CN110890908B - 一种基于四维天线阵的预调制保密通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于预调制四维天线阵的保密通信系统，该系统包括，四维波控模块、预调制器、发射机、功分器、四维收发组件、天线单元以及连接各部分的光纤和电缆。其中四维波控模块由时序判决模块、时序生成电路以及驱动器组成；四维收发组件主要由高速射频开关，混频器等可以实现时间调制的模块和移相器、放大器组成；所述的系统能够调控副瓣范围内的平均辐射功率，降低辐射信号被非法接收机接收到的概率。同时，预调制发射信号，能够使得信号能在期望方向上被期望接收机正常接收解调。本发明还公开了一种基于预调制四维天线阵的保密通信方法,该方法集合了四维天线阵方向调制技术与波束形成技术，能够极大提升通信系统的物理层保密性能。

Description

一种基于四维天线阵的预调制保密通信系统及方法

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，涉及无线通信领域，具体来说是结合了四维天线阵与波束形成技术设计了一种新型物理层保密通信系统及方法，可用于要求较高保密性能与波束形成灵活性的保密通信系统。

背景技术

1963年，美国学者Kummer等人提出了时间调制天线阵的概念：通过随时间变化对天线状态不断改变，可以在“时间”维控制天线的辐射孔径尺寸。时间调制天线阵列即属于四维天线阵的一种。四维天线阵列采用高速射频开关、高速幅相调制器、混频器等按照预定的工作时序控制每个单元的工作状态，使天线阵的辐射状态随时间变化，即具有时间调制特性，从而大大增加天线阵的设计自由度。四维天线阵在方向调制与赋形波束方面很有优势，已经取得诸多成果。近年来，四维天线阵的工程应用研究日益受到重视。目前已有关于四维天线阵在同时多波束扫描、保密通信、低截获概率雷达等应用的文献报道。作为一种设计灵活性很强的新型阵列天线，四维天线在雷达与通信领域具有非常大的应用空间与潜在优势。

传统无线通信系统中，天线将信号在自由空间中辐射出去，不同方向上的辐射信号仅仅只有幅度不同，导致信号容易被非法接收机窃听。因此，为防止窃听，相关领域的众多学者提出了很多实现保密通信的方法。

在公开号为CN 105553641 A的专利中，一种混沌保密通信方法及保密通信系统被提出。该系统采用混沌掩盖技术，选用了大功率的混沌掩盖信号掩盖了混沌键控信号。但该系统在工作之前需要与合法接收机进行握手，确定工作协议、工作模式以及工作模式的选择策略。如果非法接收机窃取了该系统的工作协议、模式等，则该系统的保密系统将会大打折扣。

在公开号为CN 109996231 A的专利中，一种多天线系统中的保密通信方法被提出。该方法结合空调调制技术，利用在空间调制技术中未选择的天线发射干扰信号，而合法接收机已知发射有用信息的天线序号，从而可以正常恢复、解调出信号。而非法接收机因为预先不知道有用天线的序号，很难将干扰从接收到的信号中分离开，因此难以恢复出正确信息。但该方法需要合法接收机预先收到关于有用天线序列的信息。如果非法接收机窃取了有用天线序列的信息，或者是通过其他算法猜测到，那该方法的保密性能也将急剧降低。

在公开号为CN 102857280 A的专利中，基于四维天线阵的保密通信系统及其方法被提出。该方法结合四维天线阵方向调制技术，使得消息信号在期望方向上不被时间调制，而在非期望方向上被时间调制。当信号带宽大于时间调制频率时，由于混叠效应，发射在非期望方向上的信号难以被非法接收机解调，从而实现保密通信。但该方法为了保证期望方向上的信号不受调制，导致了副瓣上的平均辐射功率难以调控。事实上，该方法通常都会导致较高的副瓣辐射功率，此时非法接收机更容易截获到副瓣上辐射的信号，然后再通过最大似然估计法等方法猜测到时序，最终非法接收机可以轻易解调该方向上的信号。考虑到四维阵的高自由度，如果能去掉期望方向上不受时间调制的约束条件，压低副瓣范围的平均辐射功率或者在对应角度产生平均辐射功率方向图零深，并解决期望方向上受调制信号的合法接收机解调问题，就能在不影响通信性能的情况下，进一步提高保密性能。

面对以上应用需求，本发明公开了一种基于预调制四维天线阵的保密通信系统及方法，通过解放时序设计自由度，从而调控副瓣范围内的平均辐射功率，降低辐射信号被非法接收机接收到的概率。此外，预调制发射信号，能够使得信号能在期望方向上被期望接收机正常接收解调。该方法集合了四维天线阵方向调制技术与波束形成技术，能够极大提升通信系统的保密性能。

