一种新型隐秘通信设备、系统及方法与流程

1.本技术涉及隐秘通信的技术领域，特别是一种新型隐秘通信设备、系统及方法。


背景技术：

2.通信安全是构建通信环境过程中重要的一环，而通信行为的获取与捕获是通信任务泄密的开端。无论后续通过任何加密方法对通信过程进行保护，都存在一定概率造成信息被窃取、截获、破解。因此对通信行为进行隐藏，使得窃密者无法窃取、截获、破解通信信号，将会大大增强通信安全性，保证通信过程安全可靠。相比于传统信息加密、信息隐藏等方法，隐秘通信能够隐藏通信信号，无法被第三方进行截获、感知，不存在传统信息安全方法中传输加密信息被截获的风险，也就不存在加密信息被破解的隐患。
3.目前已开展研究的隐秘通信技术，主要分为信道层面的隐秘通信和物理层面的隐秘通信。其中信道层面的隐秘通信是指通过利用相关技术方法来将通信信号嵌入到合法信道中进行秘密传输的过程，通常利用信号叠加、调制等方式，将调制信号融入到背景信号当中，再利用对应解调方法在接收端进行信号解调，从而实现隐秘通信。而物理层面的隐秘通信一般利用物理器件的固定特性，在收发两端的方位固定的情况下进行点对点通信，在此过程中采用物理器件来进行有关条件约束，从而保证实现隐秘通信。对于信道层面的隐秘通信而言，其优点在于易于操作、方法简单且普适性强，但其缺点在于存在一定风险概率被非法监听者截获获取通信行为，即无法完全保证通信行为的不可探测性。对于物理层面的隐秘通信而言，其优点在于隐秘性强、完全不可探测，但缺点在于操作繁琐、适应性弱、系统构建复杂，并且使用条件过于苛刻、固定，灵活机动能力无法保证。
4.本发明提出的隐秘通信方法是结合了两种典型隐秘通信方法特点的一种新型隐秘通信方法，其通过物理器件的非线性特性对信号进行信号调制，使得通信信号具有类似背景噪声信号的无规律特性，并将调制后的传输信号嵌入隐藏在合法信道的背景噪声当中，从而完成隐秘传输。在接收端利用相同形式的物理器件将传输信号从背景噪声中提取、滤波、解码出来得到通信信号获取传输信息。


技术实现要素：

5.本技术提供一种新型隐秘通信设备、系统及方法，目的是使有效信息被截获可能性大幅度降低。
6.第一方面，提供了通信设备，包括第一发射端口、脉冲压缩混响室和发射天线；所述第一发射端口用于向所述脉冲压缩混响室输入第一窄脉冲信号，所述脉冲压缩混响室用于将所述第一窄脉冲信号转换为长脉冲信号，所述脉冲压缩混响室的多径散射特性与所述第一窄脉冲信号和所述长脉冲信号在相位、频率上的对应关系相关，所述发射天线用于发射来自所述脉冲压缩混响室的信号。
7.与现有技术相比，本技术提供的方案至少包括以下有益技术效果：
8.发射端利用特殊设计的物理器件的非线性特性对发射信号进行调制编码，形成一
种类似背景噪声的无承载显性信息的传输信号，即信号本身不承载显性信息(频率、相位、频谱等)，通过将该信号嵌入背景噪声中进行发射从而实现隐秘通信传输，因此在传输过程中传输信号也是不承载任何显性信息的。由于采用物理器件的非线性特性进行信号的调制、解调，本方案不但具有信道层面灵活、便捷的特性，同时具有物理层面的不可破解性和完全不可探测性，能够有效保障通信过程的隐秘性，使得有效信息被截获可能性大幅度降低。
9.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述脉冲压缩混响室的内腔呈长方体结构，所述脉冲压缩混响室的内壁涂覆有银镀层。
10.通过合理设置脉冲压缩混响室的内腔结构、内壁材料，可以调整脉冲压缩混响室的多径散射特性。
11.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述脉冲压缩混响室内壁的表面粗糙度小于0.5μm。
12.提高脉冲压缩混响室的内壁表面粗糙度，有利于减小对有效信号的吸收率，增大脉冲压缩混响室的信噪比。
