[論文レビュー] Directional Modulation Design Based on Crossed-Dipole Arrays for Two Signals With Orthogonal Polarisations

Bo Zhang, Wei Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Antenna Design and Optimization被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、同一の方向および周波数で2つの直交偏波信号を同時に送信できる交差ダイポールアレイを用いた方向性モデュレーション（DM）技術を提案する。これにより4次元（4-D）合成信号が形成される。両偏波にわたる共通の重み係数を共同最適化することで、メインローブ以外の領域では位相スキャンブルされた星座図を実現し、物理層セキュリティとスペクトル効率の両方を向上させる。

ABSTRACT

Directional modulation (DM) is a physical layer security technique based on antenna arrays and so far the polarisation information has not been considered in its designs. To increase the channel capacity, we consider exploiting the polarisation information and send two different signals simultaneously at the same direction, same frequency, but with different polarisations. These two signals can also be considered as one composite signal using the four dimensional (4-D) modulation scheme across the two polarisation diversity channels. In this paper, based on cross-dipole arrays, we formulate the design to find a set of common weight coefficients to achieve directional modulation for such a composite signal and examples are provided to verify the effectiveness of the proposed method.

研究の動機と目的

• 単一信号DMを超えるシステムのスペクトル効率を向上させるために、方向性モデュレーションにおける偏波ダイバーシティを活用すること。
• 従来のDM設計では通常、1つの周波数・方向で1つの信号しか送信しないが、その偏波利用の欠如を是正すること。
• 交差ダイポールアレイを用いて、偏波と空間放射パターンを同時に制御する統一されたビームフォーミングフレームワークの構築。
• 2つの直交偏波信号が所定の方向では明確に区別可能な星座図を維持し、他の方向ではスキャンブル化されることを保証すること。
• 低側 lob レベルと強固な位相スキャンブルを示すシミュレーション例を通じて、提案手法の実現可能性と性能を検証すること。

提案手法

• N個の要素からなる交差ダイポールアレイをモデル化し、各要素はxおよびy偏波の直交する2つのダイポールを有し、それぞれ複素重み $ w_{n,x} $ および $ w_{n,y} $ で励起される。
• 空間指向性 $ \mathbf{s}_s(\theta,\phi) $ と偏波応答 $ \mathbf{s}_p(\theta,\phi,\gamma,\eta) $ を組み合わせた、xおよびyサブアレイ応答の連結として全体のスティアリングベクトルを定式化する。
• ビーム応答を $ p(\theta,\phi,\gamma,\eta) = \mathbf{w}^H \mathbf{s}(\theta,\phi,\gamma,\eta) $ として導出する。ここで $ \mathbf{w} $ は合成重みベクトルである。
• 所定の方向における両信号の位相パターンを一致させることで、共通の重みベクトル $ \mathbf{w} $ を設計し、両偏波信号の方向性モデュレーションを同時に実現する。
• 2つの直交信号を4次元信号空間内での1つの合成信号として扱う4-Dモデュレーションフレームワークを採用する。
• 受信側で偏波の整合性が送信側と一致しなくても、標準的な信号処理技術を用いて2つの信号を分離可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのアレイを用いて、直交偏波を有する2つの独立したモデュレーション信号を同時に送信可能か？
• RQ2 共通の重み係数セットをどのように設計すれば、2つの直交偏波信号の両方に対して同時に方向性モデュレーションを実現できるか？
• RQ3 偏波ダイバーシティは、方向性モデュレーションにおけるビームパターン、側 lob レベル、および星座図スキャンブルにどのような影響を与えるか？
• RQ4 提案手法は、偏波不整合が生じても、低クロス偏波干渉を維持し、受信側での信号分離を信頼性高く可能にするか？
• RQ5 直交偏波を用いた4-D信号表現は、全体のシステム容量およびセキュリティ性能にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 提案手法は、2つの直交偏波信号の両方について、所定の方向で標準的な位相パターンを持つメインローブを実現した。
• ビームパターンは低側 lob レベルを示しており、意図しない方向への干渉を低減する空間的指向性が有効に発揮されている。
• 意図した方向以外の全方向で、両信号の星座マッピングがスキャンブル化されていることが確認され、方向性モデュレーションの物理層セキュリティ特性が裏付けられた。
• 同じ周波数と方向で2つの独立信号を同時に送信可能であり、偏波 multiplexing を通じてスペクトル効率が有効に2倍に向上した。
• 受信側は、信号の直交性のおかげで、偏波不一致があっても標準的な信号処理技術により2つの信号を信頼性高く分離可能である。
• 設計例により、交差ダイポールアレイを用いた4-D方向性モデュレーション方式の実現可能性と有効性が確認された。