无线通信的脆弱性本质上源于无线电磁环境的不确定性、不可操控性以及由此产生的自然与人为扰动。这些电磁环境产生的影响可以归结为在不确定的自然环境约束下,由不可操控性带来的可靠性、保密性和抗干扰等问题。无线内生安全利用无线信道具有的各点异性、随机时变性和第三方测不准特性等内生安全属性解决上述问题,是未来无线通信的新兴发展方向。然而,现有无线内生安全方案中仍然存在以下问题:（1）对于信息安全方案,多径在射频前端叠加导致信道信息损失,降低从信道中提取的密钥熵;（2）对于功能安全方案,射频前端大功率干扰与期望信号叠加导致信号信息损失,降低抗干扰增益。上述问题的根本原因可以归结为阵列前端自由度受限,后端数字信号处理难以弥补前端的信息损失而导致的信息安全与功能安全性能下降问题。本文研究基于空时异构阵列的无线内生安全理论,通过厘清异构阵列的内生安全机理,建立基于空域多径信道及异构阵元的空时异构阵列模型,并在该系统架构下提出内生安全方案,最终增强信息安全与功能安全能力。利用超表面天线,赋予射频前端自由度。增强阵列对信号径的感知能力,提高密钥生成性能;增强阵列对信号流的匹配能力,提高抗干扰性能。具体包括:1.提出空时异构阵列模型及理论框架。现有天线阵列中,阵列前端采用结构相同且固定的天线,即同构天线接收信号。阵列孔径受限的条件下,增加天线会导致空间相关性增强,难以持续提高阵列性能。本文提出射频前端采用异构天线的阵列模型,利用天线在空间与时间二维上的异构观测多径信道,从而降低阵元的空间相关性,提高有效自由度。2.提出一种基于无穷范数最小化的抗衰落多流信号接收方案。信号多径在天线处非同相叠加时将会造成衰落,导致接收信号能量下降。本文利用空时异构阵列,在阵列前端的天线处调整方向图,改变多径的叠加方式。使期望信号多径叠加增强,非期望信号的多径叠加相消,提高阵列接收性能。仿真结果表明,在信噪比为10 d B条件下,采用QPSK调制方式时,误比特率相比于同构阵列降低1个数量级以上。3.提出一种基于单超表面天线的前端多径信道感知方案。无线信道参数的熵决定了密钥生成速率的上限,现有方案从无线多径的叠加结果中提取密钥,而叠加将导致信道信息损失。天线对多径的接收可以抽象为多径矢量在天线方向图函数上的投影,本文利用单超表面天线的射频前端自由度,快速切换方向图对同一组多径接收,从多维投影中分离多径并估计多径的到达角及复增益,为密钥生成速率的提升提供基础。仿真结果表明,在信噪比为5 d B条件下,相比于多天线估计方案的归一化均方误差降低约1个数量级。4.提出一种空时异构阵列前后端联合盲抗干扰方案。现有空域抗干扰技术主要依靠后端的数字信号处理方式实现干扰抑制。当大功率干扰与期望信号同时进入射频通道时,用于表示期望信号的ADC位数减少,造成信息损失,降低后端抗干扰性能。本文一方面利用超表面天线带来的自由度,提高了阵列的整体性能,增加了空间分辨率;另一方面利用超表面天线的信号处理能力,在射频最前端对入射干扰信号抑制,避免表示期望信号的位数下降导致的信息损失。最终提高抗干扰能力。仿真结果表明,在未知干扰信道的非配合条件下,当干信比为40 d B时,采用QPSK调制方式时,误比特率相比于同构阵列降低1个数量级以上。5.搭建了空时异构阵列无线内生安全原理验证系统。针对上述研究内容中所提模型及安全算法,搭建原理验证系统进行实验验证。