[논문 리뷰] Integrating Secure and High-Speed Communications into Frequency Hopping MIMO Radar

Kai Wu, J. Andrew Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 29.

Radar Systems and Signal Processing참고 문헌 26인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 주파수 호핑 MIMO 레이더를 활용하여 주파수 호핑 순열(HFPS)을 이용한 물리계층 보안을 구현하는 새로운 안정적이고 고속의 이중기능 레이더-통신(DFRC) 시스템을 제안한다. 각 요소 단위의 위상 보정(EPC)을 도입하여 도착각(AoD)에 의존하는 디코딩 문제를 제거함으로써, 유일하게 목적지 사용자(Bob)만 신뢰성 있게 통신할 수 있도록 하며, 동시에 모든 방향으로 신호 상황을 난잡하게 만듦으로써 스노핑 공격자(Eve)를 방지하여 근사 완벽한 기밀성과 기존 방법보다 향상된 데이터 전송 속도를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 주파수 호핑 MIMO 레이더 기반 이중기능 레이더-통신(DFRC) 시스템에서 물리계층 보안의 심각한 결여 문제를 해결하기 위해, 균일한 공간 조명으로 인해 스노핑 공격에 취약한 문제를 해결한다.
• 합법 사용자(Bob)에서 주파수 호핑 순열(HFPS)의 신뢰성 있는 디코딩을 방해하는 도착각(AoD)에 의존하는 신호 위상 왜곡 문제를 해결한다.
• 주파수 호핑 조합 선택(HFCS)과 함께 주파수 호핑 순열(HFPS)을 조합하여 주파수 호핑의 전체 정보 용량을 활용함으로써 더 높은 데이터 전송 속도를 달성한다.
• 스노핑 공격자(Eve)가 신호를 디코딩할 수 없도록 모든 방향으로 신호 상황을 난잡하게 만드는 보안 웨이브폼 처리 기법을 설계하여, 동시에 Bob에서 정확한 디코딩을 가능하게 한다.

제안 방법

• 도착각(AoD)에 의존하는 신호 위상의 영향을 제거하기 위해 각 요소 단위의 위상 보정(EPC)을 제안함으로써, Bob에서 공간적 위치에 관계없이 일관된 HFPS 디코딩이 가능해진다.
• 처리된 기저대역 웨이브폼에서 유도된 결정론적 부호 규칙을 도입하여, Bob에서 주파수 호핑 순열의 정확한 식별이 가능해진다.
• 주파수 호핑 웨이브폼에 위상 변조를 적용하여 정보를 임베딩하는 새로운 기저대역 처리 체인을 도입하여, 동시에 HFCS와 HFPS를 통합적으로 수행한다.
• Bob에서 순열 행렬 $ \mathbf{P} $ 를 디코딩하는 데 사용되는 상관 계량의 실수부에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도한다: $ f_b^\Re(\mathbf{P}) $.
• Rayleigh fading 하에서 $ f_b^\Re(\mathbf{P}) $ 의 분포를 통계적으로 분석하여, Eve에서의 심볼 오류율(SER)이 신호 대 잡음비가 증가함에 따라 1으로 수렴함을 증명함으로써 근사 완벽한 기밀성을 확보한다.
• 분산이 음수가 되는 각도 영역을 사인 함수의 메인lobe로 국한시켜 실제 도착각 범위에서의 강인성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수 호핑 MIMO DFRC 시스템에서 도착각(AoD)에 의존하는 위상 왜곡이 존재하더라도, 합법 사용자(Bob)에서 주파수 호핑 순열(HFPS)을 신뢰성 있게 디코딩할 수 있는가?
• RQ2 HFCS 외에 HFPS를 추가로 사용할 경우, 기존의 PSK 또는 HFCS 전용 기법 대비 주파수 호핑 MIMO DFRC의 데이터 전송 속도가 현저히 향상되는가?
• RQ3 제안된 웨이브폼 처리 기법이 스노핑 공격자(Eve)가 고감도 수신기로도 신호를 디코딩할 수 없도록 만들 수 있는가?
• RQ4 제안된 기법 하에서 Eve에서의 이론적 심볼 오류율(SER)의 한계는 무엇이며, 신호 대 잡음비가 증가함에 따라 1로 수렴하는가?
• RQ5 제안된 방법은 어떻게 하여 Bob만 신호를 디코딩할 수 있도록 하면서도 높은 스펙트럼 효율성과 레이더 목표 간의 낮은 간섭을 유지하는가?

주요 결과

• 제안된 EPC 방법은 도착각(AoD)에 의존하는 위상 왜곡을 성공적으로 제거하여, Bob에서 공간적 위치에 관계없이 신뢰성 있는 HFPS 디코딩을 가능하게 한다.
• 유도된 결정론적 부호 규칙은 Bob에서 주파수 호핑 순열의 정확하고 모호하지 않은 식별을 가능하게 하여 높은 디코딩 성능을 확보한다.
• 신호 대 잡음비가 증가함에 따라 Eve에서의 심볼 오류율(SER)이 1로 수렴함을 증명하여, 시스템이 근사 완벽한 물리계층 보안을 달성함을 입증한다.
• Eve가 잘못 디코딩할 수 있는 유효한 순열의 수는 $ \frac{M!}{2} \mathrm{erfc}\left\{\frac{M-2}{\sqrt{M}}\right\} $ 이하로 제한되며, 이 값은 $ M \geq 2 $ 일 때 최소한 1 이상이므로 Eve에서의 디코딩 오류 존재를 확인한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 기법이 기존 설계보다 훨씬 높은 물리계층 보안성과 더 나은 디코딩 성능을 달성함과 동시에 레이더 목표 간 상호 간섭을 감소시킴을 확인한다.