[發明專利]一種基于四維天線陣的預調制保密通信系統及方法

有效

• 申請號: 201911244112.0
• 申請日: 2019-12-06
• 公開（公告）號: CN110890908B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 楊仕文;陳科錦;屈川鴻;黃明;陳益凱;屈世偉;胡俊
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H04B7/0456
• 分類號: H04B7/0456;H04B7/08;H04L27/26
• 代理公司: 四川省成都市天策商標專利事務所 51213
• 代理人: 張秀敏

本發明公開了一種基于預調制四維天線陣的保密通信系統，該系統包括，四維波控模塊、預調制器、發射機、功分器、四維收發組件、天線單元以及連接各部分的光纖和電纜。其中四維波控模塊由時序判決模塊、時序生成電路以及驅動器組成；四維收發組件主要由高速射頻開關，混頻器等可以實現時間調制的模塊和移相器、放大器組成；所述的系統能夠調控副瓣范圍內的平均輻射功率，降低輻射信號被非法接收機接收到的概率。同時，預調制發射信號，能夠使得信號能在期望方向上被期望接收機正常接收解調。本發明還公開了一種基于預調制四維天線陣的保密通信方法,該方法集合了四維天線陣方向調制技術與波束形成技術，能夠極大提升通信系統的物理層保密性能。

技術領域

本發明屬于天線工程技術領域，涉及無線通信領域，具體來說是結合了四維天線陣與波束形成技術設計了一種新型物理層保密通信系統及方法，可用于要求較高保密性能與波束形成靈活性的保密通信系統。

背景技術

1963年，美國學者Kummer等人提出了時間調制天線陣的概念：通過隨時間變化對天線狀態不斷改變，可以在“時間”維控制天線的輻射孔徑尺寸。時間調制天線陣列即屬于四維天線陣的一種。四維天線陣列采用高速射頻開關、高速幅相調制器、混頻器等按照預定的工作時序控制每個單元的工作狀態，使天線陣的輻射狀態隨時間變化，即具有時間調制特性，從而大大增加天線陣的設計自由度。四維天線陣在方向調制與賦形波束方面很有優勢，已經取得諸多成果。近年來，四維天線陣的工程應用研究日益受到重視。目前已有關于四維天線陣在同時多波束掃描、保密通信、低截獲概率雷達等應用的文獻報道。作為一種設計靈活性很強的新型陣列天線，四維天線在雷達與通信領域具有非常大的應用空間與潛在優勢。

傳統無線通信系統中，天線將信號在自由空間中輻射出去，不同方向上的輻射信號僅僅只有幅度不同，導致信號容易被非法接收機竊聽。因此，為防止竊聽，相關領域的眾多學者提出了很多實現保密通信的方法。

在公開號為CN 105553641 A的專利中，一種混沌保密通信方法及保密通信系統被提出。該系統采用混沌掩蓋技術，選用了大功率的混沌掩蓋信號掩蓋了混沌鍵控信號。但該系統在工作之前需要與合法接收機進行握手，確定工作協議、工作模式以及工作模式的選擇策略。如果非法接收機竊取了該系統的工作協議、模式等，則該系統的保密系統將會大打折扣。

在公開號為CN 109996231 A的專利中，一種多天線系統中的保密通信方法被提出。該方法結合空調調制技術，利用在空間調制技術中未選擇的天線發射干擾信號，而合法接收機已知發射有用信息的天線序號，從而可以正常恢復、解調出信號。而非法接收機因為預先不知道有用天線的序號，很難將干擾從接收到的信號中分離開，因此難以恢復出正確信息。但該方法需要合法接收機預先收到關于有用天線序列的信息。如果非法接收機竊取了有用天線序列的信息，或者是通過其他算法猜測到，那該方法的保密性能也將急劇降低。

在公開號為CN 102857280 A的專利中，基于四維天線陣的保密通信系統及其方法被提出。該方法結合四維天線陣方向調制技術，使得消息信號在期望方向上不被時間調制，而在非期望方向上被時間調制。當信號帶寬大于時間調制頻率時，由于混疊效應，發射在非期望方向上的信號難以被非法接收機解調，從而實現保密通信。但該方法為了保證期望方向上的信號不受調制，導致了副瓣上的平均輻射功率難以調控。事實上，該方法通常都會導致較高的副瓣輻射功率，此時非法接收機更容易截獲到副瓣上輻射的信號，然后再通過最大似然估計法等方法猜測到時序，最終非法接收機可以輕易解調該方向上的信號。考慮到四維陣的高自由度，如果能去掉期望方向上不受時間調制的約束條件，壓低副瓣范圍的平均輻射功率或者在對應角度產生平均輻射功率方向圖零深，并解決期望方向上受調制信號的合法接收機解調問題，就能在不影響通信性能的情況下，進一步提高保密性能。