发明内容

本发明鉴于上述背景而实现，克服了现有技术的不足，提出了基于四维天线阵的预调制保密通信系统及方法，有效提高了通信系统的物理层保密通信能力。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案。考虑一个N单元的四维天线阵，其时域辐射场可以表示为

式中f₀为载波频率，N表示天线单元的个数，U_k(t)表示开关函数，α_k表示第k个单元的激励相位，β表示自由空间的波数(通常可设置β＝2π/λ，λ表示自由空间的波长)，d表示相邻两个单元的间距，θ表示角度方向，t表示时间，e表示自然底数，j表示虚数单位。

当U_k(t)被考虑为周期函数时，则四维天线阵辐射场可以在频域上展开为：

其中，

式中a_mk表示第k号单元在第m阶边带的等效复激励，包括幅度项和相位项，f_p表示时序信号的调制频率，T_p表示时序信号的调制周期，t_k表示导通起始时间，τ_k表示导通持续时间。

假设h(t)为信号预调制信号，则其可以表示为

式中，θ₀表示期望接收机所在的方向(一般为主辐射方向)。

假设s(t)为待发射的信息信号，则携带信号的四维天线阵辐射场为

在期望方向上(θ＝θ₀)的辐射信号可以化简为

观察上式可知，经过预调制后，四维天线阵在期望方向上发射信号并未畸变，期望接收机能够正常接收。而在非期望方向上，s(t)由于受到h(t)与E(θ,t)的双重调制，所以当信息信号带宽大于调制频率(B>f_p)时，发生混叠效应，难以解调。

此外，四维天线阵的平均辐射功率可以表示为

观察上式可知，四维天线阵平均辐射功率包含了所有辐射边带以及中心频率辐射的功率。因此，平均辐射功率可以通过优化综合时序U_k(t)及静态幅度加权来对平均辐射功率P(θ)进行调控。

基于上述原理，本发明公开了一种基于四维天线阵的预调制保密通信系统，它包括，四维波控模块、预调制器、发射机、功分器、四维收发组件、天线单元以及连接各部分的光纤和电缆；四维波控模块与预调制器及各四维收发组件相连接，预调制器还与发射机连接，功分器与各个单元的四维收发组件相连接，各四维收发组件再与各自对应的天线单元相连接；其中，四维波控模块由时序判决模块、时序生成电路以及驱动器组成；时序判决模块决定使用的时序策略，时序生成电路生成时序，驱动器将时序及静态加权信息传递至各四维收发组件及预调制器；四维收发组件主要由高速射频开关，混频器等可以实现时间调制的模块和移相器、放大器组成；发射机主要由上变频器，放大器等组成，主要用来将预调制后的信号上变频并放大后输出；预调制器用来接收波控信息并产生预调制信号，并用产生的预调制信号来调制输入的信息信号。

基于上述原理，本发明还公开了一种基于四维天线阵的预调制保密通信方法，其包括以下步骤：

(1)根据预发射信息信号带宽，决定四维天线阵时间调制频率；

(2)以最大副瓣辐射功率或具体某个方向处辐射功率为目标函数，利用优化算法优化出满足要求的时序及静态加权；

其中，Θ_sidelobe表示归一化平均辐射功率方向图的副瓣区域，w₀、w₁和w₂是相应的加权系数，θ_desired和θ_undesired分别表示期望方向与不期望方向，t_k表示第k个单元开关闭合起始时刻，τ_k表示第k个单元的开关持续时间，A_k表示第k个单元的静态激励幅度。

(3)根据天线有源方向图及优化出的时序和静态加权，生成预调制信号h(t)；

(4)将信息信号经由预调制信号调制后，经过发射机上变频、放大后进入功分器；

(5)功分器将射频信号分流进入各四维收发组件，由四维收发组件对信号进行调制，最后再经由各天线单元将信号辐射出去；

由于采用了预调制，解放了时序设计自由度，下一个周期可以重新优化出一组时序与幅度加权配置并重复上述过程。这样，在合法接收机在期望方向上就能正常接收信息信号，而非法接收机在非期望方向上，不仅接收到信号的功率非常低，而且信号还是混叠的，难以鉴定、解调。此外，由于每个周期可以采用不同的时序和幅度加权优化结果，从而显著提高发射信号在非期望方向上的随机性。最终，高的信号随机性将使得非法接收机更加难以猜测到我方时序并解调信号。

附图说明

图1为基于四维天线阵的预调制保密通信系统结构示意图。该系统包括，四维波控模块、预调制器，功分器、四维收发组件、天线单元以及连接各部分的光纤和电缆。其中四维波控模块由时序判决模块、时序生成电路以及驱动器组成。四维收发组件主要由高速射频开关，混频器等可以实现时间调制的模块和移相器、放大器组成；

