基于方向调制的多目标卫星物理层安全测控技术

在巨型星座中,航天测控系统需对多目标卫星同时进行测控任务。由于无线信号的广播特性,全空域多波束测控系统在可视弧段内存在多个目标卫星和多个非目标卫星,有用信息在传输过程中易被非目标卫星拦截和窃听,测控链路的物理层安全问题亟待解决。考虑在地面站多波束发射机中引入方向调制技术,通过在发射信号中叠加人工噪声,并针对非目标卫星方向未知和已知两种场景分别设计基于正交投影和基于最大化信泄噪比(maximum signal-to-leakage-and-noise ratio,Max-SLNR)的波束成形算法,来有效提升测控系统的物理层安全性能。仿真结果表明,两种算法均能使非目标卫星方向上的接收信号星座图产生畸变,同时在目标卫星方向上保持标准的星座图分布。相较而言,正交投影算法更适用于非目标方向未知场景,达到无差别屏蔽非目标卫星方向截获的效果;而Max-SLNR算法综合考虑了对非目标卫星接收机性能的抑制,能够达到定向屏蔽非目标卫星的效果。

一种基于四维天线阵改进时序的方向调制技术

四维天线阵能够在保持瞬时方向性不变的情况下使得仅侧射方向合法接收机能够准确接收完整信号,而位于非侧射方向的不期望接收机不能准确接收完整信号。这一保密通信功能的实现不需要引入新的天线结构,也无需使用传统阵列中移相器、衰减器,但是其误码率波束宽度等性能较传统天线阵有所牺牲。提出了一种改进时间序列的四维天线阵方向调制技术。通过合理地设计时间序列,该四维天线阵在实现保密通信的同时,相较于传统天线阵还具有更窄的误码率波束宽度、更高的误码率副瓣、更强的不期望方向混叠效应。此外,引入优化时间序列的四维天线阵还具备结构简单、设计灵活的优势,在保密通信等应用中前景良好。

多目标遗传算法方向调制物理层安全通信信号设计

提出了一种运用多目标函数遗传算法的方向调制信号.根据星座点之间欧氏距离与误码性能之间的关系,采用多目标函数综合相移器相移值,使得发射信号星座图在期望方位与基带数字调制信号相同,而在其他方位产生最大程度的畸变.相比于传统的方向调制信号,用文中方法发射的方向调制信号具有更窄的波束宽度.仿真结果表明,所提出的多目标方向调制物理层安全通信信号具有更强的防窃听性能.

一种基于方向调制的双波束扩频安全通信系统

为了提高通信信息在无线传输过程中的窃听难度,该文提出了一种基于方向调制的双波束扩频信号。发射信号不仅与使用的扩频序列有关,而且与接收机相对于发射机的空间方位信息有关,是一种扩频序列和空间方位信息共同调制的空间扩频信号。仿真结果表明相比于传统的扩频信号,双波束方向调制扩频信号为通信信息在信息传输层面上提供了一种更加安全的无线传输方法。

基于方向调制原理的涡流热成像漆层下裂纹检测技术

针对传统技术检测漆层下金属表面裂纹信噪比低的问题,提出了一种基于方向调制原理的涡流热成像检测技术。首先介绍了方向调制的原理,通过推导方向调制的数学模型,从理论上证明了方法的可行性,根据理论公式与实际情况选择了调制频率,根据该方法搭建了实验平台;分析了涡流无法完整旋转的问题,并提出了一种基于驱动PWM驱动信号翻转的改进方法;针对加热可能导致的谐振频率漂移问题,提出了一种双通道频率跟踪策略;最后对不同漆层厚度下45#钢的人工裂纹与0.517 mm漆层厚度下20#钢磨平焊缝裂纹进行检测并与磁粉法的结果对比。实验结果表明:方向调制方法可检测出0.902 mm漆层下的人工裂纹与0.517 mm漆层下的模拟自然裂纹;对比0.486 mm漆层下人工裂纹与0.451 mm漆层下模拟自然裂纹的磁粉法检测结果,方向调制方法有效提升了漆层下裂纹的检测能力。

基于方向调制的无线安全传输基本原理、关键技术与未来展望

方向调制(Directional modulation,DM)作为无线物理层安全传输的关键技术能够很好地提升系统的安全性能。然而,由于在角度测量过程中存在误差,因此需要在设计有用信号波束成形向量和人工噪声(Artificial noise,AN)投影矩阵时考虑角度误差,从而提升系统安全性能。本文首先描述了DM系统模型,然后介绍了到达角(Direction of arrival,DOA)估计技术、稳健波束成形设计的3种算法及功率分配技术。仿真表明:稳健波束成形合成方法的性能明显要优于非稳健合成方法,且有用信号和AN之间最优功率分配能明显提高安全速率性能。最后,对DM未来新的发展方向与所面临的挑战性等开放问题进行展望与总结。

