[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出一种使用交叉偶极子阵列的定向调制（DM）技术，可在同一方向和频率下同时传输两个正交极化信号，形成四维（4-D）复合信号。通过联合优化两个极化方向的公共波束成形权重系数，该方法在主瓣外实现相位随机化的星座图，从而在提升物理层安全性和频谱效率方面取得成效。

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.

研究动机与目标

• 探索定向调制中的极化分集，以在单信号DM基础上进一步提升系统频谱效率。
• 解决现有DM设计中极化利用不足的问题，这些设计通常每个频率和方向仅传输一个信号。
• 提出一种统一的波束成形框架，利用交叉偶极子阵列联合控制极化与空间辐射图。
• 确保两个正交极化信号在期望方向保持独立且可解调的星座图，而在其他方向则被随机化。
• 通过仿真示例验证所提方法的可行性与性能，实现低旁瓣电平和稳健的相位随机化。

提出的方法

• 建立包含N个单元的交叉偶极子阵列模型，每个单元包含两个正交偶极子（x-和y-极化），分别由复权重 $ w_{n,x} $ 和 $ w_{n,y} $ 激励。
• 将整体导向矢量表示为x-和y-子阵响应的拼接，包含空间导向 $ \mathbf{s}_s(\theta,\phi) $ 和极化响应 $ \mathbf{s}_p(\theta,\phi,\gamma,\eta) $。
• 推导波束响应为 $ p(\theta,\phi,\gamma,\eta) = \mathbf{w}^H \mathbf{s}(\theta,\phi,\gamma,\eta) $，其中 $ \mathbf{w} $ 为组合权重矢量。
• 设计一个公共权重矢量 $ \mathbf{w} $，通过在期望方向对齐两者的相位图，同时实现对两个信号的定向调制。
• 采用四维调制框架，将两个正交信号视为四维信号空间中的单一复合信号。
• 在接收端使用标准信号处理技术分离两路信号，即使接收端极化对准与发射端不一致亦可实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将定向调制扩展至使用单个阵列同时支持两个正交极化独立调制信号？
• RQ2 如何设计一组公共权重系数，以实现对两个正交极化信号的同步定向调制？
• RQ3 极化分集对定向调制中的波束图、旁瓣电平及星座图随机化有何影响？
• RQ4 所提方法能否在存在极化失配的情况下保持低交叉极化干扰，并确保接收端可靠分离信号？
• RQ5 通过正交极化实现的四维信号表示如何影响系统整体容量与安全性能？

主要发现

• 所提方法在期望方向成功实现两个正交极化信号的主瓣内标准相位图。
• 波束图表现出低旁瓣电平，表明空间方向性良好，且在非期望方向干扰较小。
• 除期望方向外，两路信号的星座图在所有其他方向均被随机化，验证了定向调制的物理层安全特性。
• 该方法通过极化复用技术，实现同一频率与方向下两路独立信号的并发传输，有效将频谱效率加倍。
• 由于信号正交性，接收端即使存在极化失配，仍可通过标准信号处理可靠分离两路信号。
• 设计实例验证了所提四维定向调制方案在交叉偶极子阵列上的可行性与有效性。