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

技术摘要：通过时域人工噪声实现室内 OFDM-ISAC 系统的双重安全保障

问题陈述
集成传感与通信（ISAC）系统，特别是基于正交频分复用（OFDM）的室内环境系统，面临着独特的双重安全挑战。不同于传统的外部威胁场景，本文探讨了一种“病态”情况，即授权用户在尝试访问其未获许可的服务时充当恶意窃听者。具体而言，该系统考虑了以下情形：

1. 感知用户 (SU)： 被授权执行感知任务（例如目标脉冲响应估计），但未被授权访问通信数据。他们可能会尝试窃听通信载荷。
2. 通信用户 (CU)： 被授权进行数据传输，但未被授权进行感知。他们可能会尝试对目标进行未经授权的感知。

现有文献通常孤立地处理通信安全（数据隐私）或感知安全（目标隐私）。此外，由于用于感知的信道状态信息（CSI）可能会泄露个人身份信息（如生命体征），违反诸如欧盟 GDPR 等法规，因此室内 ISAC 面临着特定的风险。目前的安全室内感知设计往往无法保证通信性能，导致其不适用于真正的 ISAC 系统。

方法论
作者提出了一种嵌入在 OFDM 波形循环前缀（CP）中的**时域人工噪声（AN）**方案，以实现双重安全。系统模型假设采用单天线发射机、一个 CU、一个 SU 和一个目标，并采用准静态信道和在时间上分离的通信与回波信号。

核心机制依赖于时域与频域之间的对偶性以及 OFDM 接收机的特定处理步骤：

• AN 设计： AN 向量叠加在信号上，并被设计为位于授权通信用户（CU）信道（$H_{CU}$）的零空间内。
• 通信安全（保护数据免受 SU 窃听）： 当 SU 尝试解码通信数据时，它会移除 CP 并应用 FFT。由于 AN 是基于 $H_{CU}$ 设计的，它并不落在 SU 的信道（$H_{SU}$）的零空间内。因此，SU 在频域中会将 AN 视为干扰，从而降低其信号与噪声加干扰比（SINR），阻止成功的数据解码。
• 感知安全（保护目标免受 CU 探测）： SU 和 CU 都会接收到目标回波信号。
  • SU 作为协作的双基站接收机，使用完整的传输帧（包括 CP 中的 AN）作为参考信号。由于 AN 同时存在于参考信号和回波中，SU 可以精确估计目标信道，从而保持高水平的感知性能。
  • CU 在尝试进行未经授权的感知时，缺乏对 AN 的知识。在估计目标脉冲响应时，它将 AN 视为噪声或干扰的一部分。这导致其参考信号（仅含数据）与接收到的回波（数据 + AN）之间存在失配，从而显著增加了均方误差（MSE）并降低了感知性能。

主要贡献

1. 双重威胁模型： 本文建立了一个安全框架，将授权用户视为其未授权服务的潜在对手，这一场景在以往侧重于外部窃听者的研究中常被忽视。
2. 时域 AN 设计： 提出了一种将 AN 嵌入 CP 的新颖方案。该设计利用了 OFDM 接收机的结构特性（即标准 OFDM 接收机在通信时会丢弃 CP 以移除对 CU 的 AN，但在感知时需要完整的信号结构以保留对 SU 的 AN）。
3. 优化框架： 作者构建了一个凸优化问题，旨在最大化合法服务质量（CU 通信 SNR 和 SU 感知精度），同时满足安全约束（SU 解码 SINR 和 CU 感知 MSE）。该问题通过 Schur 补和基于迹的松弛技术进行转换，以确保全局最优性。
4. 性能保证： 该方案在满足安全约束的同时，保证了服务质量（QoS），且无需额外的硬件或复杂的波形修改（除 CP 外）。

仿真结果
数值结果证明了所提设计在各种功率预算和阈值约束下的有效性：

• 通信安全： 随着通信安全要求收紧（SU 解码 SINR 阈值降低），系统会分配更多功率给 AN。这会略微降低 CU 的通信 SNR，但能有效抑制 SU 解码数据的能力。
• 感知安全： 增加功率预算可以提高感知性能差距（SU 与 CU 之间）。无论如何分配 AN 功率，SU 都能保持较低的估计误差；而当存在 AN 时，CU 的估计误差会显著增加，从而确保了感知安全。
• 权衡： 结果表明，增强通信和感知安全性需要增加向 AN 分配的功率。虽然这会略微降低 CU 的通信性能，但 SU 的感知能力基本不受影响，证实了其双重保护能力。

意义
本文声称通过解决双重安全问题（同时保护通信和感知功能），填补了室内 ISAC 研究中的关键空白。通过利用 OFDM 的结构特性（特别是 CP）和时域 AN，所提出的方法提供了一种物理层安全解决方案，该方案：

• 防止授权用户窃听未经授权的服务。
• 确保合法的感知和通信性能得以保留。
• 为涉及 CSI 感知隐私风险的室内 ISAC 系统提供了一种实用的方法，符合数据保护法规。

这项工作表明，时域 AN 是一种有效的机制，可以在不损害共享频谱和硬件资源效用的情况下，保护 ISAC 系统免受内部威胁。