基于相位赋形的方向调制信号综合方法研究

方向调制技术采用多天射阵列在天线端综合出具有方向特性的数字调制信号,是近年来物理层安全通信领域研究的热点之一。现有方向调制信号综合算法主要基于遗传算法和矢量法,但由于不同文献研究的通信系统模型不同,基于这两种算法的方向调制信号应用都具有一定的局限性。该文从窃听接收机所在的非期望方位接收方向调制信号星座点之间的相对相位关系产生畸变这一方向调制信号物理层安全本质出发,提出一种基于相位赋形的方向调制信号综合算法。首先根据不同的通信模型建立期望的相位波束空间覆盖函数,然后对期望的赋形相位波束采用空间傅里叶变换得到发射阵列的加权值。仿真结果表明该文提出的方向调制信号综合算法适用于笔形相位波束单用户信道、扇形相位波束的广播信道和多用户正交信道等不同的通信应用场景,为方向调制信号在不同通信场景中的应用提供技术支撑。

无线通信传输目标信号方向调制研究

方向调制技术是无线网络物理层安全通信的关键技术之一。由于方向调制信号的信息波束宽、旁瓣信息泄露严重,不能保证较高的安全性能,为此从降低接收机误码率的角度来研究无线通信传输目标信号方向调制的问题。首先,根据远场分布的相位在期望方向的畸变程度来建立理想的目标函数模型,然后在该模型下提出一种基于相位赋形的方向调制算法。该算法可在无线网络中更好地逼近理想目标函数。最后,对相位赋形方向调制算法进行计算机仿真。结果表明:所提算法发射的信号具有更窄的信息波束宽度,很好地解决了旁瓣信息泄露的问题,有更高的安全性能。

非相关切换天线扩频方向调制物理层安全传输

为了提高无线通信的安全性,提出了一种非相关切换天线扩频方向调制方法.首先分析了现有切换天线合成扩频方向调制方法存在的安全漏洞,指出该方法在特定的通信角度存在泄密隐患;然后通过分析安全漏洞存在的原因,将天线切换过程与扩频实现过程独立分开,从而消除了泄密角度;最后仿真对比了两种方法的物理层安全性能.结果表明,这种方法具有更好的低截获性和抗干扰能力.

方向调制信号干扰激励优化设计方法

为了提高方向调制物理层通信安全信号的安全性能,本文基于方向调制天线静态和动态干扰激励的优化问题,分别以一定区域内窃听者误码率和信号幅度衰减系数作为安全性衡量指标,建立了发射机效率约束条件下的安全最优化模型,然后结合增广拉格朗日遗传算法,优化设计了方向调制信号。仿真验证表明,与一般方向调制信号相比,在同等发射机效率条件下所优化设计的方向调制信号能进一步提高窃听者误码率,表现出更好的安全性能。

基于方向调制涡流热成像的防腐漆下裂纹检测

针对传统涡流热成像检测技术中防腐漆层下金属表面裂纹检测信噪比低的问题,提出一种基于方向调制的涡流热成像裂纹检测方法。首先介绍了方向调制涡流热成像的检测原理,介绍了方向调制检测系统;然后根据方向调制方法的数学模型,分析了该方法的可行性,并通过有限元仿真的方法确定调制频率;最后对0.8 mm漆层厚度下不同尺寸裂纹的实验结果进行分析,并且与大功率脉冲涡流热成像方法的检测结果相对比。实验结果表明:方向调制方法对防腐漆下裂纹检测是可行的,并能够有效提高成像信噪比。

基于GNU Radio和USRP的切换天线方向调制物理层安全系统

提出了一种切换天线方向调制物理层安全传输系统,利用天线的切换选择扰乱非期望方向的窃听者进行信息窃密,实现了视距空间的保密通信。基于GNU Radio和USRP软件无线电平台,结合高速射频开关、FPGA控制板、网络收发模块以及阵列天线搭建了实验验证系统。通过测试窃听者位于不同方位角的视频传输质量和信号星座样式验证了该方法的可行性,结果表明与传统阵列天线相比,切换天线方向调制技术能提供更安全的视距通信。

基于多目标遗传模拟退火算法的方向调制

为实现对自由空间中任意期望方向的物理层安全通信,提出了一种运用多目标函数遗传模拟退火算法的方向调制方法。文中建立以通信信号误码性能和星座图畸变程度为指标的2个遗传目标函数,并结合模拟退火算法以避免遗传算法易陷入局部最优,使得发射信号在合法用户方向与期望星座图相同,而窃听用户方向上星座图产生极大程度的畸变。仿真结果表明:所提方向调制方法与现有基于遗传算法、粒子群算法、多目标遗传算法方向调制方法相比,具有更窄的误码率波束宽度,所提出的多目标方向调制物理层安全通信信号具有更强的防窃听性能。

