Dual-Security for Indoor OFDM-ISAC Systems via Temporal Artificial Noise

तकनीकी सारांश: टेम्पोरल आर्टिफिशियल नॉइज़ के माध्यम से इनडोर OFDM-ISAC सिस्टम के लिए दोहरी सुरक्षा

समस्या विवरण
एकीकृत सेंसिंग और कम्युनिकेशन (ISAC) सिस्टम, विशेष रूप से इनडोर वातावरण में आधारित ऑर्थोगोनल फ्रीक्वेंसी डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग (OFDM) सिस्टम, एक अनूठी दोहरी-सुरक्षा चुनौती का सामना करते हैं। पारंपरिक परिदृश्यों के विपरीत जहाँ खतरे बाहरी होते हैं, यह शोध पत्र एक "पैथोलॉजिकल" मामले को संबोधित करता है जिसमें अधिकृत उपयोगकर्ता उन सेवाओं के लिए जाली ईव्सड्रॉपर (eavesdroppers) के रूप में कार्य करते हैं जिनके लिए वे अधिकृत नहीं हैं। विशेष रूप से, सिस्टम निम्नलिखित पर विचार करता है:

1. सेंसिंग उपयोगकर्ता (SU): सेंसिंग कार्यों (जैसे लक्ष्य इम्पल्स रिस्पांस अनुमान) के लिए अधिकृत हैं लेकिन संचार डेटा के लिए अनधिकृत हैं। वे संचार पेलोड की चोरी (eavesdrop) करने का प्रयास कर सकते हैं।
2. कम्युनिकेशन उपयोगकर्ता (CU): डेटा ट्रांसमिशन के लिए अधिकृत हैं लेकिन सेंसिंग के लिए अनधिकृत हैं। वे लक्ष्यों पर अनधिकृत सेंसिंग करने का प्रयास कर सकते हैं।

मौजूदा साहित्य आमतौर पर या तो संचार सुरक्षा (डेटा गोपनीयता) या सेंसिंग सुरक्षा (लक्ष्य गोपनीयता) को अलग-अलग संबोधित करता है। इसके अलावा, इनडोर ISAC विशिष्ट जोखिम पैदा करता क्योंकि सेंसिंग के लिए उपयोग किया जाने वाला चैनल स्टेट इंफॉर्मेशन (CSI) व्यक्तिगत पहचान योग्य जानकारी (जैसे महत्वपूर्ण संकेत/vital signs) को प्रकट कर सकता है, जो EU GDPR जैसे नियमों का उल्लंघन करता है। वर्तमान सुरक्षित इनडोर सेंसिंग डिज़ाइन अक्सर संचार प्रदर्शन की गारंटी देने में विफल रहते हैं, जिससे वे वास्तविक ISAC सिस्टम के लिए अनुपयुक्त हो जाते हैं।

कार्यप्रणाली
लेखक दोहरी सुरक्षा प्राप्त करने के लिए OFDM वेवफॉर्म के साइक्लिक प्रीफिक्स (CP) के भीतर एम्बेडेड टेम्पोरल आर्टिफिशियल नॉइज़ (AN) योजना प्रस्तावित करते हैं। सिस्टम मॉडल एक सिंगल-एंटीना ट्रांसमिटर, एक CU, एक SU, और एक लक्ष्य को मानता है, जिसमें क्वासी-स्टैटिक चैनल और टेम्पोरली सेपरेटेड कम्युनिकेशन एवं इको सिग्नल होते हैं।

मुख्य तंत्र समय और आवृत्ति डोमेन के बीच द्वैत (duality) और OFDM रिसीवर के विशिष्ट प्रसंस्करण चरणों पर निर्भर करता है:

• AN डिज़ाइन: AN वेक्टर को सिग्नल पर सुपरइम्पोज़ किया जाता है और इसे अधिकृत कम्युनिकेशन यूजर के चैनल ($H_{CU}$) के नुल स्पेस (null space) में रहने के लिए डिज़ाइन किया जाता है।
• कम्युनिकेशन सुरक्षा (SU से डेटा की सुरक्षा): जब SU संचार डेटा को डिकोड करने का प्रयास करता है, तो वह CP को हटा देता है और FFT लागू करता है। चूंकि AN को $H_{CU}$ के आधार पर डिज़ाइन किया गया है, इसलिए यह SU के चैनल ($H_{SU}$) के नुल स्पेस में नहीं आता है। फलस्वरूप, SU फ्रीक्वेंसी डोमेन में AN को इंटरफेरेंस के रूप में प्राप्त करता है, जिससे उसका सिग्नल-टू-नॉइज़-प्लस-इंटरफेरेंस रेशियो (SINR) कम हो जाता है और सफल डेटा डिकोडिंग रुक जाती है।
• सेंसिंग सुरक्षा (CU से लक्ष्यों की सुरक्षा): SU और CU दोनों लक्ष्य इको सिग्नल प्राप्त करते हैं।
  • SU एक सहकारी बाइस्टैटिक रिसीवर के रूप में कार्य करता है, जो संदर्भ सिग्नल (reference signal) के रूप में पूर्ण ट्रांसमिटेड फ्रेम (AN सहित CP) का उपयोग करता है। चूंकि AN संदर्भ और इको दोनों में मौजूद है, इसलिए SU सटीक रूप से लक्ष्य चैनल का अनुमान लगा सकता है, जिससे उच्च सेंसिंग प्रदर्शन बना रहता है।
  • CU, जो अनधिकृत सेंसिंग का प्रयास कर रहा है, AN के बारे में जानकारी नहीं रखता है। वह लक्ष्य इम्पल्स रिस्पांस का अनुमान लगाने के लिए AN को शोर या इंटरफेरेंस के रूप में मानता है। यह CU के संदर्भ सिग्नल (केवल डेटा) और प्राप्त इको (डेटा + AN) के बीच एक मिसमैच पैदा करता है। इससे चैनल अनुमान का मीन स्क्वेर्ड एरर (MSE) काफी बढ़ जाता है और सेंसिंग प्रदर्शन घट जाता है।

