基于阵列的方向调制在安全通信上的应用研究

摘要

基于方向调制的物理层安全无线通信技术目前受到了国内外学者的广泛研究，其基本原理是将相（频）控阵波束合成与信号期望到达的方向（位置）进行联合优化，使得发射的信号只在期望的方向（位置）上形成稳定的、可被识别的星座图，而在非期望方向（位置）造成星座紊乱的迹象。本文重点研究了基于频控阵的方向调制技术和相应的物理层安全通信原理。论文的主要工作如下：
　　1.通过理论推导和计算机仿真等方法分析了频控阵波束的主要特点：频控阵波束具有距离周期性，在阵列发射位置呈螺旋向外扩散的现象。本文提出了“S”形频控阵波束的实现方法，这种波束可用于干扰敌方雷达，充分展现了频控阵的一些优势。随后通过MATLAB软件仿真验证了“S”波束和点形波束实现方法的可行性。
　　2.在研究并分析了通过遗传算法来计算相位偏移的相控阵方向调制的基本原理和方法基础上，结合粒子群算法，给出了基于粒子群算法的相控阵方向调制方法。由于遗传算法收敛性不够好，不能保证每次迭代出结果，而这种方法在计算相位偏移的效率上有了进一步的提升，并且每次都能得到最优解。在已有的相控阵方向调制的基础上提出了基于频控阵的方向调制方法，这种方法能够实现对接收机位置更精确的选择（方向、距离双重选择）。尤其是在窃听接收机和期望接收机同方向的情况下，采用频控阵作为发射阵列能够实现安全通信，计算机仿真也验证了其正确性。
　　3.在对基于切换天线阵列的方向调制扩频技术分析中，比较了在已有的切换方案条件下利用单一阵元和子阵分别作为切换单元系统的误码率和安全性能。由于阵列增益的存在，单一天线的安全性能比不上子阵，而针对目前已有的子阵切换方案的天线利用率低的局限，本文提出了一种新的天线（阵列）切换方案，这种方案相对于单一天线切换而言提高了安全性能，而对于已有的子阵切换提高了天线的利用率，该方案的有效性最终也通过了仿真验证。
　　4.在 MATLAB平台上搭建了一个采用方向调制技术的点对点的安全通信软件系统。该系统分别采用相控阵和频控阵作为发射阵列，并且对这两种方式的理论误码率和实际误码率进行了仿真和测试，测试结果表明可通过增加扩频码长度和子阵中阵元数目来提升安全性能。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

1.2 方向调制的国内外研究现状

1.3 频控阵的国内外研究现状

1.4 基于相控阵的方向调制

1.4.1 一维线性相控阵的波束形成

1.4.2 方向调制信号

1.4.3 方向调制中的多径问题

1.5 论文主要研究内容和章节安排

第二章 阵列模型和波束形成

2.1 阵列模型

2.1.1 相控阵概述

2.1.2 频控阵原理

2.2 频控阵波束合成

2.2.1 频控阵近场波束形成

2.2.2 频控阵远场S形波束

2.2.3 频控阵远场点波束形成

2.3 本章小结

第三章 基于阵列的方向调制技术

3.1 基于粒子群算法的相控阵方向调制

3.1.1 相控阵方向调制原理

3.1.2 基于粒子群算法求权值

3.2 频控阵方向调制

3.2.1 频控阵方向调制模型

3.2.2 基于粒子群算法的频控阵方向调制

3.3 本章小结

第四章 基于切换阵列的方向调制扩频技术

4.1.1 阵列天线切换方案

4.1.2 相控阵方向调制扩频信号相关特性分析

4.2 基于切换阵列的频控阵方向调制

4.2.1 频控阵方向调制信号的原理和阵列切换方案

4.2.2 频控阵方向调制扩频信号相关特性分析

4.3 单径通信系统

4.3.1 物理层安全通信系统模型

4.3.2 应用相控阵实现安全通信系统

4.3.3 应用频控阵实现安全通信系统

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

致谢

参考文献

个人简历及攻读硕士学位期间取得的成果