[논문 리뷰] Directional Modulation Design Based on Crossed-Dipole Arrays for Two Signals With Orthogonal Polarisations

Bo Zhang, Wei Liu외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Antenna Design and Optimization인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 동일한 방향과 주파수에서 두 개의 수직 편광 신호를 동시에 전송하기 위해 교차 다이폴 전류를 사용하는 방향성 변조(DM) 기법을 제안한다. 이로써 4차원(4-D) 복합 신호가 형성된다. 두 편광 방향에 걸쳐 공통된 가중치 계수를 공동으로 최적화함으로써, 주로 방향성 복사 패턴을 달성하고, 메인로브 외부에서는 위상 혼합된 복소수 신호를 생성하여 물리 계층 보안성과 스펙트럼 효율성을 동시에 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일 신호 DM을 초월하여, 방향성 변조에서 편광 다이나믹스를 활용하여 시스템의 스펙트럼 효율을 향상시키기 위해.
• 기존의 DM 설계에서 주로 한 주파수와 한 방향에서 하나의 신호만 전송하는 경향이 있으므로, 이를 보완하고 편광 활용을 극대화하기 위해.
• 교차 다이폴 어레이를 사용하여 편광 및 공간 복사 패턴을 동시에 제어할 수 있는 통합 beamforming 프레임워크를 개발하기 위해.
• 두 수직 편광 신호가 원하는 방향에서는 서로 다른, 복원 가능한 복소수 신호로 유지되지만, 그 외의 방향에서는 모두 혼합되어야 하므로, 이를 보장하기 위해.
• 낮은 부가로브 수준과 강력한 위상 혼합 성능을 보이는 시뮬레이션 예제를 통해 제안된 방법의 타당성과 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• N개의 요소를 가진 교차 다이폴 어레이를 모델링하며, 각 요소는 수평(x) 및 수직(y) 편광을 가진 두 개의 수직 다이폴로 구성되며, 각각 복소수 가중치 $ w_{n,x} $ 및 $ w_{n,y} $ 에 의해 구동된다.
• 전체 조향 벡터를 x- 및 y-하위 어레이 응답의 연결으로 표현하며, 공간 조향 $ \mathbf{s}_s(\theta,\phi) $ 와 편광 응답 $ \mathbf{s}_p(\theta,\phi,\gamma,\eta) $ 를 포함한다.
• 빔 응답을 $ p(\theta,\phi,\gamma,\eta) = \mathbf{w}^H \mathbf{s}(\theta,\phi,\gamma,\eta) $ 로 유도하며, 여기서 $ \mathbf{w} $ 는 병합된 가중치 벡터이다.
• 원하는 방향에서 두 신호의 위상 패턴을 일치시킴으로써, 동시에 두 신호에 대한 방향성 변조를 달성할 수 있도록 공통 가중치 벡터 $ \mathbf{w} $ 를 설계한다.
• 두 수직 편광 신호를 4차원 신호 공간 내의 단일 복합 신호로 간주하는 4-D 변조 프레임워크를 도입한다.
• 수신기가 송신기의 편광 정렬과 일치하지 않더라도, 표준 신호 처리 기법을 사용하여 두 신호를 분리할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 개의 어레이로 두 개의 독립적으로 변조된 신호를 수직 편광을 통해 동시에 전송할 수 있는가?
• RQ2 두 수직 편광 신호에 대해 동시에 방향성 변조를 달성하기 위해 공통의 가중치 계수 세트를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ3 편광 다이나믹스는 방향성 변조에서 빔 패턴, 부가로브 수준, 복소수 신호 혼합에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 방법은 편광 불일치가 발생하더라도 낮은 교차 편광 간섭을 유지하고 수신기에서 신뢰성 있게 신호를 분리할 수 있는가?
• RQ5 수직 편광을 통한 4-D 신호 표현은 전체 시스템 용량과 보안 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 두 수직 편광 신호 모두 원하는 방향에서 표준 위상 패턴을 확보하여 주로 방향성 복사 패턴을 달성하였다.
• 빔 패턴은 낮은 부가로브 수준을 보이며, 의도하지 않은 방향으로의 간섭을 줄이고 공간적 직접성을 효과적으로 확보함을 나타낸다.
• 모든 방향에서 원하는 방향 이외의 영역에서는 두 신호의 복소수 신호 맵핑이 혼합되어 있으며, 이는 방향성 변조의 물리 계층 보안 성질을 확인한다.
• 동일한 주파수와 방향을 사용하여 두 개의 독립적 신호를 동시에 전송할 수 있으며, 이는 편광 multiplexing를 통해 스펙트럼 효율을 효과적으로 두 배로 증가시킨다.
• 수신기는 표준 신호 처리 기법을 사용하여 편광 불일치가 발생하더라도 두 신호를 신뢰성 있게 분리할 수 있었으며, 이는 신호의 수직성 덕분이었다.
• 설계 예제를 통해 교차 다이폴 어레이를 사용한 제안된 4-D 방향성 변조 기법의 타당성과 효과성을 확인하였다.