प्रमुख योगदान

1. दोहरा-खतरा मॉडल: यह शोध पत्र एक सुरक्षा ढांचा स्थापित करता है जहाँ अधिकृत उपयोगकर्ताओं को बाहरी ईव्सड्रॉपर के बजाय आंतरिक खतरों के रूप में माना जाता है, जो एक ऐसा परिदृश्य है जिसे अक्सर अनदेखा किया जाता है।
2. टेम्पोरल AN डिज़ाइन: एक अभिनव योजना प्रस्तावित की गई है जो CP में AN को एम्बेड करती है। यह डिज़ाइन इस तथ्य का लाभ उठाता है कि मानक OFDM रिसीवर संचार के लिए CP को हटा देते हैं (CU के लिए AN को हटा देते हैं) लेकिन सेंसिंग के लिए पूर्ण सिग्नल संरचना की आवश्यकता होती है (SU के लिए AN को बनाए रखते हैं)।
3. ऑप्टिमाइज़ेशन फ्रेमवर्क: लेखक एक कन्वेक्स ऑप्टिमाइज़ेशन समस्या को सूत्रबद्ध करते हैं जो सुरक्षा बाधाओं (SU डिकोडिंग SINR थ्रेशोल्ड और CU सेंसिंग MSE) को पूरा करते हुए वैध सेवा गुणवत्ता (CU कम्युनिकेशन SNR और SU सेंसिंग सटीकता) को अधिकतम करती है। वैश्विक इष्टतमता सुनिश्चित करने के लिए समस्या को शूर कॉम्प्लीमेंट्स (Schur complements) और ट्रेस-आधारित रिलैक्सेशन का उपयोग करके रूपांतरित किया गया है।
4. प्रदर्शन गारंटी: यह योजना अतिरिक्त हार्डवेयर या जटिल वेवफॉर्म संशोधनों के बिना QoS (सेवा की गुणवत्ता) की गारंटी देती है, जबकि साथ ही अनधिकृत गतिविधियों को भी दबाती है।

सिमुलेशन परिणाम
संख्यात्मक परिणाम विभिन्न पावर बजट और थ्रेशोल्ड बाधाओं के तहत प्रस्तावित डिज़ाइन की प्रभावशीलता प्रदर्शित करते हैं:

• कम्युनिकेशन सुरक्षा: जैसे-जैसे संचार सुरक्षा की आवश्यकता सख्त होती है (कम SU डिकोडिंग SINR थ्रेशोल्ड), सिस्टम AN के लिए अधिक पावर आवंटित करता है। यह CU के कम्युनिकेशन SNR को थोड़ा कम करता है लेकिन SU की डेटा डिकोडिंग क्षमता को प्रभावी ढंग से दबा देता है।
• सेंसिंग सुरक्षा: पावर बजट बढ़ाने से वैध और अनधिकृत सेंसिंग प्रदर्शन के बीच का अंतर सुधरता है। SU, AN पावर एलोकेशन के बावजूद कम अनुमान त्रुटि (estimation error) बनाए रखता है, जबकि CU का अनुमान त्रुटि AN की उपस्थिति में काफी बढ़ जाता है, जिससे सेंसिंग सुरक्षा सुनिश्चित होती है।
• ट्रेड-ऑफ़्स: परिणाम दिखाते हैं कि संचार और सेंसिंग दोनों की सुरक्षा बढ़ाने के लिए AN के लिए अधिक पावर आवंटन की आवश्यकता होती है। हालांकि इससे CU के कम्युनिकेशन प्रदर्शन में थोड़ी गिरावट आती है, लेकिन SU की सेंसिंग क्षमता काफी हद तक अप्रभावित रहती है, जो दोहरी सुरक्षा क्षमता की पुष्टि करती है।

महत्व
यह शोध पत्र दोहरी-सुरक्षा (संचार और सेंसिंग दोनों कार्यों को एक साथ सुरक्षित करना) को संबोधित करके ISAC अनुसंधान के एक महत्वपूर्ण अंतराल को भरने का दावा करता है। टेम्पोरल AN का लाभ उठाकर, प्रस्तावित विधि एक फिजिकल लेयर सुरक्षा समाधान प्रदान करती है जो:

• अधिकृत उपयोगकर्ताओं को अनधिकृत सेवाओं के लिए ईव्सड्रॉपिंग करने से रोकती है।
• यह सुनिश्चित करती है कि वैध सेंसिंग और संचार प्रदर्शन सुरक्षित रहे।
• इनडोर ISAC सिस्टम के लिए एक व्यावहारिक दृष्टिकोण प्रदान करती है जहाँ CSI-आधारित सेंसिंग गोपनीयता जोखिम पैदा करती है, जो डेटा संरक्षण नियमों के अनुरूप है।

यह कार्य सुझाव देता है कि टेम्पोरल AN साझा स्पेक्ट्रम और हार्डवेयर संसाधनों की उपयोगिता से समझौता किए बिना ISAC सिस्टम को आंतरिक खतरों से सुरक्षित करने के लिए एक व्यवहार्य तंत्र है।