一种基于时空编码超表面的方向调制保密无线通信方法

本发明涉及新型人工电磁材料与无线通信物理层安全，具体为一种基于时空编码超表面的方向调制保密无线通信方法。

背景技术：

1、由亚波长人工结构构成的超材料因其对电磁波的调控能力而被广泛研究，超表面作为超材料的二维形式，具有超薄、高集成度、低插入损耗等优点。数字编码与可编程超表面将单元的工作状态量化为多比特数字码，通过集成pin二极管、变容二极管、微机电系统等可调器件，可对电磁波的相位、幅度与极化进行动态调控，并已被应用于全息成像、反射阵与透射阵、自适应超表面、涡旋波束生成以及无线通信等领域。

2、在可编程超表面中引入时间编码，使每个单元的编码状态随时间周期性变化，即构成时空编码超表面（space-time coding metasurface, stcm）。时空编码超表面能够在空间域与频率域同时调控电磁波，已被用于谐波波束扫描与赋形、非互易传输、传感、成像与伪装等应用。当时空编码超表面用于无线通信时，谐波分量的产生对信号带宽形成约束：一旦信号带宽超过时间调制频率，谐波将与基频载波交叠形成频谱混叠而破坏解调，因而通信带宽受到可调器件切换速度的限制。然而，通过合理设计时空编码矩阵，可以调控各阶谐波的空间分布，使接收信号的频谱构成具有方向相关性，这种方向相关的频谱混叠为保密无线通信提供了契机。

3、由于无线通信具有广播特性，传输信息易被窃听，因此保密无线通信备受关注，可编程超表面已被作为实现保密通信的硬件平台进行研究。时空编码超表面方向相关的频谱混叠特性天然适用于方向调制（directional modulation, dm）这一仅沿预设方向传递正确调制信号的安全技术。早期的方向调制依赖相控阵，需要高精度射频移相器逐天线阵子调整相位，对移相器精度与切换速度要求很高，可达符号率直接受限于移相器性能；时间调制阵列（亦称四维天线阵列）通过在天线单元与馈电网络之间放置射频开关引入周期性时间调制，在非期望方向产生频谱混叠以实现方向调制，免除了移相器以符号率切换的要求，但其射频开关仅以通断方式调制幅度，波束扫描仍依赖专门的移相网络，且周期性通断会在部分调制周期内关断单元，降低时间平均辐射与口径效率。

4、针对上述存在的问题，如何提出一种在仅依靠单块低比特可编程超表面的情况下，不仅可以同时实现基频波束扫描与方向相关的谐波空间分布控制，使期望方向的合法接收机可靠解调，而非期望方向因频谱混叠无法正确解调，还能为物理层保密无线通信提供了硬件高效的解决方案的基于时空编码超表面的方向调制保密无线通信方法，是本发明亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出了一种基于时空编码超表面的方向调制保密无线通信方法，从而使得在仅依靠单块低比特可编程超表面的情况下，通过时空编码矩阵设计同时实现基频波束扫描与谐波空间分布控制，在期望方向支持可靠解调、在非期望方向利用频谱混叠阻止解调，为现有保密无线通信技术提供一种硬件高效的替代方案。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：本发明提供一种基于时空编码超表面的方向调制保密无线通信方法，包括以下步骤：

3、1）采用时空编码超表面，所述超表面由n个单元构成，每个单元支持m个离散工作状态，编码为{0,1,…,m−1}；为每个单元分配一个长度为l、调制周期为t0的时间编码序列，所有单元的时间编码序列共同构成n×l的时空编码矩阵；所述超表面被中心频点为fc的通信载波照射；

4、2）将时间调制频率f0设置为低于通信信号带宽b，即f0

5、3）位于期望方向θ0的合法接收机接收到以基频分量为主、高次谐波被抑制的信号，从而正确解调；位于非期望方向的窃听者接收到由多个谐波分量在信号带宽内相互交叠而产生的频谱混叠信号，即使在高信噪比条件下也无法正确解调；

6、4）以期望方向的主瓣增益、波束指向以及方向相关的时域稳定比（所述时域稳定比定义为给定方向上远场响应的时间平均分量的功率与时变波动分量的功率之比，用以量化该方向上远场响应随时间的稳定程度）为约束，对所述时空编码矩阵进行优化求解，在保证合法接收机通信质量的同时，确保非期望方向的保密性能，。

