CN113055063A - 一种基于空间场数字调制的低截获中继通信系统 - Google Patents

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郑史烈
熊孝文
朱泽林
章献民
金晓峰
余显斌
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Abstract

本发明公开一种基于空间场数字调制的低截获中继通信系统，属于无线通信领域。该低截获中继通信系统包括依次连接的天线控制器、波束形成器、中继接收机集群以及采样量化器；基带信号输入所述天线控制器，天线控制器根据输入的基带信号控制波束形成器，所述波束形成器产生电磁场，中继接收机集群中的每一个中继接收机的接收端对电磁场进行测量，随后将测量结果输入采样量化器进行判决，解调出原信号。该中继通信系统具有良好的抗窃听能力，可以有效对抗少量不可信中继导致的保密性能恶化，且具有良好的抗噪声性能，该系统适合于构建恶劣信道条件下工作的保密通信系统，在国防军事领域具有突出意义。

Description

一种基于空间场数字调制的低截获中继通信系统
技术领域
本发明属于无线通信领域，更进一步涉及一种基于空间场数字调制的低截获中继通信系统。
背景技术
近年来，一种新的无线传输方法被提出。这种方法被称为空间场数字调制；在该方法中，信息被调制在场的空间维度上，而不是像传统通信方法一样将信息调制在场的时间维度上。在使用了空间场数字调制的通信系统中，接收机在单个空间点进行采样将无法解调信号，接收端的信号解调能力依赖于接收机的数量和空间分布，因而该系统具有应用于低截获通信的潜力。
中继通信作为一种实现物理层安全的手段，通过保证合法接收者的信道条件优于窃听信道实现抗窃听。但是该系统中不可信中继节点的存在将会导致保密性能急剧恶化。空间场数字调制可以解决该问题，在中继节点群中少数的不可信节点将不会导致保密性能的恶化，因为少量的接收机很难解调信号。基于这个原因，基于空间场数字调制构造的中继通信系统具有良好的抗窃听性能，可以对抗少数中继节点叛变导致的保密性能衰退。同时，得益于接收机的协同接收，该方法具有良好的抗噪声能力，适合在低信噪比的恶劣信道条件下工作。
目前，已经出现多种不同的空间场数字调制实施方案，但是尚未有将该方法应用于中继通信以改善系统抗窃听性能的报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有中继通信系统的缺点，提出一种基于空间场数字调制的新型无线中继通信系统。该中继通信系统具有低截获、抗噪声等特性，可实现恶劣信道条件下的保密通信。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于空间场数字调制的低截获中继通信系统，包括依次连接的天线控制器、波束形成器、中继接收机集群以及采样量化器；基带信号输入所述天线控制器，天线控制器根据输入的基带信号控制波束形成器，所述波束形成器产生电磁场，中继接收机集群中的每一个中继接收机的接收端对电磁场进行测量，随后将测量结果输入采样量化器进行判决，解调出原信号。
进一步地，所述天线控制器包括现场可编程逻辑门阵列、电子计算机。
进一步地，所述天线控制器通过状态选取实现对波束形成器的控制，所述状态选取的具体过程为：首先列出该低截获中继通信系统所使用的波束形成器和天线控制器所能产生的所有电磁场分布的可能状态，然后通过优化算法找到2M个电磁场分布状态，其中M为单个符号传输的比特长度，且被选中的电磁场分布状态使得用于传输信息时使得系统在相同信噪比下的误码率最小，完成状态选取过程后，将被选出的2M个电磁场分布状态分别与2M个不同的二进制序列对应，当基带信号输入天线控制器时，天线控制器控制波束形成器产生与输入的基带信号对应的电磁场分布状态。
进一步地，所述波束形成器包括相控阵天线、超表面、反射阵天线、多模OAM天线。
进一步地，所述中继接收机包括喇叭天线、偶极子天线。
进一步地，所述中继接收机将测量结果输入采样量化器的方式包括使用射频线缆、光纤、无线信道。
进一步地，所述采样量化器包括现场可编程逻辑门阵列、电子计算机。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：本发明解决了不可信中继节点存在时导致中继通信系统整体抗窃听性能严重恶化的问题，提供一种基于空间场数字调制的中继通信系统，其利用电磁场的空间分布调制和解调信息，以对抗少数不可信中继带来的抗窃听性能恶化，并同时获益于接收机协同接收作用而具有良好的抗噪声性能。该系统适合于构建恶劣信道条件下工作的保密通信系统，在国防军事领域具有突出意义。
附图说明
图1是本发明低截获中继通信系统的架构示意图；
图2是本发明低截获中继通信系统涉及的通信场景示意图；
图3是本发明低截获中继通信系统某种配置下叛变中继个数变化时的误码率性能示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步阐述。
如图1为本发明低截获中继通信系统的架构示意图；所述低截获中继通信系统基于空间场数字调制实现，信息被调制在场的空间维度上，具体包括依次连接的天线控制器、波束形成器、中继接收机集群以及采样量化器；基带信号输入所述天线控制器，天线控制器根据输入的基带信号控制波束形成器，所述波束形成器产生电磁场，中继接收机集群中的每一个中继接收机的接收端对电磁场进行测量，随后将测量结果输入采样量化器进行判决，解调出原信号。
