[發明專利]基于四維天線陣的空時聯合調制保密通信方法及系統

有效

• 申請號: 202110381581.8
• 申請日: 2021-04-09
• 公開（公告）號: CN113114321B
• 公開（公告）日: 2022-01-14
• 發明（設計）人: 楊仕文;陳科錦;楊鋒;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: H04B7/06
• 分類號: H04B7/06;H04B7/0413;H04K1/00
• 代理公司: 四川省成都市天策商標專利事務所(有限合伙) 51213
• 代理人: 張秀敏

本發明公開了一種基于四維天線陣的聯合空時調制保密通信系統，它包括，四維波控模塊、比特數據生成器、數字基帶調制器、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；四維波控模塊與比特數據生成器及各四維收發組件相連接，數字基帶調制器與發射機和比特數據生成器連接，功分器與各四維收發組件相連接；所述的系統將需要傳輸的信息比特分成兩部分，再將其分別映射到基帶調制和開關調制上，聯合一體化使用空時自由度。本發明還公開了一種基于四維天線陣的聯合空時調制的保密通信方法，該方法能夠一體化最大限度地利用整個空時自由度，減少由于調幅和期望方向上邊帶造成的能量損耗，從而有效提高保密通信系統的發射效率。

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，具體來說是基于四維天線陣技術設計了一種高效率的物理層保密通信系統及方法，可用于要求較高保密性能與通信傳輸率的保密通信系統。

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。此外，由于需要額外輻射大功率掩蓋信號，導致了系統整體的發射效率不高。

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?；謴?、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 B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，隨時間變化動態調整所激勵的天線單元，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。但該方法未能有效利用起整個系統的空時自由度，對各個天線單元的時間調制僅用來實現方向調制，從而導致了整個系統的發射效率不高，最終使得通信信號的傳輸率受限。

在公開號為CN 110890908 B的專利中，公開了一種基于預調制四維天線陣的保密通信系統及方法，該方法通過結合方向調制技術與波束形成技術，在保證方向調制性能的同時，有效調控了副瓣范圍內的平均輻射功率，從而降低輻射信號被非法接收機截獲的概率。但該方法同樣需要對各個單元進行時間調制來實現方向調制，因此也犧牲了整個系統的發射效率，最終降低了信號傳輸率。