7、作为进一步的改进，所述步骤4）中，定义时域稳定比用以量化给定方向θ上远场响应随时间的稳定程度：将一个调制周期内第l个时隙内的瞬时远场响应记为，其时间平均记为，则tsr(θ)等于时间平均分量的功率与时变波动分量功率之比（具体地，先由一个调制周期内l个时隙的瞬时远场响应gl(θ)求得时间平均响应，即时间平均响应等于l个时隙响应gl(θ)的算术平均；时间平均分量的功率为该时间平均响应的模的平方，时变波动分量的功率为各时隙响应gl(θ)与该时间平均响应之差的模的平方在l个时隙上的平均）；在期望方向θ0处tsr取高值，表示远场响应在时域稳定、支持可靠解调，而在非期望方向tsr取低值，表示远场响应剧烈波动、阻碍正确解调。

8、作为进一步的改进，所述步骤4）中，优化求解为采用优化算法对时空编码矩阵进行设计求解，其目标函数由四项代价加权求和构成：第一项惩罚期望方向上基频分量主瓣增益的不足，第二项惩罚基频波束的指向偏差，第三项惩罚期望方向θ0处时域稳定比低于设定下限的情形，第四项惩罚非期望方向上时域稳定比高于设定上限的情形；通过调节各项权重，平衡合法接收机的通信质量与非期望方向的保密性能。

9、作为进一步的改进，所述步骤2）中，将时间调制频率f0设置为低于通信信号带宽b，使非期望方向上产生的频谱混叠成为有意利用的保密机制。

10、作为进一步的改进，在通信传输过程中动态改变时间调制频率f0，使非期望方向窃听者所观测到的星座图畸变随之改变，而合法接收机不受时间调制频率变化的影响，提供一种增强物理层保密性的动态机制。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

12、本发明提供的一种基于时空编码超表面的方向调制保密无线通信方法，仅依靠单块低比特可编程超表面即可同时实现基频波束扫描与方向相关的谐波空间分布控制，使期望方向的合法接收机可靠解调，而非期望方向因频谱混叠即使在高信噪比下也无法正确解调；引入时域稳定比使时空编码矩阵的优化变得可行；时间调制频率可作为可调保密参数动态切换以进一步增强保密性。相比依赖高精度移相器的相控阵方向调制和需要额外移相网络、口径效率较低的时间调制阵列，本方法硬件高效、结构紧凑，为物理层保密无线通信提供了一种切实可行的方案。

1.一种基于时空编码超表面的方向调制保密无线通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于时空编码超表面的方向调制保密无线通信方法，其特征在于，所述步骤4）中的时域稳定比用以量化给定方向θ上远场响应随时间的稳定程度：将一个调制周期内第l个时隙内的瞬时远场响应记为，其时间平均记为，则tsr(θ)等于时间平均分量的功率与时变波动分量功率之比，具体地，先由一个调制周期内l个时隙的瞬时远场响应gl(θ)求得时间平均响应，即时间平均响应等于l个时隙响应gl(θ)的算术平均；时间平均分量的功率为该时间平均响应的模的平方，时变波动分量的功率为各时隙响应gl(θ)与该时间平均响应之差的模的平方在l个时隙上的平均；在期望方向θ0处tsr(θ)取高值，表示远场响应在时域稳定、支持可靠解调，而在非期望方向tsr(θ)取低值，表示远场响应剧烈波动、阻碍正确解调。

3.根据权利要求2所述的一种基于时空编码超表面的方向调制保密无线通信方法，其特征在于，所述步骤4）中，优化求解为采用优化算法对时空编码矩阵进行设计求解，其目标函数由四项代价加权求和构成：第一项惩罚期望方向上基频分量主瓣增益的不足，第二项惩罚基频波束的指向偏差，第三项惩罚期望方向θ0处时域稳定比低于设定下限的情形，第四项惩罚非期望方向上时域稳定比高于设定上限的情形；通过调节各项权重，平衡合法接收机的通信质量与非期望方向的保密性能。

4.根据权利要求3所述的一种基于时空编码超表面的方向调制保密无线通信方法，其特征在于，所述步骤2）中，将时间调制频率f0设置为低于通信信号带宽b，使非期望方向上产生的频谱混叠成为有意利用的保密机制。

5.根据权利要求4所述的一种基于时空编码超表面的方向调制保密无线通信方法，其特征在于，在通信传输过程中动态改变时间调制频率f0，使非期望方向窃听者所观测到的星座图畸变随之改变，而合法接收机不受时间调制频率变化的影响，提供一种增强物理层保密性的动态机制。