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

Sintesi Tecnica: Sicurezza Duplice per Sistemi OFDM-ISAC Indoor tramite Rumore Artificiale Temporale

Problematica
I sistemi di Integrazione tra Sensing e Comunicazione (ISAC), in particolare quelli basati su Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) in ambienti indoor, affrontano una sfida di sicurezza duplice e peculiare. A differenza degli scenari tradizionali in cui le minacce sono esterne, questo articolo affronta un caso "patologico" che coinvolge utenti autorizzati che agiscono come intercettatori maliziosi per servizi a cui non sono autorizzati ad accedere. Nello specifico, il sistema considera:

1. Utenti di Sensing (SU - Sensing Users): Autorizzati per compiti di sensing (ad esempio, stima della risposta all'impulso del target) ma non autorizzati per la comunicazione dei dati. Possono tentare di intercettare i payload di comunicazione.
2. Utenti di Comunicazione (CU - Communication Users): Autorizzati per la trasmissione di dati ma non autorizzati al sensing. Possono tentare di eseguire un sensing non autorizzato sui target.

La letteratura esistente affronta tipicamente o la sicurezza della comunicazione (privacy dei dati) o la sicurezza del sensing (privacy del target) in modo isolato. Inoltre, l'ISAC indoor pone rischi specifici perché l'Informazione sullo Stato del Canale (CSI) utilizzata per il sensing può rivelare informazioni identificative personali (ad esempio, segni vitali), violando regolamenti come il GDPR dell'UE. I progetti attuali di sensing indoor sicuro spesso non riescono a garantire le prestazioni di comunicazione, rendendoli inadatti per veri sistemi ISAC.

Metodologia
Gli autori propongono uno schema di Rumore Artificiale (AN - Artificial Noise) Temporale incorporato all'interno del Prefisso Ciclico (CP) dell'ondaforma OFDM per ottenere una sicurezza duplice. Il modello di sistema assume un trasmettitore con singola antenna, un CU, un SU e un target, con canali quasi-statici e segnali di comunicazione ed eco temporalmente separati.

Il meccanismo centrale si basa sulla dualità tra i domini del tempo e della frequenza e sulle specifiche fasi di elaborazione dei ricevitori OFDM:

• Progettazione dell'AN: Il vettore AN è sovrapposto al segnale ed è progettato per trovarsi nello spazio nullo del canale dell'utente di comunicazione autorizzato ($H_{CU}$).
• Sicurezza della Comunicazione (Protezione dei Dati dal SU): Quando il SU tenta di decodificare i dati di comunicazione, rimuove il CP e applica una FFT. Poiché l'AN è progettato in base a $H_{CU}$, esso non ricade nello spazio nullo del canale del SU ($H_{SU}$). Di conseguenza, il SU riceve l'AN come interferenza nel dominio della frequenza, degradando il suo Rapporto Segnale-Interferenza più Rumore (SINR) e impedendo la decodifica dei dati con successo.
• Sicurezza del Sensing (Protezione dei Target dal CU): Sia il SU che il CU ricevono il segnale eco del target.
  • Il SU agisce come un ricevitore bistatico cooperativo, utilizzando l'intero frame trasmesso (incluso l'AN nel CP) come segnale di riferimento. Poiché l'AN è presente sia nel riferimento che nell'eco, il SU può stimare accuratamente il canale del target, mantenendo elevate prestazioni di sensing.
  • Il CU, tentando un sensing non autorizzato, non ha conoscenza dell'AN. Esso tratta l'AN come parte del rumore o dell'interferenza durante la stima della risposta all'impulso del target. Ciò crea un disallineamento tra il segnale di riferimento del CU (solo dati) e l'eco ricevuto (dati + AN), aumentando significamente l'Errore Quadratico Medio (MSE) della stima del canale e degradando le prestazioni di sensing.

Contributi Chiave

1. Modello di Minaccia Duplice: L'articolo stabilisce un framework di sicurezza in cui gli utenti autorizzati sono trattati come potenziali avversari per servizi non autorizzati, uno scenario spesso trascurato a favore di intercettatori esterni.
2. Progettazione dell'AN Temporale: Viene proposto uno schema innovativo che incorpora l'AN nel CP. Questa progettazione sfrutta il fatto che i ricevitori OFDM standard scartano il CP per la comunicazione (rimuovendo l'AN per il CU) ma richiedono la struttura completa del segnale per il sensing (mantenendo l'AN per il SU).
3. Framework di Ottimizzazione: Gli autori formulano un problema di ottimizzazione convessa per massimizzare la qualità del servizio legittimo (SNR di comunicazione del CU e accuratezza del sensing del SU) soddisfacendo al contempo i vincoli di sicurezza (SINR di decodifica del SU e MSE di sensing del CU). Il problema viene trasformato utilizzando i complementi di Schur e rilassamenti basati sulla traccia per garantire l'ottimalità globale.
4. Garanzie di Prestazione: Lo schema garantisce la Qualità del Servizio (QoS) per i compiti legittimi fornendo simultaneamente la soppressione delle attività non autorizzate senza richiedere hardware aggiuntivo o modifiche complesse all'ondaforma oltre al CP.

Risultati della Simulazione
I risultati numerici dimostrano l'efficacia del design proposto sotto vari budget di potenza e vincoli di soglia:

• Sicurezza della Comunicazione: Man mano che il requisito di sicurezza della comunicazione si stringe (soglia di SINR di decodifica del SU più bassa), il sistema alloca più potenza all'AN. Ciò riduce leggermente l'SNR di comunicazione del CU ma sopprime efficacementamente la capacità del SU di decodificare i dati.
• Sicurezza del Sensing: L'aumento del budget di potenza migliora il divario nelle prestazioni di sensing tra SU e CU. Il SU mantiene un basso errore di stima indipendentemente dall'allocazione della potenza dell'AN, mentre l'errore di stima del CU aumenta significativamente in presenza di AN, garantendo la sicurezza del sensing.
• Trade-off: I risultati mostrano che il potenziamento sia della sicurezza della comunicazione che del sensing richiede un aumento dell'allocazione di potenza all'AN. Sebbene ciò degradi leggermente le prestazioni di comunicazione del CU, la capacità di sensing del SU rimane ampiamente inalterata, confermando la capacità di doppia protezione.

Significatività
L'articolo sostiene di colmare una lacuna critica nella ricerca ISAC affrontando la sicurezza duplice (proteggendo simultaneamente le funzioni di comunicazione e di sensing) in ambienti indoor. Sfruttando le proprietà strutturali dell'OFDM (specificamente il CP) e l'AN temporale, il metodo proposto fornisce una soluzione di sicurezza al livello fisico che:

• Impedisce agli utenti autorizzati di intercettare servizi non autorizzati.
• Garantisce che le prestazioni legittime di sensing e comunicazione siano preservate.
• Offre un approccio pratico per i sistemi ISAC indoor dove il sensing basato su CSI pone rischi di privacy, allineandosi con le normative sulla protezione dei dati.

Il lavoro suggerisce che l'AN temporale sia un meccanismo vitale per mettere in sicurezza i sistemi ISAC contro le minacce interne senza compromettere l'utilità delle risorse di spettro e hardware condivise.