13.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述通信设备还包括第二发射端口，所述第二发射端口用于向所述脉冲压缩混响室输入第二窄脉冲信号，所述第二窄脉冲信号与所述第一窄脉冲信号具有非相干性，所述脉冲压缩混响室还用于将所述第二窄脉冲信号转换为长脉冲信号，所述脉冲压缩混响室的多径散射特性与所述第二窄脉冲信号和所述长脉冲信号在相位、频率上的对应关系相关。
14.当数据交互量相对较大时，发射端可以通过多个发射端口发射数据，以提高数据交互效率。
15.第二方面，提供了一种通信设备，包括接收天线、脉冲压缩混响室和第一接收端口；所述接收天线用于向所述脉冲压缩混响室输入长脉冲信号，所述脉冲压缩混响室用于将所述长脉冲信号转换为窄脉冲信号，所述脉冲压缩混响室的多径散射特性与所述窄脉冲信号和所述长脉冲信号在相位、频率上的对应关系相关，所述第一接收端口用于接收所述窄脉冲信号。
16.接收端再利用同一规格的物理器件的非线性特性对接收的背景信号进行响应处理实现滤波、解调，得到承载信息的窄脉冲传输信号。由于物理器件具有唯一对应的特性，且具备频选、滤波的特点，因此能够对接收到的背景信号进行滤波、解调，将接受的背景信号转换为承载显性信息的窄脉冲信号。由于采用物理器件的非线性特性进行信号的调制、解调，本方案不但具有信道层面灵活、便捷的特性，同时具有物理层面的不可破解性和完全不可探测性，能够有效保障通信过程的隐秘性，使得有效信息被截获可能性大幅度降低。
17.结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述脉冲压缩混响室的内腔呈长方体结构，所述脉冲压缩混响室的内壁涂覆有银镀层。
18.结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述脉冲压缩混响室内壁的表面粗糙度小于0.5μm。
19.结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述脉冲压缩混响室输出的窄脉冲信号包括第一窄脉冲信号和第二窄脉冲信号，所述第一窄脉冲信号和第二窄脉冲信号具有非相干性；
20.所述第一所述通信设备还包括频选器和第二接收端口，所述频选器连接在所述脉冲压缩混响室和所述第一接收端口之间，且所述频选器连接在所述脉冲压缩混响室和所述第二接收端口之间，所述频选器用于将所述第一窄脉冲信号输入至所述第一接收端口，将所述第二窄脉冲信号输入至所述第二接收端口。
21.当数据交互量相对较大时，接收端可以通过多个接收端口接收数据，以提高数据交互效率。
22.第三方面，提供了一种通信系统，包括发射端和接收端，所述发射端为如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述的通信设备，所述接收端为如上述第二方面中的任意一种实现方式中所述的通信设备，其中，所述发射端的脉冲压缩混响室的多径散射特性与所述接收端的脉冲压缩混响室的多径散射特性相同。
23.第四方面，提供了一种通信方法，所述方法应用于如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述的通信设备，所述方法包括：
24.向接收端发送指示信息，所述指示信息用于指示目标相位；
25.通过所述脉冲压缩混响室，将窄脉冲信号转变为长脉冲信号，所述窄脉冲信号的相位为所述目标相位；
26.向所述接收端发射所述长脉冲信号。
27.第五方面，提供了一种通信方法，其特征在于，所述方法应用于如上述第二方面中的任意一种实现方式中所述的通信设备，所述方法包括：
28.从发射端接收指示信息，所述指示信息用于指示目标相位；
29.从所述发射端接收长脉冲信号；
30.通过所述脉冲压缩混响室并根据所述目标相位，从所述发射端解码所述长脉冲信号。
附图说明
