零时序是上述两种时序的折中，具有上述两种时序的特点。仅介绍上面三种时序并不代表本发明仅可采用这三种时序，其他改进的如二进制编码时序、加权余弦时序、梯形时序等等同样适合于本发明。

为了简化说明四维天线阵实现点对多点保密通信所需满足的约束条件及相关原理而不失一般性，我们以具有N个天线单元的均匀线阵为例进行说明。当相邻天线单元间距为d时，四维天线阵信号辐射模型可以表示为：

将周期性控制时序函数g_n(t)展开成傅里叶级数形式得到

将式(2)带入到(1)中，则阵因子还可以表示成

其中μ_q(θ)为为第q阶谐波边带阵因子：

对式(3)做傅里叶变换，得到辐射信号频域表达式：

为了简化模型，我们考虑这样的一种无线通信场景，存在两个目标用户(用户1和用户2)，方位角度分别为θ_-1和θ₊₁。我们把q＝-1阶边带作为用户1的信息载体，把q＝+1阶边带作为用户2的信息载体。窃听者可能存在于所有非目标用户所在的角度。

在射频开关调制频率fp小于传输信息带宽B时，即f_p＜B，为了能够正确解调出传输信号，阵列辐射方向图需满足约束条件：

下面我们对具体的时序优化流程进行介绍。

对于双目标用户的应用场景，我们选取如附图2(a)所示的双极性时序作为天线单元控制时序。优化边量有移相器相移值

处于+1状态的持续时间τ_n以及时延t_n(n＝1,…,N)。

适应度函数选取为：

其中SLL-₁和SLL₊₁分别表示-1边带和+1边带方向图副瓣电平，

和

表示-1边带和+1边带期望波束指向。

当

时，我们运用上述方法优化得到附图4所示的频域辐射方向图。另外，我们以附图5所示的图片以1MHz的码元速率进行编码传输，对本系统性能进行了仿真验证。射频开关速率设置为20KHz，其远小于传输信号带宽。附图6为位于[-53°,24°,10°,60°]的四台接收机，以f₀-f_p为中心频率对接收到的信号进行下变频，解调出来的图片，可以看到在-53°的接收机能够正确解调出所发射的图片信息，而在其他角度解调出来的图片均有一定的模糊。附图7对应着这种情况下的误码率随角度关系曲线。当我们以f₀+f_p为中心频率对接收到的信号进行下变频，解调出来的图片如附图8所示。附图9为该种情况下，误码率随角度关系曲线。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种基于四维天线阵的多目标保密通信系统，其特征在于由基带信号生成模块生成所需传输的基带信号与高精度本振源产生的载波信号通过混频器生成携带信息的射频信号，接着射频信号通过功分器分成多路信号，各路信号分别通过合理设计开关控制模块中的时间序列来控制高速射频开关进行时间调制，然后通过微波功率放大模块来增加发射功率以及经过相位优化的移相器来精确控制波束指向，天线阵能够实现辐射的谐波方向图指向多个目标用户；通信系统预先知道目标用户所处空间角度域，而不知道非法窃听者所在方位信息，使得在目标用户方向能够正确解调出发射信号，而在其他非目标用户角度方向，辐射的信号发生畸变，并且通信系统的通信带宽不受开关调制频率的约束，从而在低速率控制开关下实现高速率保密通信。

2.根据权利要求1所述的基于四维天线阵的多目标保密通信系统，其特征在于射频开关存在直接导通(状态+1)，断开(状态0)和移相180°(状态-1)三种状态。

3.根据权利要求1所述的基于四维天线阵的多目标保密通信系统，其特征在于基带信号生成模块不仅包含传统的数字信号调制功能，还具备其它加密编码方式作为补充。

4.根据权利要求1所述的基于四维天线阵的多目标保密通信系统，其特征在于控制天线单元状态的时序具有小于发射信号带宽B的调制频率fp，使不同谐波信号频谱产生混叠。

5.根据权利要求1所述的基于四维天线阵的多目标保密通信系统，其特征在于四维天线阵辐射方向图满足：

1)、在目标用户方向，除了利用的谐波信号频谱外，应尽量地抑制其他谐波频谱的产生，以确保发射信号频谱的纯净；

2)、在其他非目标用户角度，应存在两个及两个以上频谱信号能量强度相当的谐波分量存在，利用不同谐波的混叠使信号产生畸变。