一种基于随机时序四维圆环阵的保密通信系统的制作方法

本发明属于无线通信领域，它特别涉及利用经随机时间调制的圆环四维阵进行全向的保密通信。

背景技术：

无线通信技术飞速发展使得数据失密所造成的后果也愈发严重，保密通信是一种通信方式，是对要传送的信息内容采取调制加密技术，从而隐蔽信息的真实内容，使非法截收者不能理解通信内容的含义。国内外对于无线通信系统的保密性的相关研究主要分为安全通信的上层技术和安全通信的物理层安全技术，物理层安全通信主要是通过物理结构的方法从而实现窃听用户难以发现、难以解调无线通信系统收发的信息内容，常用物理层保密通信的实现方式包括：波束形成及预编码方案、人工噪声实现方案以及中继传播实现方式。另外、添加合作干扰机、应用层加密算法与无线信道特性相结合、发送端天线选择等方法也多有提及。

1987年，farhatnh,baib在proceedingsofieee,1987,75(6):842-844发表的题为“phased-arrayantennapatternsynthesisbysimulatedannealing”中介绍一种具有固定主瓣宽度低旁瓣方向图的技术，但即使旁瓣再低仍有可能被高灵敏度接收机截获；西安交大在cn106131824a中公开了一种无线通信网络联合信号反馈与人工噪声物理层安全通信方法，该发明通过引入人工噪声的方法干扰非法窃听者收到正确信息，但该方法导致合法接受者必须提前发出人工噪声，然后在接收信号后消除，增加了系统的复杂性；在专利号为cn109246048a的发明专利中提出了一种基于深度学习的物理层安全通信方法和系统，但该方法需要事先经过神经网络训练并且在发射和接收时都需要算法调制和解调；zhuq在“adirectionalmodulationtechniqueforsecurecommunicationbasedon4dantennaarrays”中分析了四维天线阵方向调制的基本原理，并通过仿真和实验验证了四维天线阵方向调制技术，讨论在模拟信号(am调制)和数字信号(bpsk调制)的情况下，四维天线阵在不同方向上信号的频谱及一定带宽下的误码率；在题为《基于圆环四维天线阵的物理层保密通信研究》的硕士论文中设计了一款圆环四维天线阵并应用于保密通信，电子科技大学在cn102857280中公布了一种基于四维天线阵的保密通信系统及方法，但现有的基于四维天线阵的保密通信系统在非期望方向上发射信号的幅度相位失真是固定的，可以使用一些较为简单的技术手段加以破解。

技术实现要素：

本发明鉴于上述技术背景而实现，目的在于提供一种基于随机时序四维圆环阵的保密通信系统。其新颖性在于在单位时间内随机地导通固定数目的天线单元，使得在期望方向上获得不失真的信号，而在非期望方向上只能收到随机杂乱的信号。适用于所有基于幅度相位调制方式，如bpsk，qpsk和qam等数字信号的调制。本方案提供了一种新的四维天线阵保密通信思路，弥补了现有系统安全性不足的问题。

本发明的基本方案见附图1：

它的基本结构由圆环天线阵1、移相器2、时间调制器3、伪随机时序生成器4、环形器5、功率放大器6、发射合成功分器7、接收共用功分器8、发射机9和接收机10等器件组成。天线单元为理想的全向辐射天线，阵列为圆环阵列，相邻天线单元的间距为d＝0.5λ,其中λ为发射信号的波长，所有的阵元都由时间调制器控制阵元的导通与关闭。通过伪随机时序生成器，每一段时间τ内随机选择固定数目的天线单元在辐射信号，从而实现期望方向上天线增益不发生变化而非期望方向上的天线增益随机变化。天线的时序是随机的，其中某段时间的时序如图2所示。

本保密通信系统在不同时刻的方向图如图3所示。

我们提供的基本方案主要为原理性说明，在实际应用中可以根据具体情况对此基本方案进行改进

1)增加天线单元的数目，可以达到更窄的保密通信宽度。

2)使用不同形式的天线阵列，也可实现类似的效果。

3)可改变单位时间天线单元导通个数，以权衡保密效果与发射效率矛盾。

4)可改变随机时序的随机策略，如将天线单元导通时间也随机化，或使用对于每个天线单元非等概率的随机时间调制方式。

本发明最大的创新在于使用了随机时序的四维天线阵，并采用了圆环阵的阵列形式。与现有的四维天线阵保密技术相比，本发明具有以下优点：

1)保密通信效果好，有效通信角度更窄

2)理论上具有更高的安全性

3)无需优化即可实现全向的保密通信

附图说明

图1为本发明中的基于随机时序四维圆环阵的保密通信系统的结构框图，其中1是圆环天线阵，2是移相器，3是时间调制器，4是伪随机时序生成器，5是环形器，6是功率放大器，7是发射合成功分器，8是接收共用功分器，9是发射机，10是接收机。