31.图1为本技术实施例提供的一种通信系统的示意性结构图。
32.图2为本技术实施例提供的一种发射端的示意性结构图。
33.图3为本技术实施例提供的一种信号转变原理图。
34.图4为本技术实施例提供的一种脉冲压缩混响室的示意性结构图。
35.图5为本技术实施例提供的一种接收端的示意性结构图。
36.图6为本技术实施例提供的一种信号转变原理图。
37.图7为本技术实施例提供的一种通信方法的示意性流程图。
38.图8为本技术实施例提供的一种发射端的示意性结构图。
39.图9为本技术实施例提供的一种接收端的示意性结构图。
具体实施方式
40.下面结合附图和具体实施例对本技术作进一步详细的描述。
41.图1是本技术实施例提供的一种通信系统的示意性结构图。
42.通信系统包括发射端与接收端两个部分。发射端部分负责将待发送信息转换成为无承载显性信息的隐秘信号通过辐射天线发射到合法信道；接收端部分负责将合法信道中
接收的背景信号转换成为接收信息。其中发射端由计算机、任意波形发生器、微波功率放大器、脉冲压缩混响室和收发天线组成；接收端由计算机、微波功率放大器、脉冲压缩混响室、收发天线、低噪声放大器和高速采样示波器组成。
43.发射端部分工作原理如图2所示。计算机根据指定编码协议将待发送信息转换为固定格式的0,1数字信号。任意波形发生器将固定格式的0,1数字信号转换为低功率的承载信息的窄脉冲信号。微波功率放大器将低功率的承载信息的窄脉冲信号的功率放大形成高功率的承载信息的窄脉冲信号。脉冲压缩混响室将高功率的承载信息的窄脉冲信号物理编码形成高功率的无承载信息的长脉冲信号并将其嵌入到背景信号当中形成隐秘信号，其信号形式表现为随机高斯白噪声信号。收发天线将隐秘信号进行发射，在合法通道内进行隐秘传播。
44.信号转变过程如图3所示。其中，混响调制过程采用的器件为一个脉冲压缩混响室。图4示出了本技术实施例提供的一种脉冲压缩混响室的示意性结构图。
45.当承载信息的窄脉冲信号激励脉冲压缩混响室时，窄脉冲信号的能量可以为p0，周期可以为τ0。窄脉冲信号的能量可以为mw级。利用电磁波信号在脉冲压缩混响室中的多径效应，通过脉冲压缩混响室对窄脉冲信号应不同时刻或时段的电磁波进行频率、相位及幅度调制，获得其群速或路径(图4中第i个路径表示为ni)，得到窄脉冲信号(指周期小于微秒级的脉冲信号，包括纳秒级脉冲信号和皮秒级脉冲信号)与长脉冲信号(指微秒级脉冲信号)在相位与频率上具有固定的对应关系。也就是说，脉冲压缩混响室的多径散射特性可以与窄脉冲信号和长脉冲信号在相位与频率上的对应关系相关。不满足该对应关系的信号会在脉冲压缩混响室内多次散射而被脉冲压缩混响室吸收。因此可视为一种特定的调制方式。脉冲压缩混响室输出响应为一个脉宽展宽的长脉冲响应信号。其表现为随机噪声的形式，类似背景高斯白噪声，在时域和频域均表现出混沌杂乱性，不承载任何(显性)信息。长脉冲周期为微秒量级，包含窄脉冲信号在脉冲压缩混响室中由多径效应产生的电磁波散射随机分布的路径，长脉冲周期越长包含的频率、相位信息越丰富，但随着周期变长，信号尾部的幅度越弱，因此一般在1～10微秒量范围内选择。在通信过程中，利用固态放大器等设备，可使得长脉冲信号的能量在百瓦量级。
46.在本技术提供的一些实施例中，脉冲压缩混响室的内腔呈长方体结构，脉冲压缩混响室内壁可以涂覆有银镀层。银镀层表面粗糙度可以尽可能高，以减少窄脉冲信号在脉冲压缩混响室内的散射次数，降低脉冲压缩混响室对窄脉冲信号的吸收率。在一些实施例中，脉冲压缩混响室内壁表面粗糙度可以小于0.5μm。优选地，脉冲压缩混响室内壁表面粗糙度可以小于0.1～0.2μm。
47.接收端部分工作原理如图5所示，收发天线接收获得合法信道中的背景信号。低噪声放大器将接收到的背景信号进行低噪放大，再通过微波功率放大器进行二次放大。脉冲压缩混响室将接收到的无承载信息的背景信号进行滤波、解调，去除无用杂波信息形成承载信息的窄脉冲信号。由高速采样示波器将承载信息的窄脉冲信号进行采集形成固定格式的0,1数字信号。计算机根据指定编码协议将固定格式的0,1数字信号转换成为有意义的接收信息。