所述天线控制器包括但现场可编程逻辑门阵列、电子计算机，其控制方式依据状态选取方案确定，所述状态选取的具体过程为：首先列出该低截获中继通信系统所使用的波束形成器和天线控制器所能产生的所有电磁场分布的可能状态，然后通过优化算法找到2M个电磁场分布状态，其中M为单个符号传输的比特长度，且被选中的电磁场分布状态使得用于传输信息时使得系统在相同信噪比下的误码率最小，完成状态选取过程后，将被选出的2M个电磁场分布状态分别与2M个不同的二进制序列对应，当基带信号输入天线控制器时，天线控制器控制波束形成器产生与输入的基带信号对应的电磁场分布状态。该状态选取方法可以降低低截获中继通信系统在实际工作时的误码率。
所述波束成形器包括相控阵天线、超表面、反射阵天线、多模OAM天线。所有这些天线都具有方向图可重构的特性，该特性是对空间场数字调制系统的发射天线的关键要求。
所述中继接收机集群包括喇叭天线、偶极子天线。所述中继接收机将测量结果输入采样量化器的方式包括使用射频线缆、光纤、无线信道。所述的中继接收机可以采用各类商用天线，有利于快速构建系统；各种将测量结果输入采样量化器的方式都被支持，因此该系统的构建具有极大的灵活性。
所述采样量化器包括现场可编程逻辑门阵列、电子计算机。使用现场可编程逻辑门阵列构造采样量化器可以对数据进行高速并行处理，使用电子计算机构造采样量化器具有易用、方便、可移植性好等优势。
实施例1
本发明提供了一种基于空间场数字调制的低截获中继通信系统，包括依次连接的现场可编程逻辑门阵列、超表面、喇叭天线集群、电子计算机。首先列出现场可编程逻辑门阵列和超表面所能产生的所有电磁场分布的可能状态，然后通过优化算法找到2M个电磁场分布状态，其中M为单个符号传输的比特长度，且被选中的电磁场分布状态使得用于传输信息时使得系统在相同信噪比下的误码率最小，完成状态选取过程后，将被选出的2M个电磁场分布状态分别与2M个不同的二进制序列对应，当基带信号输入现场可编程逻辑门阵列时，现场可编程逻辑门阵列通过改变其各路输出电压，控制超表面各个单元的状态，以产生与输入的基带信号对应的电磁场分布状态。喇叭天线集群中的每一个喇叭天线的接收端对电磁场进行测量，随后将测量结果通过射频线缆输入电子计算机进行判决，解调出原信号。
将上述实施例中的低截获中继通信系统用于通信场景，如图2，所述低截获中继通信系统中还包括障碍物、叛变喇叭天线和窃听者，待传输信号输入源节点的可编程逻辑门阵列，可编程逻辑门阵列根据输入的信号控制源节点的超表面，该超表面产生电磁场，喇叭天线集群的每一个喇叭天线的接收端对电磁场进行测量，随后将测量结果输入到目标节点的采样量化器进行判决，解调出原信号。
如图3表示了该低截获中继通信系统中叛变中继个数变化时系统误码率性能示意图。该低截获中继通信系统的配置详述如下：现场可编程逻辑门阵列每次传输的信息量为3比特，超表面利用空间匹配滤波准则进行判决；状态选取方案基于贪心算法实现，规则可简述为“最大化被选取状态的最小差异”；喇叭天线集群在方位角0度至90度每隔10度均匀分布，共有10个。图3是该配置下叛变中继个数变化时系统误码率性能示意图，其中N为叛变中继的个数。由于空间场数字调制在空间采样率不足时难以解调的特性，叛变中继数目小于3个的情况下窃听方无法解调信息，证实所述系统具有抗窃听能力。
实施例2
本发明提供了一种基于空间场数字调制的低截获中继通信系统，包括依次连接的现场可编程逻辑门阵列、相控阵天线、偶极子天线集群、电子计算机。完成前述状态选取过程后，被选出的2M个电磁场分布状态将分别与2M个不同的二进制序列对应。当基带信号输入现场可编程逻辑门阵列时，现场可编程逻辑门阵列通过改变其各路输出电压，控制馈入相控阵天线各阵元的单音信号幅度和相位，以产生与输入的基带信号对应的电磁场分布状态。所述相控阵天线产生电磁场，偶极子天线集群中的每一个偶极子天线的接收端对电磁场进行测量，随后将测量结果通过光纤输入电子计算机进行判决，解调出原信号。将该低截获中继通信系统用于通信系统，具有可抵抗少数叛变节点的抗窃听能力。
实施例3
本发明提供了一种基于空间场数字调制的低截获中继通信系统，包括依次连接的电子计算机、反射阵天线、偶极子天线集群、现场可编程逻辑门阵列。完成前述状态选取过程后，被选出的2M个电磁场分布状态将分别与2M个不同的二进制序列对应。当基带信号输入电子计算机时，电子计算机通过数模转换器输出多路电压，控制反射阵天线的可调谐元件，以产生与输入的基带信号对应的电磁场分布状态。所述反射阵天线产生电磁场，偶极子天线集群中的每一个偶极子天线的接收端对电磁场进行测量，随后将测量结果通过光纤输入现场可编程逻辑门阵列进行判决，解调出原信号。将该低截获中继通信系统用于通信系统，具有可抵抗少数叛变节点的抗窃听能力。
实施例4
本发明提供了一种基于空间场数字调制的低截获中继通信系统，包括依次连接的电子计算机、多模OAM天线、偶极子天线集群、现场可编程逻辑门阵列。完成前述状态选取过程后，被选出的2M个电磁场分布状态将分别与2M个不同的二进制序列对应。当基带信号输入电子计算机时，电子计算机通过数模转换器输出多路电压，控制馈入多模OAM天线的单音信号幅度和相位，以产生与输入的基带信号对应的电磁场分布状态。所述多模OAM天线产生电磁场，偶极子天线集群中的每一个偶极子天线的接收端对电磁场进行测量，随后将测量结果通过无线信道输入现场可编程逻辑门阵列进行判决，解调出原信号。将该低截获中继通信系统用于通信系统，具有可抵抗少数叛变节点的抗窃听能力。

