[論文レビュー] Integrating Secure and High-Speed Communications into Frequency Hopping MIMO Radar

Kai Wu, J. Andrew Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2020

Radar Systems and Signal Processing参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、周波数ホッピングMIMOレーダーを用い、ホッピング周波数順列（HFPS）を活用することで物理層セキュリティを実現する、新規の安全で高速な二機能レーダー通信（DFRC）システムを提案する。エレメント単位の位相補償（EPC）を導入することで、送信方向角（AoD）依存の復号問題を解消し、意図したユーザー（ボブ）にのみ信頼性の高い通信を可能にするとともに、全方向に信号の星座をスキャンブル化して盗聴者（イヴ）の復号を不可能にし、従来手法に比べて近似的に完璧なセキュリティと高いデータレートを達成する。

ABSTRACT

Dual-function radar-communication (DFRC) based on frequency hopping (FH) MIMO radar (FH-MIMO DFRC) achieves symbol rate much higher than radar pulse repetition frequency. Such DFRC, however, is prone to eavesdropping due to the spatially uniform illumination of FH-MIMO radar. How to enhance the physical layer security of FH-MIMO DFRC is vital yet unsolved. In this paper, we reveal the potential of using permutations of hopping frequencies to achieve secure and high-speed FH-MIMO DFRC. Detecting permutations at a communication user is challenging due to the dependence on spatial angle. We propose a series of baseband waveform processing methods which address the challenge specifically for the legitimate user (Bob) and meanwhile scrambles constellations almost omnidirectionally. We discover a deterministic sign rule from the signals processed by the proposed methods. Based on the rule, we develop accurate algorithms for information decoding at Bob. Confirmed by simulation, our design achieves substantially high physical layer security for FH-MIMO DFRC, improves decoding performance compared with existing designs and reduces mutual interference among radar targets.

研究の動機と目的

• 従来の周波数ホッピングMIMOレーダーに基づく二機能レーダー通信（DFRC）システムには物理層セキュリティに重大な欠如があることが問題であり、均一な空間的照査のため盗聴に脆弱であることを解決すること。
• 正当なユーザー（ボブ）でのホッピング周波数順列（HFPS）の復号を妨げる、送信方向角（AoD）に依存する信号位相歪みの課題を克服すること。
• ホッピング周波数の組み合わせ選択（HFCS）とHFPSを組み合わせることで、ホッピング周波数の情報容量を最大限に活用し、より高いデータレートを達成すること。
• 盗聴者（イヴ）が復号できないように全方向に信号の星座をスキャンブル化するが、ボブでの正確な復号を可能にする、安全な波形処理方式を設計すること。

提案手法

• 送信方向角（AoD）に依存しない信号位相を除去するエレメント単位の位相補償（EPC）を提案し、ボブでのHFPS復号を空間的位置にかかわらず一貫して可能にする。
• 処理済みベースバンド波形から導出された決定的符号則を導入し、ボブでのホッピング周波数順列の正確な特定を可能にする。
• ホッピング周波数組み合わせ選択（HFCS）とHFPSを同時に実行する新規なベースバンド処理チェーンを採用し、周波数ホッピング波形に位相変調を施して情報を埋め込む。
• ボブでの順列行列 $ \mathbf{P} $ の復号に用いる相関指標の実部 $ f_b^\Re(\mathbf{P}) $ の閉形式表現を導出する。
• Rayleigh fading下での $ f_b^\Re(\mathbf{P}) $ の分布に関する統計的分析を用い、イヴでの符号誤り率（SER）が信号対雑音比が増加するにつれて1に収束することを証明し、近似的に完璧なセキュリティを保証する。
• 分散が負になる領域をsinc関数のメイン lob に限定することで、実用的なAoD範囲においても耐障害性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数ホッピングMIMO DFRCシステムにおいて、送信方向角（AoD）に依存する位相歪みがあるにもかかわらず、正当なユーザー（ボブ）でのホッピング周波数順列（HFPS）を信頼性高く復号できるか？
• RQ2 HFCSに加えてHFPSを用いることで、従来のPSKまたはHFCSオンativeな手法と比較して、FH-MIMO DFRCのデータレートが顕著に向上するか？
• RQ3 提案された波形処理は、受信感度が高いにもかかわらず、盗聴者（イヴ）が信号を復号できないように物理層セキュリティを達成できるか？
• RQ4 提案された方式下でのイヴでの符号誤り率（SER）の理論的限界は何か？信号対雑音比が増加するにつれて1に収束するか？
• RQ5 提案手法は、レーダー目標間の相互干渉を低減しつつ、高スペクトル効率を維持しながら、なぜボブのみが信号を復号可能であるのかをどのように保証するか？

主な発見

• 提案されたEPC手法は、送信方向角（AoD）に依存する位相歪みを完全に除去し、ボブでのHFPS復号を空間的位置にかかわらず信頼性高く可能にした。
• 導出された決定的符号則により、ボブでのホッピング周波数順列の正確かつ曖昧さのない特定が可能となり、高い復号性能を実現した。
• 信号対雑音比が増加するにつれて、イヴでの符号誤り率（SER）が1に収束することが確認され、システムが近似的に完璧な物理層セキュリティを達成していることを裏付けた。
• イヴが誤って復号可能な有効な順列の数は、$ \frac{M!}{2} \mathrm{erfc}\left\{\frac{M-2}{\sqrt{M}}\right\} $ で下限づけられ、すべての $ M \geq 2 $ に対して少なくとも1以上であることが示され、イヴでの復号誤りが存在することを確認した。
• シミュレーション結果により、提案手法が従来の設計に比べて著しく高い物理層セキュリティと優れた復号性能を達成していることが確認されるとともに、レーダー目標間の相互干渉を低減した。