48.信号转变过程如图6所示。混响解调过程采用的器件为与混响调制过程相同规格的脉冲压缩混响室，可把背景信号作为响应信号激励到脉冲压缩混响室中进行响应处理。
基于脉冲压缩混响室固定的物理结构特性，接收端利用脉冲压缩混响室能够对背景信号中的调制长脉冲类噪声信号实现在不同路径上波形叠加，实现脉冲宽度压缩变窄、脉冲峰值功率增大，从而获得较高的压缩增益，输出对应的承载信息的窄脉冲信号。而对背景信号中的物理层调制信号、加密信号、噪声信号等其他无关信号，由于路径、群速失配使得进入脉冲压缩混响室中的其他无关信号在器件内部产生色散振荡被脉冲压缩混响室内壁吸收衰减，从而实现对无关信号的滤波、抑制。
49.接收端的脉冲压缩混响室的多径散射特性与发射端的脉冲压缩混响室的多径散射特性相同。多径散射特性可以反映电磁波在脉冲压缩混响室内的路径速度分量，影响电磁波在脉冲压缩混响室内的频率、相位及幅度调制。通过设计接收端的脉冲压缩混响室的结构参数和发射端的脉冲压缩混响室的结构参数相同，可以实现二者多径散射特性相同。例如，脉冲压缩混响室的结构形状、尺寸相同，脉冲压缩混响室内壁镀层相同，脉冲压缩混响室内壁粗糙度相同等。
50.在一些实施例中，通过改变输入至发射端脉冲压缩混响室的窄脉冲信号的相位，可以改变发射端脉冲压缩混响室输出的长脉冲响应信号，即改变长脉冲响应信号所表现出的随机噪声的形式。在窄脉冲信号相位的未知情况下，接收端无法对发射端发送的信号进行解码。也就是说，窄脉冲信号的相位可以作为信号的一种加密形式，即使他人伪造相同的脉冲压缩混响室，也无法实现解码。
51.图7是本技术实施例提供一种通信方法的示意性流程图。通过交互窄脉冲信号的相位，可以使发射端通过脉冲压缩混响室发送特定形式的长脉冲信号，且接收端可以成功解码该长脉冲信号。
52.110，发射端向接收端发送指示信息，该指示信息用于指示目标相位。
53.相应地，接收端从发射端接收该指示信息。
54.120，发射端通过脉冲压缩混响室，将窄脉冲信号转变为长脉冲信号，该窄脉冲信号的相位为该目标相位。
55.130，发射端向接收端发射长脉冲信号。
56.相应地，接收端从发射端接收该长脉冲信号。
57.140，接收端通过脉冲压缩混响室并根据目标相位，从发射端解码长脉冲信号，脉冲压缩混响室用于将长脉冲信号转变为窄脉冲信号。
58.当数据交互量相对较大时，发射端可以通过多个发射端口发射数据，接收端可以通过多个接收端口接收数据，以提高数据交互效率。
59.图8是本技术实施例提供的一种发射端的示意性结构图。
60.发射端可以具有第一发射端口、第二发射端口、脉冲压缩混响室和发射天线。第一发射端口可以将第一窄脉冲信号输入至脉冲压缩混响室，第二发射端口可以将第二窄脉冲信号输入至脉冲压缩混响室。第一窄脉冲信号和第二窄脉冲信号满足非相干性。脉冲压缩混响室可以将叠加的第一窄脉冲信号和第二窄脉冲信号转换成长脉冲信号，并通过发射天线发射至接收端。
61.图9是本技术实施例提供的一种接收端的示意性结构图。
62.接收端可以具有接收天线、脉冲压缩混响室、滤波器(或频率选择器)、第一接收端口和第二接收端口。接收天线可以从背景信道中接收到由发射端发射长脉冲信号。脉冲压
缩混响室可以将长脉冲信号转换成叠加的第一窄脉冲信号和第二窄脉冲信号。第一窄脉冲信号和第二窄脉冲信号满足非相干性。叠加的第一窄脉冲信号和第二窄脉冲信号可以被输入至滤波器(或频率选择器)，以使得第一窄脉冲信号可以被输入至第一接收端口，第二窄脉冲信号可以被输入至第二接收端口。
63.本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。