CN102064851B - 一种基于虚拟运动天线的空间扩频安全通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟运动天线的空间扩频安全通信方法，是一种新的扩频信号产生方法，通过天线的切换仿真天线的运动，天线切换方式由扩频码控制，利用切换天线产生的基频分量和所有的谐波分量在空间某个特定的方位形成一个空间扩频信号。本发明包含有一个扩频信号发射机和两个相对于发射机空间方位不同的扩频信号接收机，发射机采用多个阵元组成的天线阵列发射信号，接收机一个为期望接收机，一个为窃听接收机，利用本发明发射的空间扩频信号，期望接收机可以正确的捕获、解调信号，在偏离期望接收机方位的窃听接收机虽然能接收到类似的信号功率，但却不能捕获和解调有用信息，这样发射的空间扩频信号为信息无线传输增加了一项防窃听的保障措施。

Description

一种基于虚拟运动天线的空间扩频安全通信方法

一、技术领域

本发明属于扩频通信技术领域，尤其涉及了采用新型扩频方法使位于不同方位的窃听接收机不能解调信息的安全通信技术。 

二、背景技术

扩频技术在现代无线通信***中具有广泛的应用，如码分多址移动通信***，全球定位***，卫星通信***等。目前主要的扩频技术有直接序列扩频***(DS-SS)，频率跳变扩频***(FH-SS)，时间跳变扩频***(TH-SS)，以及这三种基本方式组合的混合扩频***。这些扩频技术扩频调制都是在信号时域完成的，信号经过放大器后由天线辐射，这样辐射信号在波束范围内(包括旁瓣辐射信号)的信号星座图是相同的。由于天线辐射方向图的原因，接收机在空间的任何方位只存在接收信号能量大小方面的差异，不同方位接收机接收信号仍然包含与主瓣方向相同的通信信息，只要接收机有足够的灵敏度，总是能够正确解调出通信信息的。为了对抗窃听接收，本发明用天线虚拟运动的扩频方式来增加调解难度，保护通信信息。 

天线虚拟运动即通过天线快速切换实现频谱扩展，在天线快速切换方式上类似于时间调制阵。时间调制阵在天线阵方向图图综合方面有过报道，利用时间这个天线阵的第四维变量降低辐射方向图的旁瓣电平，但使用时间调制来综合方向图存在谐波分量，影响发射信号能量有效利用，方向图综合算法都在力求减小谐波分量，在接收机中需要采用滤波器滤除谐波分量。也有文献提出了采用两个一次谐波分量和基频分量构成一个单脉冲测向***，这也仅仅将两个一次谐波分量应用到测向功能中。这些谐波分量中包含了与基频分量相同的信息含量，本发明的目的就是利用谐波分量和基频分量一起在空间形成一个空间扩频信号。与时间调制阵不同的是本发明中的虚拟运动每次仅用一个单元发射，不用复杂的多单元激励和方向图综合算法，随机切换天线的目的是扩展信号频谱，提高信号保密性。 

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提供一种安全通信方法，为信息无线传输增加一项防窃听的保障措施。 

2、技术方案：为了达到上述的发明目的，本发明包括下列步骤： 

(1)设计了信号发射阵列：发射阵列中包含的阵元都是相同的全向辐射天线，阵元间距为其中λ为反射信号的波长，阵元分别用序号1，2，……R表示，并且所有的阵元都由高速的射频开关控制阵元的导通和关闭，对于每一段时间开关控制只有一个天线在辐射信号，利用切换天线实现发射天线的直线虚拟运动。发射阵元采用的激励信号为b_ne^jωt，其中b_n∈{+1，-1}为待发送的二进制比特信息，n＝1，2，……，N，ω为发射信号的角频率。 

(2)根据选择的扩频码的不同选择发射天线：天线阵中发射天线的虚拟运动方式是由扩频码控制完成的，b_n∈{+1，-1}为待发送的二进制比特信息，其中n＝1，2，……，N，选择使用的扩频码记为q_m∈{+1，-1}，扩频码周期为M，其中m＝1，2，……，M，每一个二进制比特信息都在阵元总数为R的切换天线直线阵中选择M个单元进行发射，第m个扩频码片对应的发射天线序号为L_n，m，切换方法如下： 

第一步：当q₁＝1时，L_n，1＝1，当q₁＝-1时，L_n，1＝2； 

第二步：对于m＝2，3，……，M，计算L_n，m＝L_n，m-1+0.5(3+q_m·q_m-1)，得到的集合{L_n，m}，m＝1，2，……M就是信息码b_n对应的发射天线序号集合。 