图2为基于随机时序四维圆环阵的保密通信系统的时序示意图，其中阴影部分表示时间调制器导通。由于时序是随机的，所以该图仅为原理性描述示意图。

图3为基于随机时序四维圆环阵的保密通信系统在不同时刻的方向图。

图4为基于随机时序的8单元四维圆环阵保密通信系统的误码率方向图。

图5为基于随机时序的24单元四维圆环阵的随机时序示意图。

图6为保密通信系统在0度方向上发射bpsk信号的星座图。

图7为保密通信系统在30度方向上发射bpsk信号的星座图。

图8为保密通信系统在60度方向上发射bpsk信号的星座图。

图9为期望角度为0度时，基于随机时序的24单元四维圆环阵保密通信系统的误码率方向图。

图10为期望角度为60度时，基于随机时序的24单元四维圆环阵保密通信系统的误码率方向图。

具体实施方式

实施例1：基于随机时序的8单元四维圆环阵的bpsk调制

基于基本方案，可以构成如参照图1所示bpsk调制系统。本实施例采用8个全向性阵列单元构成时间调制天线阵。该发射机系统主要包括圆环天线阵1、移相器2、时间调制器3、伪随机时序生成器4、环形器5、功率放大器6、发射合成功分器7、接收共用功分器8、发射机9和接收机10等。

在本实施例中，我们将基本方案中的信号源确定为bpsk信号源，天线单元为理想的全向辐射天线，相邻天线单元的间距为d＝0.5λ,圆环阵列半径为0.65λ其中λ为发射信号的波长。天线阵列的8个天线单元分别由8个时间调制器控制导通，时间调制器由伪随机时序生成器集中控制。如图2所示，每一段时间τ内从8个天线单元中随机选择2个进行导通，在下一段时间τ内，再次随机选择2个进行导通，以此类推，在任意时间内都有2个天线单元保持导通状态，从而实现期望方向上天线增益不发生变化而非期望方向上的天线增益随机变化。如图3所示，每一条曲线都代表某一时刻的天线辐射方向图，可以看出所有时刻的方向图在期望方向上的增益是相同的，所以在期望方向上的天线增益不随时间而改变，这意味着期望方向上发射信号的幅度和相位也不因天线阵列而随时间改变；而在非期望方向上，每个时刻的天线增益可能不同，这会导致在非期望方向上发射的信号会随时间发生随机的幅度相位变化，从而引发信号的失真。图4给出了使用蒙特卡洛方法得到的在信噪比为0db时基于随机时序的8单元四维圆环阵保密通信系统的误码率方向图。

实施例2：基于随机时序的24单元四维圆环阵的bpsk调制

在本实例中，我们将实例1中的天线单元数目扩充到24个。我们将基本方案中的信号源确定为bpsk信号源，天线单元为理想的全向辐射天线，相邻天线单元的间距为d＝0.5λ,圆环阵列半径为1.91λ，其中λ为发射信号的波长。天线阵列的24个天线单元分别由24个时间调制器控制导通，时间调制器由伪随机时序生成器集中控制。如图5所示，每一段时间τ内从24个天线单元中随机选择4个进行导通，在下一段时间τ内，再次随机选择4个进行导通，以此类推，在任意时间内都有4个天线单元保持导通状态，从而实现期望方向上天线增益不发生变化而非期望方向上的天线增益随机变化。图6、图7和图8给出了几个典型方向上发射信号的星座图，在0°方向上，发射信号的星座图位于正确位置，而在其他方向上，如30°和60°方向上，发射信号的星座图呈杂乱离散的分布，在这些方向上是无法接收到正确信号的，处于这些方向上的bpsk接收机的误码率会大大增加。图9给出了使用蒙特卡洛方法得到的在信噪比为0db时基于随机时序的24单元四维圆环阵保密通信系统的误码率方向图。可以看出，在天线单元更多的情况下，非期望方向上的误码率更高，并且有效通信角度更窄，保密效果更好。可以通过移相器来控制正确信号的发射方向，比如当期望角度扫描到60度的误码率方向图由图10给出，结果表明，由于采用了圆环阵结构，其保密通信效果不随扫描角度变化而改变，基于随机时序的四维圆环阵保密通信系统可以实现全向的安全保密通信。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对实施方案做一系列的变更。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。