Exploiting Phase Noise for Sensing Privacy in ISAC Systems

技术摘要：利用相位噪声增强 ISAC 系统中的感知隐私

问题陈述
集成感知与通信（ISAC）系统面临着严峻的隐私挑战：用于合法感知的相同波形可能会被未经授权的接收器（窃听者）利用，从而被动地推断出目标参数（如位置和速度）。虽然现有研究已经通过波形设计（例如模糊函数整形）或生成模型解决了感知隐私问题，但在理解硬件损伤（HWI），特别是相位噪声（PN）如何重塑隐私格局方面，仍存在显著空白。这对于高频 ISAC 系统尤为重要，因为相位噪声的严重程度会随载波频率的增加而上升。本文研究了由于合法单基站收发机与未经授权的双基站接收器之间在架构上存在不对称性（特别是关于局部振荡器（LO）配置方面），这种不对称性是否可以被用来在无需主动波形操纵的情况下增强感知隐私。

方法论
作者提出了一个由三方组成的正交频分复用（OFDM）ISAC 框架：

1. Alice： 一个合法的单基站 ISAC 收发机，其发射机（TX）和感知接收机（RX）共享同一个非理想的局部振荡器（LO）。
2. Eve： 一个未经授权的被动双基站感知接收机，采用独立的、非理想的局部振荡器（LO）。
3. UE： 一个通信用户设备，拥有其自身的独立局部振荡器（LO）。

研究对所有三个节点的相位噪声进行了建模。核心分析方法包括：

• 信号建模： 推导 Alice 和 Eve 的接收信号向量，这些向量明确考虑了差分相位噪声（DPN）。对于 Alice，其 DPN 是自参考的（$\phi_A(t) - \phi_A(t-\tau)$）；而对于 Eve，其 DPN 是两个独立振荡器之间的交叉参考（$\phi_E(t) - \phi_A(t-\tau)$）。
• 统计特性表征： 分析相位噪声过程的协方差结构。作者证明了 Alice 的 DPN 统计特性是延迟相关的（表现出距离相关性），而 Eve 的 DPN 统计特性是延迟无关的。
• 性能界限： 利用理想场景下的克拉美-罗界（CRB）以及在接收机未进行相位噪声补偿（即忽略相位噪声处理）场景下的失配克拉美-罗界（MCRB）。
• 通信影响： 通过计算信号与干扰加噪声比（SINR）来评估向 UE 的下行链路通信速率，该 SINR 考虑了由 Alice 和 UE 组合产生的相位噪声引起的公共相位误差（CPE）和载波间干扰（ICI）。

主要贡献

1. 新颖框架： 本文建立了一个三方 OFDM ISAC 模型，该模型明确捕捉了合法节点处共享 LO 与未经授权及通信节点处独立 LO 之间的架构不对称性。
2. 统计证明： 作者严格表征了 Eve 的差分相位噪声统计特性，证明了其延迟无关性。这与 Alice 的延迟相关统计特性形成对比，在 Alice 处，距离相关效应降低了近距离目标的相位噪声方差。
3. 权衡分析： 研究揭示了合法感知精度、未经授权的感知精度与通信数据速率之间的三方权衡。研究表明，降低 Alice 的 LO 质量（增加相位噪声）可以显著扩大“感知隐私间隙”（SP-Gap），使之有利于 Alice，因为由于缺乏距离相关性，Eve 的估计性能下降得更快。

结果
基于 5G NR FR2 参数和典型振荡器规格的仿真结果强调了以下内容：

• 相位噪声对感知的影响： 在信号处理中忽略相位噪声会导致在高信噪比（SNR）下出现性能饱和。Eve 比 Alice 更早达到这一饱和点，因为其独立的 LO 配置使其遭受更严重的相位噪声失真。
• LO 质量与隐私： 随着 Alice 的 LO 3-dB 带宽（$f^A_{3dB}$）增加（表示振荡器质量变差），感知隐私间隙（SPG）随之扩大。Eve 的距离估计误差（RMSE）迅速增加，而 Alice 的性能下降较为温和，特别是对于近距离目标，这归功于距离相关效应。
• 三方权衡： 存在感知隐私与通信速率之间的基本权衡。增加 $f^A_{3dB}$ 虽然能提高感知隐私间隙，但会降低可达到的通信速率。然而，在噪声受限的通信机制（低 SNR）下，可以通过仅适度降低数据速率来获得显著的隐私增益，因为此时通信链路主要受加性高斯白噪声（AWGN）而非相位噪声的限制。

意义与主张
本文声称，硬件诱导的 LO 不对称性可以作为一种被动的、内在的机制来增强感知隐私。与需要复杂信号设计的基于波形的方法不同，这种方法利用了单基站与双基站感知架构之间自然的物理差异。作者断言，通过有意管理或接受较低的 LO 质量，系统设计者可以显著扩大针对被动窃听者的感知隐私间隙。这对于近距离目标以及通信性能并非唯一瓶颈的场景特别有效。这项工作强调了在未来 ISAC 系统中，不仅要将硬件损伤视为性能退化因素，还要将其视为安全设计的潜在变量。