(3)根据期望接收机的方位设置天线阵阵元相移器相移：设期望接收机所在的空间方位为ψ，为了在ψ方位形成一个空间扩频信号，根据(2)中的天线选择方法，序号为L_n，m的天线对应的相移器相移大小为： 

${\mathrm{\ξ}}_{L_{n,m}}=(L_{n,m}-1)\·(\mathrm{\π}-\mathrm{\β}d\cos \mathrm{\ψ})=\mathrm{\π}(L_{n,m}-1)\·(1-\sqrt{2}\cos \mathrm{\ψ})---\left(1\right)$

其中： 为电磁波自由空间传播常数。 

(4)接收信号的时域表达形式：远区场接收信号为： 

$E(t,\mathrm{\θ},n)=b_n{U}_m\left(t\right)e^{j{[(L_{n,m}-1)\mathrm{\β}d\cos \mathrm{\θ}+{\mathrm{\ξ}}_{L_{n,m}}]}_{e^{\mathrm{j\ωt}}}---\left(2\right)}$

其中：L_n，m为选择发射天线的序号，θ为接收机所在的方位角，ω为发射信号的角 频率，对应的频率为 Um(t)为天线开关函数，具体表达式如下，示意图如图1所示： 

式中：t_0m为发射天线的开始导通时刻，τ_m为发射天线的导通时间， 为切换天线的切换周期，对应的f_p为切换频率。本发明中取切换天线的切换周期与待发送的信息码周期相等，并且所有天线的导通时间相同， 

(5)接收信号的频域分析：因为天线开关函数U_m(t)为周期信号，可以将(2)式进行傅里叶级数展开： 

$E(t,\mathrm{\θ},n)=b_n\·e^{j[(L_{n,m}-1)\mathrm{\β}d\cos \mathrm{\θ}+{\mathrm{\ξ}}_{L_{n,m}}]}\underset{i=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{e}^{j2\mathrm{\π}(f_0+{\mathrm{if}}_p)---\left(4\right)}$

其中： 为展开式的傅里叶级数。由(4)式可以看出二进制信息码b_n如果采用传统的方式辐射出去，b_n的功率谱就被搬移到载波频率f₀上，采用这种虚拟运动的方式辐射信号，由于开关函数的作用，信息码b_n的功率谱分别搬移到f₀±f_p，f₀±2f_p，……，f₀±if_p上，实现了频谱扩展。图2给出了采用天线虚拟运动辐射信号的功率谱搬移示意图。 

(6)发射信号安全性能分析：发射的空间扩频信号不仅与扩频码有关，而且与接收机所在的空间方位有关，这样就为发送信息增加了一项保护措施，相比于扩频通信***中每个码片叠加的高斯白噪声产生的误差只对当前的码片有影响，这种误差并不会累积到下一个码片，高斯白噪声对各个码片的影响都是统计独立的，而本发明提出的空间扩频信号由于窃听接收机与期望接收机之间存在角度差，窃听接收机接收信号中还叠加了角度误差，并且这种角度误差会随着发射天线数的增加而逐渐累积， 

这点对于信息传输的安全是非常有利的。假设期望接收机在方位角，如果窃听接收机在方位角ψ′＝ψ+Δθ，其中□θ为误差角度，同一个天线发射信号的相位在这两个方位的相位差： 

${\mathrm{\Δ\φ}}_{L_{n,m}}=[(L_{n,m}-1)\mathrm{\β}d\cos (\frac{\mathrm{\π}}{6}+\mathrm{\Δ\θ})+{\mathrm{\ξ}}_{L_{n,m}}]-[(L_{n,m}-1)\mathrm{\β}d\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{6}\right)+{\mathrm{\ξ}}_{L_{n,m}}]---\left(5\right)$

$=\sqrt{2}\mathrm{\π}(L_{n,m}-1)[\cos (\frac{\mathrm{\π}}{6}+\mathrm{\Δ\θ})-\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{6}\right)]$

当L_n，m＝1，Δφ₁＝0 

L_n，m＝2， $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_2=\sqrt{2}\mathrm{\π}[\cos (\frac{\mathrm{\π}}{6}+\mathrm{\Δ\θ})-\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)]=\sqrt{2}\mathrm{\π}[\cos (\frac{\mathrm{\π}}{6}+\mathrm{\Δ\θ})-\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)]+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_1$

Ｌ_ｎ，m＝3， $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_3=2\sqrt{2}\mathrm{\π}[\cos (\frac{\mathrm{\π}}{6}+\mathrm{\Δ\θ})-\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)]=\sqrt{2}\mathrm{\π}[\cos (\frac{\mathrm{\π}}{6}+\mathrm{\Δ\θ})-\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)]+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_2$

