CN113114321A - 基于四维天线阵的空时联合调制保密通信方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于四维天线阵的联合空时调制保密通信系统，它包括，四维波控模块、比特数据生成器、数字基带调制器、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；四维波控模块与比特数据生成器及各四维收发组件相连接，数字基带调制器与发射机和比特数据生成器连接，功分器与各四维收发组件相连接；所述的系统将需要传输的信息比特分成两部分，再将其分别映射到基带调制和开关调制上，联合一体化使用空时自由度。本发明还公开了一种基于四维天线阵的联合空时调制的保密通信方法，该方法能够一体化最大限度地利用整个空时自由度，减少由于调幅和期望方向上边带造成的能量损耗，从而有效提高保密通信系统的发射效率。

Description

基于四维天线阵的空时联合调制保密通信方法及系统
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，具体来说是基于四维天线阵技术设计了一种高效率的物理层保密通信系统及方法，可用于要求较高保密性能与通信传输率的保密通信系统。
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。此外，由于需要额外辐射大功率掩盖信号，导致了系统整体的发射效率不高。
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 B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，随时间变化动态调整所激励的天线单元，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。但该方法未能有效利用起整个系统的空时自由度，对各个天线单元的时间调制仅用来实现方向调制，从而导致了整个系统的发射效率不高，最终使得通信信号的传输率受限。
在公开号为CN 110890908 B的专利中，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，该方法通过结合方向调制技术与波束形成技术，在保证方向调制性能的同时，有效调控了副瓣范围内的平均辐射功率，从而降低辐射信号被非法接收机截获的概率。但该方法同样需要对各个单元进行时间调制来实现方向调制，因此也牺牲了整个系统的发射效率，最终降低了信号传输率。
面对以上应用需求，本发明公开了一种基于四维天线阵的空时联合调制保密通信系统及方法，通过充分使用天线系统的空时自由度，将通信信号的调制分为两部分，一部分为基带调制，在基带数字端完成；一部分为天线调制，具备方向依赖特性，通过对天线单元进行调制达成。这样一来，就可以在期望方向上发射无畸变的联合调制信号，而在非期望方向上发射畸变的联合调制信号，再通过选择合适的调制模式，一体化利用空时自由度，减少信号调制过程中的幅度衰减层数，从而可以在保证良好保密性能的同时，有效地提高系统的发射效率。该方法将四维天线阵的空时自由度充分地利用起来，在保持良好保密通信性能的前提下，提升了系统的发射效率。
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空时联合调制保密通信系统及方法，有效提高了物理层保密通信系统的传输能力。
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
Figure BDA0003013183580000031
式中f0为载波频率，N表示天线单元的个数，Uk(t)表示开关函数，Ak表示第k个单元的激励幅度，αk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Uk(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：
Figure BDA0003013183580000032
其中，
Figure BDA0003013183580000033
式中amk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，fp表示时序信号的调制频率，Tp表示时序信号的调制周期，tk表示导通起始时间，τk表示导通持续时间。
假设s(t)为待发射的基带调制信号，携带基带信号的四维天线阵辐射场用公式可以表示为
Figure BDA0003013183580000034
在期望方向上(θ＝θ0)的辐射信号可以化简为
Figure BDA0003013183580000035
观察上式可知，整体调制效果经由基带调制的s(t)和射频开关调制的
Figure BDA0003013183580000041
共同决定，因此将需要传输的信息比特分成两部分，再将其分别映射到基带调制和开关调制上，进一步联合一体化使用空时自由度，就能够一体化最大限度地利用整个空时自由度，减少由于调幅和期望方向上边带造成的能量损耗，从而有效提高保密通信系统的发射效率。此外，也由于开关对天线单元的调制是具备方向依赖特性的，因此在不同方向上其调制效果不同，在非期望方向发射的信号就是畸变的，从而也就保证了通信系统的良好保密性能。
