[发明专利]基于四维天线阵的保密通信系统及其方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信领域，它特别涉及利用四维天线阵来控制阵列相位中心，从而实现方向调制和保密通信。

背景技术

四维天线阵的概念最初于1959年由美国休斯飞机公司(Hughes Aircraft Company)的Shanks和Bickmore等人提出。将时间变量引入到具有空间三维变化的常规天线阵中就构成了四维天线阵，空间阵元的幅度和相位加权可以通过时间加权的方式实现，从而增加了天线阵的设计自由度，使得时间调制天线阵相对于常规天线阵具有更多的设计优势，例如实现均匀激励下低副瓣、实现多波束和波束扫描等。区别于常规天线阵列，由于四维天线阵的发射信号有其独特的性质，使得四维天线阵存在许多潜在的应用价值，需要去深入研究。

传统无线通信系统中，在发射端，信号经调制、上变频、功率放大后由天线或天线阵辐射出去。空间各方向的辐射信号功率大小不同而携带信息相同。为了实现信息的保密传输，通常使用定向性强的天线。但在通信系统中，天线由于造价或物理尺寸的限制，定向性有限，对于一个灵敏的窃听接收机，即使其处于发射天线的副瓣方向，仍然有可能检测并解调出信息；深圳市中兴通讯股份有限公司在CN1458749中公布了一种通过共享密钥和伪随机数发生器来对信息进行加密和解密的保密通信方式。但如果密钥被窃听者窃取，则密钥加密的保密方式就会失效。

方向调制是一种新的保密通信方式。传输的信息与方向相关：在期望接收机的方向，载波携带信息；在其余方向，载波不携带信息。这样，对于处于天线副瓣方向的一个灵敏的窃听接收机，即使已知信源密钥，也无法正确解调出信息。M.P.Daly在IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,VOL.57,NO.9,SEPTEMBER 2009上发表的题为“directional modulation technique for phased array”中介绍了一种基于相控阵的方向调制方法，通过调节各天线单元的移相量，需要传输的调制符号只能在特定角度形成。但是此种方向调制方法需要造价很高的相控阵，对天线阵列和相应移相器的要求很高，不利于工程实用化。Tao Hong在IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS,VOL.10,2011发表的题为“dual-beam directional modulation technique for physical layer secure communication”中提出了一种利用两个波形相同的天线阵来实行QPSK方向调制的方法。实际应用中，由于阵列间的互耦，两组天线的波形不可能完全一致，并且根据公布的结果，此种方法实现保密通信的能力有限。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供基于四维天线阵的保密通信系统及其方法，具有保密效果好。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种基于四维天线阵的保密通信方法，包括两个及以上的天线子阵，通过控制各个天线子阵的工作时间序列来移动天线阵列的相位中心，信号波形与方向相关，用于实现信号的方向调制，发射的信号在各个方向上的功率大小以及携带的信息各不相同，在期望接收机的方向，合成了需要传输的信息；在未期望接收机的方向上的信号波形发生畸变，使之不含需要传输的信息，用于防止信息被窃取。

作为优选，所述通过控制各个天线子阵的工作时间序列来移动天线阵列的相位中心是：

所述所有天线子阵中的一个开通并运行一段时间后关闭，再开通另一个天线子阵并运行一段时间后再关闭，按照同样的方式相继陆续开通其它天线子阵并运行一段时间后关闭；

上述方案不断的重复，使得天线阵列的相位中心单向移动，相位中心的移动将使辐射的信号将产生多普勒频移，不同方向的接收机将接收到不同多普勒频移的信号。

作为另一种实施方式，上述方案中的一个天线子阵可通过一路天线单元代替。

为了更好的对上述方法的实施：

一种实现上述方法的基于四维天线阵的保密通信系统，包括至少一个天线阵列，所述一个天线阵列包括一个本振源、一个功率放大器和至少两个天线子阵，所述本振源与功率放大器连接，所述功率放大器与所述至少两个天线子阵连接；所述天线子阵与功率放大器之间设置有控制开关，所述控制开关与开关控制电路连接，通过所述控制开关使天线子阵的导通或者关闭，以实现天线阵列中每个天线子阵的工作时间序列来移动天线阵列的相位中心。

为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：