[发明专利]一种基于四维天线阵的预调制保密通信系统及方法

说明书

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。

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。