图2为预发射的信息信号示意图；

图3为低平均辐射功率副瓣的优化时序示意图(黑色代表开关导通，白色表示开关断开)；

图4为低平均辐射功率副瓣的优化幅度加权示意图；

图5为传统保密通信时序示意图；

图6为传统保密通信时序的中心频率及前两个边带频率归一化方向图，可以发现，在非0度方向上存在时间调制影响；

图7为低平均副瓣优化时序的中心频率及前两个边带频率归一化方向图，可以发现，在所有方向上均存在时间调制效果；

图8为传统保密通信时序的平均辐射功率方向图，从图中可知，传统保密通信时序的副瓣较高，容易被非法接收机接收到辐射的信号，从而用先进的信号处理方法猜测出时序并解调；

图9为低平均副瓣优化时序的平均辐射功率方向图，从图中可以发现，该时序调制下，副瓣辐射功率较低，能够有效防止非法接收机接收到发射的信号，从而采用先进的信号处理方法猜测出时序并解调；

图10为传统保密通信时序调制下，位于0,30,45,60度方向上的发射信号波形示意图，可以发现，在部分混叠方向上，发射信号发生了失真，在30度方向上，信号几乎不失真；

图11为低平均副瓣时序调制下，位于0,30,45,60度方向上的发射信号波形示意图，从图中可以发现，在0度方向上，由于受到预调制，即便发射信号受到了时间调制，也保持了原始信号的特征，未发生失真；而在其他方向上，由于受到了时间调制，发射信号波形发生了严重失真；

图12为45度方向上对平均辐射功率方向图置零深的优化时序示意图(黑色代表开关导通，白色表示开关断开)；

图13为45度方向上对平均辐射功率方向图置零深的优化幅度加权示意图；

图14为零深时序的中心频率及前两个边带频率归一化方向图；图中可以发现，在45度方向上具有零深；

图15为零深时序的平均辐射功率方向图；从图中可以发现，在45度方向上具有零深，能够很好地防止该方向上的非法接收机接收我方信号；

图16为零深时序调制下，位于0,30,45,60度方向上的发射信号波形示意图；从图中可以发现，在0度方向上，由于受到预调制，即便发射信号受到了时间调制，也保持了原始信号的特征，未发生失真；而在其他方向上，由于受到了时间调制，无法被接收机正常解调；

具体实施方案

实施例由8个均匀排布的天线单元组成，单元间距为半个波长。图1给出了基于四维天线阵的预调制保密通信系统结构示意图。该系统包括，四维波控模块、预调制器，发射机、功分器、四维收发组件、天线单元以及连接各部分的光纤和电缆。四维波控模块与预调制器及各四维收发组件相连接，预调制器还与发射机连接，功分器与各个单元的四维收发组件相连接，各四维收发组件再与各自对应的天线单元相连接。其中，四维波控模块由时序判决模块、时序生成电路以及驱动器组成；时序判决模块决定使用的时序策略，时序生成电路生成时序，驱动器将时序及静态加权信息传递至各四维收发组件及预调制器。四维收发组件主要由高速射频开关，混频器等可以实现时间调制的模块和移相器、放大器组成。发射机主要由上变频器，放大器等组成，主要用来将预调制后的信号上变频并放大后输出。预调制器用来接收波控信息并产生预调制信号，并用产生的预调制信号来调制输入的信息信号。

四维波控模块首先根据待发信息信号的带宽及对非法接收机的先验知识等生成相应时序及静态加权，待发射的信息信号经过由波控模块控制的预调制器调制后，经过发射机上变频、放大后进入功分器，功分器将射频信号分流进入各四维收发组件，由四维收发组件对信号进行调制，最后再经由各天线单元将信号辐射出去。每一个调制周期可以重复一遍该过程，每个周期采用不同的时序及静态加权配置，以提高辐射信号的随机性，使得非法接收机难以识别我方信号。

实施例1

假设预发射信号为正弦调幅信号，调制频率为80kHz，载波频率f₀＝2.6GHz，如图2所示。此时为满足保密条件(信息信号带宽大于时间调制频率)，设定四维天线阵时间调制频率f_p＝100kHz。此外，主辐射方向(期望方向)为0度方向，压低副瓣方向上能量。

