[论文解读] Fixed Region Beamforming using Frequency Diverse Subarray for Secure Mmwave Wireless Communications

Yuanquan Hong, Xiaojun Jing+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 42被引用 7

一句话总结

本文提出一种基于频率异质子阵列（FDSA）架构的固定区域波束成形（FRB）技术，以增强毫米波（mmWave）通信中的物理层安全（PLS）。通过在子阵列间引入多个频率偏移增量（FOI），该方法构建了一个波束图，使能量集中在期望的波束角范围区域（DARR）内，同时抑制该区域外的旁瓣，从而实现信息传输的集中化并提高保密速率。该方法在PLS性能上优于传统的相控阵（CPA）固定波束成形。

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) using conventional phased array (CPA) enables highly directional and fixed angular beamforming (FAB), therefore enhancing physical layer security (PLS) in the angular domain. However, as the eavesdropper is located in the direction pointed by the mainlobe of the information-carrying beam, information leakage is inevitable and FAB cannot guarantee PLS performance. To address this threat, we propose a novel fixed region beamforming (FRB) by employing a frequency diverse subarray (FDSA) architecture to enhance the PLS performance for mmWave directional communications. In particular, we carefully introduce multiple frequency offset increments (FOIs) across subarrays to achieve a sophisticated beampattern synthesis that ensures a confined information transmission only within the desired angle-range region (DARR) in close vicinity of the target user. More specifically, we formulate the secrecy rate maximization problem with FRB over possible subarray FOIs, and consider two cases of interests, i.e., without/with the location information of eavesdropping, both turn out to be NP-hard. For the unknown eavesdropping location case, we propose a seeker optimization algorithm to minimize the maximum sidelobe peak of the beampattern outside the DARR. As for the known eavesdropping location case, a block coordinate descend linear approximation algorithm is proposed to minimize the sidelobe level in the eavesdropping region. By using the proposed FRB, the mainlobes of all subarrays are constructively superimposed in the DARR while the sidelobes are destructively overlayed outside the DARR. Therefore, FRB takes prominent effect on confining information transmission within the DARR. Numerical simulations demonstrate that the proposed FDSA-based FRB can provide superior PLS performance over the CPA-based FAB.

研究动机与目标

• 为解决传统固定波束成形（FAB）在mmWave系统中的局限性，即窃听者位于主瓣方向时仍可截获信号。
• 克服现有PLS方案的脆弱性，这些方案假设窃听者位于主瓣之外或旁瓣区域。
• 设计一种波束成形架构，将安全传输限制在固定的角域和距离区域（DARR）内，防止信息泄露。
• 针对已知和未知窃听者位置场景，提出并求解保密速率最大化问题，采用新型优化算法。

提出的方法

• 采用频率异质子阵列（FDSA）架构，其中每个子阵列应用不同的频率偏移增量（FOI），以生成依赖于距离与角度的波束图。
• 合成波束图，使得所有子阵列的主瓣在期望的角域-距离区域（DARR）内实现相长干涉，而旁瓣在该区域外实现相消干涉。
• 采用保密速率最大化框架，对波束图形状施加约束，将问题建模为NP难问题，分别针对已知和未知窃听者位置进行处理。
• 对于未知窃听者位置，应用寻的优化算法，以最小化DARR外的最大旁瓣峰值。
• 对于已知窃听者位置，采用块坐标下降线性逼近算法，以最小化窃听区域内的旁瓣电平。
• 通过数学分析和复信号表示，推导出旁瓣峰值抑制的解析条件，并证明波束图的对称性与波束图特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种波束成形架构，将mmWave信号能量限制在固定的角域与距离区域内，以防止主瓣方向的窃听？
• RQ2 在频率异质子阵列（FDSA）配置下，当窃听者位置未知或已知时，如何最大化保密速率？
• RQ3 如何在子阵列间最优分配频率偏移增量（FOI），以实现在DARR内主瓣的相长干涉和外部区域的相消干涉？
• RQ4 在真实的mmWave环境中，FDSA-based FRB方案与传统的相控阵（CPA）-based FAB在保密性能上相比如何？
• RQ5 何种数学与算法框架能有效求解FDSA-based FRB中的NP难保密速率最大化问题？

主要发现

• 所提出的基于FDSA的FRB在物理层安全（PLS）性能上优于传统的CPA-based FAB，尤其当窃听者位于主瓣附近时表现更优。
• 波束图合成确保主瓣在DARR内实现相长叠加，而旁瓣在外部区域实现相消干涉，最大限度减少能量泄漏。
• 对于未知窃听者位置，寻的优化算法成功最小化了DARR外的最大旁瓣峰值，提升了鲁棒性。
• 对于已知窃听者位置，块坐标下降线性逼近算法有效降低了窃听区域内的旁瓣电平，增强了保密速率。
• 解析结果证实，FRB波束图关于距离轴对称，且关于角度轴共轭对称，从而实现可预测且可控的辐射图样。
• 数值仿真验证了所提方案在挑战性窃听条件下显著提升了保密速率，并将信号传输严格限制在期望区域内。