L_n，m＝M， $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_M=\sqrt{2}\mathrm{\π}[\cos (\frac{\mathrm{\π}}{6}+\mathrm{\Δ\θ})-\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)]+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{M-1}$

可以看出接收机的方位误差随着发射天线数的增加(也就是扩频增益的增加)逐渐累积，上一个天线发射信号的相位误差会累积到下一个发射天线，相位误差会使接收信号矢量发生旋转，导致信号能量的损失，如果发射阵列只设计两个发射天线，切换只是在这两个天线之间来回进行切换，同样可以发射空间扩频信号，这样设计就会使角度误差不出现累积效应，但这点对于通信信息的安全是不利的，所以本发明设计了多个天线发射的方案以及(2)中的天线选择算法，利用角度误差的累积效应增加发射信号的安全性能。并且可以根据实际的应用环境设计扩频增益，控制可接收范围。图3给出了不同□θ值下，随着发射天线数的增加，信号能量损失的曲线图。由图3可以看出存在误差相位时，能量损失是一个随着天线数增加的周期函数，虽然曲线存在能量损失减小的过程，但此时的码片相位已经反相，码片包含的信息量已经完全损失。 

3、本发明具有的有益效果：利用本发明产生的空间扩频信号，期望接收机可以像接收传统扩频信号那样捕获、解调信号，窃听接收机捕获、解调性能随偏离方位增大迅速下降，超出偏离方位门限后，就无法捕获信号。这样发射的空间扩频信号为无线传输的通信信息提供了一种新的安全传输方案。 

四、附图说明

图1是开关函数示意图 

图2是发射信号功率谱搬移示意图 

图3是不同角度误差条件下能量损失随着天线序号改变的示意图 

图4是不同方位下发射信号的捕获性能 

图5是可捕获范围内不同方位误码性能随信噪比变化曲线图 

图6是误码性能随方位角变化曲线图 

图7是不同长度扩频序列条件下相关值随方位角变化的性能曲线图 

图8是本发明发射信号可捕获范围与码周期长度之间的关系曲线图 

图9是双天线发射信号可捕获范围与码周期长度之间的关系曲线图 

五、具体实施方式

实施例一：发射信号的扩展频谱特性分析 

如果***的二进制比特信息b_n的速率R_b，信号的带宽R_s＝2R_b，扩频码特征多项式为f(x)＝1+x+x⁴，扩频序列{q_m}为{+1，-1，-1，-1，+1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，-1，+1，+1，+1}，扩频码速率15R_b，根据发射天线选择算法： 

第一步：计算q₁＝1，L_n，1＝1； 

第二步：对于m＝2，3，……，M，计算L_n，m＝L_n，m-1+0.5(3+q_m·q_m-1)，得到的集合{L_n，m}，m＝1，2，……M就是信息码b_n对应的发射天线序号集合； 发射天线的序号集合{L_n，m}为{1，2，4，6，7，8，10，11，13，14，15，16，17，19，21}，根据公式(4)发射信号的基频分量： 

$\left|E_{i=0}\right|=\frac{1}{M}=\frac{1}{15}$

相比于直接发射的信号能量下降了-23.5dB。 

一次谐波分量： 

$\left|E_{i=+1}\right|=\frac{1}{M}\·\frac{\sin (\mathrm{\π}/M)}{\mathrm{\π}/M}=\frac{1}{15}\×0.9927$

$\left|E_{i=-1}\right|=\frac{1}{M}\·\frac{\sin (-\mathrm{\π}/M)}{-\mathrm{\π}/M}=\frac{1}{15}\×0.9927$

相比于基频分量能量下降了0.06dB。 

二次谐波分量： 

$\left|E_{i=+1}\right|=\frac{1}{M}\·\frac{\sin (2\mathrm{\π}/M)}{2\mathrm{\π}/M}=\frac{1}{15}\×0.9710$

$\left|E_{i=+1}\right|=\frac{1}{M}\·\frac{\sin (-2\mathrm{\π}/M)}{-2\mathrm{\π}/M}=\frac{1}{15}\×0.9710$

相比于基频分量能量下降了0.07dB。 

n次谐波分量： 

$\left|E_{i=+n}\right|=\frac{1}{M}\·\frac{\sin (\mathrm{n\π}/M)}{\mathrm{n\π}/M}=\frac{1}{15}\×\frac{\sin (\mathrm{n\π}/M)}{\mathrm{n\π}/M}$

$\left|E_{i=-n}\right|=\frac{1}{M}\·\frac{\sin (-\mathrm{n\π}/M)}{-\mathrm{n\π}/M}=\frac{1}{15}\×\frac{\sin (\mathrm{n\π}/M)}{\mathrm{n\π}/M}$