Claims (7)

1.一种基于空间场数字调制的低截获中继通信系统，其特征在于，包括依次连接的天线控制器、波束形成器、中继接收机集群以及采样量化器；基带信号输入所述天线控制器，天线控制器根据输入的基带信号控制波束形成器，所述波束形成器产生电磁场，中继接收机集群中的每一个中继接收机的接收端对电磁场进行测量，随后将测量结果输入采样量化器进行判决，解调出原信号。
2.根据权利要求1所述基于空间场数字调制的低截获中继通信系统，其特征在于：所述天线控制器包括现场可编程逻辑门阵列、电子计算机。
3.根据权利要求1或2所述基于空间场数字调制的低截获中继通信系统，其特征在于：所述天线控制器通过状态选取实现对波束形成器的控制，所述状态选取的具体过程为：首先列出该低截获中继通信系统所使用的波束形成器和天线控制器所能产生的所有电磁场分布的可能状态，然后通过优化算法找到2M个电磁场分布状态，其中M为单个符号传输的比特长度，且被选中的电磁场分布状态使得用于传输信息时使得系统在相同信噪比下的误码率最小，完成状态选取过程后，将被选出的2M个电磁场分布状态分别与2M个不同的二进制序列对应，当基带信号输入天线控制器时，天线控制器控制波束形成器产生与输入的基带信号对应的电磁场分布状态。
4.根据权利要求1所述基于空间场数字调制的低截获中继通信系统，其特征在于：所述波束形成器包括相控阵天线、超表面、反射阵天线、多模OAM天线。
5.根据权利要求1所述基于空间场数字调制的低截获中继通信系统，其特征在于：所述中继接收机包括喇叭天线、偶极子天线。
6.根据权利要求1所述基于空间场数字调制的低截获中继通信系统，其特征在于：所述中继接收机将测量结果输入采样量化器的方式包括使用射频线缆、光纤、无线信道。
7.根据权利要求1所述基于空间场数字调制的低截获中继通信系统，其特征在于：所述采样量化器包括现场可编程逻辑门阵列、电子计算机。
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