[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种新颖的、安全且高速的双功能雷达-通信（DFRC）系统，利用频率跳变MIMO雷达结合跳频频率排列（HFPS）实现物理层安全。通过引入逐元素相位补偿（EPC），消除了与出发角（AoD）相关的解码问题，仅使合法用户（Bob）能够可靠通信，同时对所有方向进行星座图混淆，以阻止窃听者（Eve）解码，从而实现近乎完美的保密性，并在现有方法基础上提升数据速率。

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.

研究动机与目标

• 为解决现有基于频率跳变MIMO雷达的双功能雷达-通信（DFRC）系统在物理层安全方面的关键缺陷，这些系统因均匀的空间照射而易受窃听影响。
• 克服合法用户（Bob）处因出发角（AoD）相关信号相位失真而导致跳频频率排列（HFPS）解码困难的挑战。
• 通过结合跳频频率组合选择（HFCS）与HFPS，充分利用跳频频率的信息容量，实现更高的数据速率。
• 设计一种安全波形处理方案，对信号星座图进行全向混淆，防止窃听者（Eve）解码，同时确保Bob处的准确解码。

提出的方法

• 提出逐元素相位补偿（EPC），以消除信号相位对出发角（AoD）的依赖，确保无论空间位置如何，Bob处都能一致地解码HFPS。
• 引入一种从基带波形处理中导出的确定性符号规则，使Bob能够准确识别跳频频率排列。
• 采用一种新颖的基带处理链路，联合执行HFCS与HFPS，通过在频率跳变波形上使用相位调制来嵌入信息。
• 推导出相关度量实部 $ f_b^\Re(\mathbf{P}) $ 的闭式表达式，用于在Bob处解码排列矩阵 $ \mathbf{P} $。
• 通过瑞利衰落信道下 $ f_b^\Re(\mathbf{P}) $ 分布的统计分析，证明Eve处的符号误码率（SER）收敛于1，从而确保近乎完美的保密性。
• 将方差变为负值的角域范围限制在sinc函数的主瓣内，确保在实际AoD范围内的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在FH-MIMO DFRC系统中，尽管存在与出发角（AoD）相关的相位失真，跳频频率排列（HFPS）是否能在合法用户（Bob）处可靠解码？
• RQ2 与传统的PSK或仅使用HFCS的方案相比，额外使用HFPS是否能显著提升FH-MIMO DFRC的数据速率？
• RQ3 所提出的波形处理能否通过使窃听者（Eve）无法解码信号来实现物理层安全，即使其接收机灵敏度很高？
• RQ4 在所提方案下，Eve处的符号误码率（SER）理论极限是多少？随着信噪比增加，该值是否收敛于1？
• RQ5 所提方法如何确保仅Bob能解码信号，同时保持高谱效率并降低雷达目标间的互干扰？

主要发现

• 所提出的EPC方法成功消除了与AoD相关的相位失真，确保无论空间位置如何，Bob处都能可靠解码HFPS。
• 推导出的确定性符号规则使Bob能够准确且无歧义地识别跳频频率排列，确保高性能解码。
• 随着信噪比增加，Eve处的符号误码率（SER）收敛于1，证明系统实现了近乎完美的物理层安全。
• Eve可能错误解码的有效排列数量下限为 $ \frac{M!}{2} \mathrm{erfc}\left\{\frac{M-2}{\sqrt{M}}\right\} $，对于所有 $ M \geq 2 $ 至少为1，证实Eve处存在解码错误。
• 仿真结果表明，所提方案在物理层安全性与解码性能方面显著优于现有设计，同时降低了雷达目标间的互干扰。