相比于基频分量能量下降了 这样信号带宽扩展为R_s+2nR_s。 

实施例二：短周期扩频码期望接收与窃听接收捕获与解调性能 

扩频码采用特征多项式为f(x)＝1+x²+x³，周期M＝7的m序列，采用(2)中的发射天线选择算法，发射天线序号集合L_n，m＝{1，2，4，5，7，9，10}。期望接收所在的方位角为 图4给出了不同角度下扩频序列与接收信号在无噪声条件下的相关值，可以看出即使窃听接收机知道发射机使用的扩频码，窃听接收机也只有在方位角25度到35度的范围内才能捕获到发射信号，在其它方位窃听接收机无法捕获到发射信号。根据选取的扩频码周期M＝7，则扩频增益为8.4dB，图5和图6给出了在可捕获的方位角范围内误码性能曲线，仿真中***接收信噪比范围为-10dB到0dB。可以看出在偏离30度方位角的方向，虽然接收机能捕获到发射信号但误码性能也有所恶化，在方位差为4度的方位误码性能已经相差了两个数量别，相差6度的方向信息基本无法解调。 

实施例三：扩频码周期长度对捕获与窃听性能影响比较 

扩频码采用特征多项式分别为：f₁(x)＝1+x²+x³，f₂(x)＝1+x+x⁴，f₃(x)＝1+x³+x⁵，f₄(x)＝1+x+x⁶，f₅(x)＝1+x³+x⁷，f₆(x)＝1+x²+x³+x⁴+x⁸，f₇(x)＝1+x⁴+x⁹，对应的扩频码周期长度M₁＝7，M₂＝15，M₃＝31，M₄＝63，M₅＝127，M₆＝255，M₇＝511。期望接收机所在的方位角为 图7给出了在不同周期扩频码条件下，发射信号在不同角度下的信号捕获性能，图7中第一行图例角分辨率为1度，第二行图例的角分辨率为0.1度，可以看出随着扩频码周期的增加也就是扩频增益的提高，能够捕获到发射信号的方位角范围越来越小。若取最大相关峰值的三分之一为捕获门限，图8和图9给出了使用本发明中的方法发射空间扩频信号和(6)中所提到的双天线无角度误差累积的方式发送空间扩频信号两种设计下信号可捕获范围的比较结果，可以看出采用本发明使用的发射方法，由于空间误差的累积效应，可捕获范围明显变小；而采用双天线方式发射的信号可捕获范围过大，并且随着扩频码周期的增大下降并不明显，当周期M大于127时可捕获信号的范围几乎不会随着扩频码周期的改变而改变，这对于信息的安全传输是不利的，也证明了本发明中采用方法的有效性。 

以上，向熟悉本技术领域的人员提供本发明的描述以使他们易于理解与运用本发明。对于熟悉本技术领域的人员，对这些实施例的各种变更时是显而易见的，而无需创造性的劳动。因此，本发明并不仅限定在这里所述的方案，而是与所述的权利要求一致的范围。 

Claims (2)

1.一种基于虚拟运动天线的空间扩频安全通信方法，其特征在于采用天线切换发射信号的方式虚拟天线的真实运动，并且天线的切换由如下方式实现，设b_n∈{+1，-1}为待发送的二进制比特信息，n＝1，2，……，N，选择使用的扩频码记为q_m∈{+1，-1}，扩频码周期为M，m＝1，2，……，M，每一个二进制比特信息都在阵元总数为R的切换天线直线阵中选择M个单元进行发射，第m个扩频码片对应的发射天线序号为L_n，m，特定的切换方法为： 

第一步：当q₁＝1时，L_n，1＝1，当q₁＝-1时，L_n，1＝2； 

第二步：对于m＝2，3，……，M，计算L_n，m＝L_n，m-1+0.5(3+q_m·q_m-1)，得到的集合{L_n，m}，m＝1，2，……M就是信息码b_n对应的发射天线序号集合；

利用切换天线发射信号产生的基频分量和所有谐波分量构成一个空间扩频信号，其信号特征区别于采用时间调制阵进行方向图综合中只需要基频分量，也不同于时间调制单脉冲中用基频分量和两个一次谐波分量构成单脉冲测向。 

2.根据权利要求1所述的基于虚拟运动天线的空间扩频安全通信方法，其特征在于采用切换天线的方式发射信号，利用了天线开关函数产生的基频分量和所有的谐波分量在空间某个特定的方向形成一个空间扩频信号，是一种新的扩频信号产生方式。