基于上述原理，本发明公开了一种基于四维天线阵的空时联合调制保密通信系统，它包括，四维波控模块、比特数据生成器、数字基带调制器、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；四维波控模块与比特数据生成器及各四维收发组件相连接，数字基带调制器分别与发射机和比特数据生成器连接，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，比特数据生成器生成所需要的比特数据并分成两部分分别发送至四维波控模块和数字基带调制器上；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；时序判决模块根据收到的比特信息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；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，主要用来将基带调制后的信号上变频并放大后输出；数字基带调制器主要用来将收到的数字比特信息调制成相应的调制信号并输出至发射机。
基于上述原理，本发明还公开了一种基于四维天线阵的空时联合调制保密通信方法，其包括以下步骤：
(1)比特数据生成器生成比特数据，并分成两部分，分别送入四维波控模块和数字基带调制器；
(2)数字基带调制器将接收到的比特数据调制成数字调制信号s(t)，该调制信号再经过发射机上变频、放大后进入功分器，功分器将射频信号分流进入各四维T/R组件；
(3)四维波控模块将接收到的比特数据映射成相应的伪随机时序，Uk(t)并将生成时序经由光纤传送至各四维组件，由四维T/R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。
由于比特信号一般是随机的，所以所生成的时序随机性也较强，对天线单元的调制也是随机的，难以被非法接收机截获到。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，而且信号还是随机混叠的，难以鉴定、解调。此外，一体化设计空时联合调制信号，能够减少信号调制过程中的幅度衰减层数，从而有效提高保密通信系统的发射效率。
附图说明
图1为基于四维天线阵的空时联合调制保密通信系统结构示意图。该系统包括，四维波控模块、比特数据生成器、数字基带调制器、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，比特数据生成器生成所需要的比特数据并分成两部分分别发送至四维波控模块和数字基带调制器上；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；发射机主要由上变频器，放大器等组成，主要用来将基带调制后的信号上变频并放大后输出；
图2为根据比特信号所生成的时序示意图，黑色部分表示单元导通，白色表示断开；
图3为幅度部分在不同方向(0度，15度，30度)的解调结果，可以发现天线完成的幅度调制信号无法在非期望方向上被正常解调；
图4为相位部分在不同方向(0度，15度，30度)的解调结果，可以发现基带完成的相位调制信号无法在非期望方向上被正常解调；
图5为整体16-QAM的原始信号和其在不同方向上的解调结果，显然在非期望方向上，正确信息是无法解调出来的；
图6为本发明提出系统所发射16-QAM信号的角度-频率维的辐射功率示意图；
图7为辐射同样16-QAM信号的相控阵角度-频率维的辐射功率示意图；
图8为辐射同样16-QAM信号的传统伪随机时序调制下四维阵保密通信系统在角度-频率维的辐射功率示意图；
图9为相控阵、传统方法四维天线阵以及运用所提方法的四维天线阵所辐射信号的总辐射功率方向图对比，可以发现，所提方法在期望方向上能够将有效辐射功率提升到与相控阵一致，显著地高于传统四维天线阵保密通信方法；
图10为相控阵、传统方法四维天线阵以及运用所提方法的四维天线阵传输16-QAM信号时，最终的误码率示意图。
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空时联合调制保密通信系统结构示意图。该系统包括，四维波控模块、比特数据生成器、数字基带调制器、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；四维波控模块与比特数据生成器及各四维收发组件相连接，数字基带调制器分别与发射机和比特数据生成器连接，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，比特数据生成器生成所需要的比特数据并分成两部分分别发送至四维波控模块和数字基带调制器上；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；时序判决模块根据收到的比特信息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；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，主要用来将基带调制后的信号上变频并放大后输出；数字基带调制器主要用来将收到的数字比特信息调制成相应的调制信号并输出至发射机。