首先，根据上述预设条件运用遗传算法优化时序，得到优化时序如图3所示，优化幅度加权如图4所示。图5为传统四维天线阵保密通信时序。将两种时序与幅度加权配置分别载入四维天线阵，得到传统时序与优化时序的中心频率及前两个边带频率归一化方向图分别由图6、图7所示，得到传统时序与优化时序的归一化平均辐射功率方向图分别由图8、图9所示。可以发现，在副瓣范围内，优化时序比传统时序的辐射能量低，发射信号更难以被非法接收机接收。此外二者都在副瓣上对信息信号进行了调制，使得信号混叠，难以被非法接收机窃听。传统时序与优化时序在不同角度上的发射信号波形分别由图10，图11所示。图示结果证明了提出方法的有效性。

实施例2

假设预发射信号为正弦调幅信号，调制频率为80kHz，载波频率f₀＝2.6GHz，如图2所示。此时为满足保密条件(信息信号带宽大于时间调制频率)，设定四维天线阵时间调制频率f_p＝100kHz。此外，主辐射方向(期望方向)为0度方向，非法接收及所在方向(不期望方向)为45度方向。

首先，根据上述预设条件运用遗传算法优化调制时序，得到时序如图12所示，优化幅度加权如图13所示。将时序载入四维天线阵，得到中心频率及前两个边带频率归一化方向图如图14所示，得到归一化平均辐射功率如图15所示。可以明显发现，在45度方向上，存在零深，能够使得该方向上非法接收机破译我方信息信号的可能性几乎为零，并且在其他非期望方向上，发射信号因为受到时间调制而产生混叠，即便非法接收机接收到信号，也难以解调信号。不同角度上发射信号波形如图16所示。图示结果再次证明了提出方法的有效性。

前面已经描述本发明的两个具体实施例，应该理解这只是以两种示例形式被提出，并无限制性。因此，在不脱离本发明精神和范围的情况下可以作出多种形式上和细节上的变更，这对于熟悉本技术领域的技术人员是显而易见的，无需创造性劳动。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (3)

1.一种基于四维天线阵的预调制保密通信系统，它包括，四维波控模块、预调制器、发射机、功分器、四维收发组件、天线单元以及连接各部分的光纤和电缆；四维波控模块与预调制器及各四维收发组件相连接，预调制器还与发射机连接，发射机与功分器相连接，功分器与各个单元的四维收发组件相连接，各四维收发组件再与各自对应的天线单元相连接；其中，四维波控模块由时序判决模块、时序生成电路以及驱动器组成；时序判决模块决定使用的时序策略，时序生成电路生成时序，驱动器将时序及静态加权信息传递至各四维收发组件及预调制器；四维收发组件包括可以实现时间调制的模块和移相器、放大器，其中可以实现时间调制的模块由高速射频开关或者混频器实现；发射机包括上变频器，放大器，用来将预调制后的信号上变频并放大后输出；预调制器用来接收波控信息并产生预调制信号，并用产生的预调制信号来调制输入的信息信号；其中，预调制器根据天线有源方向图及优化出的时序和静态加权，生成的预调制信号h(t)可以表示为

式中，h(t)为预调制信号，f₀为载波频率，t表示时间，e表示自然底数，j表示虚数单位，θ₀表示期望接收机所在的方向，E(θ₀,t)表示四维天线阵在θ₀方向处的辐射总场。

2.一种基于四维天线阵的预调制保密通信方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、根据预发射信息信号带宽，决定四维天线阵时间调制频率；

S2、以最大副瓣辐射功率或具体某个方向处辐射功率为目标函数，利用优化算法优化出满足要求的时序及静态加权；

其中，θ表示角度方向，P(θ)表示θ方向上的平均辐射功率，Θ_sidelobe表示归一化平均辐射功率方向图的副瓣区域，w₀、w₁和w₂是相应的加权系数，θ_desired和θ_undesired分别表示期望方向与不期望方向，t_k表示第k个单元开关闭合起始时刻，τ_k表示第k个单元的开关持续时间，A_k表示第k个单元的静态激励幅度；

S3、根据天线有源方向图及优化出的时序和静态加权，生成预调制信号h(t)：其中，预调制信号可以表示为

式中，h(t)为预调制信号，f₀为载波频率，t表示时间，e表示自然底数，j表示虚数单位，θ₀表示期望接收机所在的方向，E(θ₀,t)表示四维天线阵在θ₀方向处的辐射总场；

S4、将信息信号经由预调制信号调制后，经过发射机上变频、放大后进入功分器；

S5、功分器将射频信号分流进入各四维收发组件，由四维收发组件对信号进行调制，最后再经由各天线单元将信号辐射出去。

3.根据权利要求2所述的一种基于四维天线阵的预调制保密通信方法，其特征还在于由于采用了预调制，解放了时序设计自由度，每个周期可以采用不同的时序和幅度加权优化结果，从而显著提高发射信号在非期望方向上的随机性。

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