时间调制阵列的方向调制信号综合算法研究

针对时间调制稀疏阵列天线方向调制信号综合问题提出了一种分步迭代凸优化算法。通过对阵元开启时长和开启时刻的分析,将方向图的上下界约束转化成凸问题。通过对中心频带和边带方向图的分步优化,使期望辐射方向上只有中心频带辐射,边带信号形成零陷。稀疏线阵的仿真结果验证了所提算法的稳定性和高效性,达到了方向调制信号综合的目的。

波动双径衰落信道下的圆阵方向调制方法

为了实现对三维空间中任意期望方向的物理层安全通信,提出了一种基于均匀圆阵的方向调制发射机系统模型,使用迫零波束形成发射有用信号的同时用零空间映射法发射随机的人工噪声干扰非期望方向.针对当前对毫米波信号小尺度衰落刻画较好的波动双径(fluctuating two-ray,FTR)衰落信道,推导了本文模型的平均安全容量(average secrecy capacity,ASC)下界、安全中断概率(secrecy outage probability,SOP)上界的闭合表达式,对比了系统安全性能关于信噪比的变化曲线.仿真结果表明,阵元数为64,信噪比为10 dB,圆阵方向调制在期望方向可以无失真地恢复信号,非期望方向误差向量幅度(error vector magnitude,EVM)高达100%,误比特率高于40%.本文方法能在三维空间实现无需密钥的定向安全传输,提高信噪比可改善其在FTR衰落信道下的安全性能.

方向调制技术分布式加权窃密方法

针对方向调制物理层安全技术提出了一种分布式加权窃密方法。分析了分布式窃密的可能性,指出窃听者可以实现窃密的本质原因是能够利用多个窃听信道对合法信道进行拟合,消除信号星座点畸变和干扰。然后针对具有恒模特性的相移键控(PSK)信号,设计了分布式接收模型和基于修正恒模的加权窃密方法。最后仿真了分布式窃密方法的性能,从理论上指出方向调制信号在一定条件下仍然是不安全的。

多目标优化的相控阵三维方向调制方法

针对无线通信系统物理层安全,提出一种基于多目标优化的相控天线阵三维方向调制技术。研究了基于相控阵的二维方向调制技术,在此基础上,引入俯仰角构建三维方向调制技术,并采用多目标优化的遗传算法,通过第二目标函数将非期望俯仰角上的星座图畸变最大化,保证合法接收者垂直方向上的信息传输安全,同时克服单目标遗传算法产生的调制信号对俯仰角的不敏感性。对算法进行仿真性能分析,并给出了物理层安全中潜在的研究方向。

基于凸优化的稀疏阵列方向调制信号综合算法研究

方向调制技术利用多天线发射阵列的空间调制能力在天线端综合出具有方向特性的数字调制信号是近年来物理层安全通信领域研究的热点之一。该文提出一种基于凸优化的稀疏阵列方向调制信号综合算法。首先算法建立以阵列稀疏为目标函数以及方向调制信号不同性能要求为约束的非凸优化问题;然后针对这个非凸问题,给出了两种不同的求解方案:一种基于迭代加权1?算法,但稀疏算法得到的结果可能存在阵元间距小于半个波长的情况;另一种基于混合整数规划,确保稀疏算法得到的阵元间距至少为半个波长;最后在混合整数规划算法的基础上建立以方向调制信号功率利用率为目标的优化问题,优化稀疏阵列方向调制信号发射机的功率利用率。仿真结果表明,相比于与现有的基于均匀等间距直线阵列的方向调制信号综合算法,所提算法在方向调制信号的安全性能、方向调制信号发射机的功率利用率以及阵列的稀疏程度之间具有良好的设计灵活度。

稀疏阵列方向调制信号综合算法

方向调制技术是近年来物理层安全通信领域研究的热点之一。现有的研究都是采用均匀相控阵根据应用场景性能要求的不同来研究方向调制信号的综合算法,不同场景性能要求下综合算法不具有通用性。针对这一问题提出了一种基于稀疏阵列的方向调制信号综合算法,算法中首先利用前向后向矩阵束方法求解稀疏阵列的阵元位置,然后针对方向调制信号应用场景性能要求建立相应的优化问题,通过优化问题中的目标函数和约束条件将不同的性能要求统一到一个优化问题中求解稀疏阵元对应的激励。仿真结果表明所提的基于稀疏阵列的方向调制信号综合算法相比于均匀阵列的方向调制信号综合算法能够更好地适应不同场景性能要求下方向调制信号发射机的设计。

基于切换天线的类跳频方向调制物理层安全传输方法

为了提高阵列天线通信的安全性,提出了一种具有跳频特征的类跳频方向调制物理层安全传输方法。发射机利用射频开关变速切换阵列天线,使非期望方向的信号随着时间的变化发生相位的周期变化进而表现出跳频特性,在不影响期望方向正常通信的条件下使窃听者更难截获通信信号。从载波相位改变的角度分析了通信信号在不同方位角的时频域特性,最后仿真了不同方位角信号时频谱图以及针对BPSK和2FSK两种通信信号窃听者的接收性能,结果表明类跳频方向调制是一种具有低截获特性的物理层安全通信方法。