数据比特生成器首先生成需要传输的数据比特，然后分成两部分分别传送至四维波控模块和数字基带调制器；数字基带调制器将接收到的比特数据调制成数字调制信号s(t)，该调制信号再经过发射机上变频、放大后进入功分器，功分器将射频信号分流进入各四维T/R组件；四维波控模块将接收到的比特数据映射成相应的伪随机时序，Uk(t)并将生成时序经由光纤传送至各四维组件，由四维T/R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。
假设预发射信号为16-正交幅度调制(16-QAM,16-Quadrature AmplitudeModulation)信号，波特率为10Mbps，载波频率f0＝2.6GHz。信号的调制分为幅度调制部分和相位调制部分。其中，幅度调制在天线端完成，相位调制在基带端完成，0，90，180，-90分别代表四个不同的相位调制信息。导通单元数为2，4，6，8时，分别代表四个不同的幅度调制信息。此外，主辐射方向(期望方向)设置为0度方向。
首先，比特数据生成器生成需要传输的数据比特，然后分成两部分分别传送至四维波控模块和数字基带调制器。四维波控模块将其转换为时序后，时序如图2所示。数字基带调制器将接收到的比特数据调制成数字调制信号s(t)，然后经由四维天线阵发射出去。接收机将信号同样分为幅度和相位两部分进行解调，其在不同方向(0度，15度，30度)的解调结果分别如图3和图4所示。从图中可以发现，无论是天线完成的幅度调制信号还是在基带完成的相位调制信号，均无法在非期望方向上被正常解调。图5展示了整体16-QAM的原始信号和其在不同方向上的解调结果，显然在非期望方向上，正确信息是无法解调出来的。
此外，图6给出了本发明提出系统所发射16-QAM信号的角度-频率维的辐射功率示意图，图7给出了辐射同样16-QAM信号的相控阵角度-频率维的辐射功率示意图，图8给出了辐射同样16-QAM信号的传统伪随机时序调制下四维阵保密通信系统在角度-频率维的辐射功率示意图。比较上述三图可知道，相控阵辐射信号在角度维上仅是辐射强度不同，但信号特征完全一致，若接收机灵敏度够高的话，就能够正常解调信号，而四维阵辐射信号具备角度依赖特性，可仗之实现保密通信。图9给出了相控阵、传统方法四维天线阵以及运用所提方法的四维天线阵所辐射信号的总辐射功率方向图对比。从图中可以发现，由于联合了空时调制，减少了信号调制过程中的能量衰减层数，所提方法在期望方向上能够将有效辐射功率提升到与相控阵一致，显著地高于传统四维天线阵保密通信方法。图10给出了相控阵、传统方法四维天线阵以及运用所提方法的四维天线阵传输16-QAM信号时，最终的误码率示意图。可以发现，相比相控阵，无论是本发明所提方法还是传统伪随机时序的四维阵保密通信方法，在非期望方向上都有较好的保密通信性能，但由于所提方法提升了在期望方向上的有效辐射功率，因此相比传统四维阵保密通信方法，其能实现更好的误码率性能。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一个具体实施例，应该理解这只是以一种示例形式被提出，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 (4)

1.一种基于四维天线阵的空时联合调制保密通信系统，其特征在于，包括四维波控模块、比特数据生成器、数字基带调制器、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；所述四维波控模块分别与所述比特数据生成器及各四维收发组件相连接，所述数字基带调制器分别与所述发射机和所述比特数据生成器连接，所述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，所述比特数据生成器生成所需要的比特数据并分成两部分分别发送至四维波控模块和数字基带调制器上；所述四维收发组件包括可以实现时间调制的模块以及移相器和放大器；所述发射机包括上变频器和放大器，用于将基带调制后的信号上变频并放大后输出；所述数字基带调制器用于将收到的数字比特信息调制成相应的调制信号并输出至发射机。
2.根据权利要求1所述的基于四维天线阵的空时联合调制保密通信系统，其特征在于，所述四维波控模块包括时序判决模块、时序生成电路以及驱动器；所述时序判决模块用于根据收到的比特信息决定使用的时序策略，所述时序生成电路用于生成时序，所述驱动器用于将时序及静态加权信息传递至各四维收发组件。
3.根据权利要求1所述的基于四维天线阵的空时联合调制保密通信系统，其特征在于，四维收发组件中可以实现时间调制的模块为射频开关或混频器。
4.一种基于四维天线阵的空时联合调制保密通信方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、比特数据生成器生成比特数据，并分成两部分，分别送入四维波控模块和数字基带调制器；
S2、数字基带调制器将接收到的比特数据调制成数字调制信号s(t)，该数字调制信号再经过发射机上变频、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；
S3、四维波控模块将接收到的比特数据映射成相应的伪随机时序Uk(t)，并将生成时序经由光纤传送至各四维组件，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。
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