[論文レビュー] Secure Dual-Functional Radar-Communication Transmission: Exploiting Interference for Resilience Against Target Eavesdropping

Nanchi Su, Fan Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2021

Radar Systems and Signal Processing被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ミリ波ネットワークにおける安全な二重機能型レーダ・コミュニケーション（DFRC）送信方式を提案する。この方式は、送信波形と受信ビームフォーミングを共同で最適化し、レーダのSINRを最大化すると同時に物理層セキュリティを確保する。正当なユーザーに対して建設的干渉（CI）を活用し、盗聴レーダターゲットに対して破壊的干渉（DI）を適用することで、符号検出を損なう領域に強制的に配置し、通信ユーザーへの性能損失を最小限に抑えつつ、セキュリティを強化する。

ABSTRACT

We study security solutions for dual-functional radar communication (DFRC) systems, which detect the radar target and communicate with downlink cellular users in millimeter-wave (mmWave) wireless networks simultaneously. Uniquely for such scenarios, the radar target is regarded as a potential eavesdropper which might surveil the information sent from the base station (BS) to communication users (CUs), that is carried by the radar probing signal. Transmit waveform and receive beamforming are jointly designed to maximize the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) of the radar under the security and power budget constraints. We apply a Directional Modulation (DM) approach to exploit constructive interference (CI), where the known multiuser interference (MUI) can be exploited as a source of useful signal. Moreover, to further deteriorate the eavesdropping signal at the radar target, we utilize destructive interference (DI) by pushing the received symbols at the target towards the destructive region of the signal constellation. Our numerical results verify the effectiveness of the proposed design showing a secure transmission with enhanced performance against benchmark DFRC techniques.

研究の動機と目的

• 同じ波形によって搬送される通信信号をレーダターゲットが盗聴するというDFRCシステムに特有のセキュリティ課題に対処すること。
• 高いレーダ性能を維持すると同時に、意図しないターゲットにおける盗聴能力を低下させる送信方式を設計すること。
• 送信波形と受信ビームフォーミングを同時に最適化し、電力制約およびセキュリティ制約の下で、レーダの干渉＋ノイズ比（SINR）を最大化すること。
• 既知のマルチユーザー干渉（MUI）を通信ユーザーに対して建設的干渉（CI）として活用し、潜在的盗聴者に向けては破壊的干渉（DI）として誘導すること。
• 人工ノイズに依存せず、方向性変調（DM）を用いてハードウェア効率的かつ省エネルギーなセキュリティを実現し、ハードウェアの複雑さと消費電力を低減すること。

提案手法

• 方向性変調（DM）を用いて放射パターンを整形し、通信ユーザー（CUs）では符号が正しく復元可能である一方、意図しない方向では符号が乱雑になるようにすること。
• シンボルレベルプレコーディングを用い、建設的干渉（CI）を活用し、CUsでの受信信号を星座図の決定領域に一致させることで、SER（誤り符号率）を改善すること。
• 破壊的干渉（DI）制約を導入し、レーダターゲットでの受信信号を誤りを引き起こす決定領域へと押し込むことで、盗聴能力を低下させること。
• 分数プログラミング（FP）を用いて最適化問題を定式化し、個々の電力制約および機密性要件の下でレーダSINRを最大化すること。
• 非凸問題を解くために逐次凸近似（SCA）および逐次凸近似（SCA）技術を適用し、妥当な解を回復するためにガウスランダム化を用いること。
• CIおよびDI制約を波形設計に統合し、レーダ性能と通信セキュリティのバランスを取ること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DFRCシステムにおいて、建設的干渉（CI）をどのように効果的に活用することで、通信ユーザーの性能を向上させつつもレーダ機能を維持できるか？
• RQ2 破壊的干渉（DI）をどれほど適用することで、レーダターゲットにおける誤り符号率（SER）を低下させられるか？
• RQ3 波形設計にCIおよびDIを併用した場合、レーダSINRと通信セキュリティのトレードオフはどのように変化するか？
• RQ4 ターゲット位置の知識の正確さが、DIに基づく盗聴防止効果にどのように影響するか？
• RQ5 基地局（BS）アンテナ数およびSNR閾値が、提案手法下でのCUsおよびターゲットにおけるSER性能に与える影響は何か？

主な発見

• 提案手法は、[49]のベンチマークビームフォーマ設計よりも高いレーダSINRを達成しており、特にSNR閾値Γₖが22 dBを超えると顕著に顕著になる。
• DI制約が適用された場合、レーダターゲットにおけるSERは著しく上昇し、ターゲットとCU間の角度差が15°を超えると、1に近づく（＝ほぼ完全な復号不能状態）ようになる。
• CIのみが適用された場合、ターゲットが広い角度不確実性範囲内にあると、SERは約0.75に収束し、盗聴成功の可能性は限定的であることが示された。
• DI制約の導入により、ターゲットにおけるSERに顕著な低下が見られ、盗聴防止の有効性が確認された。
• 提案手法の分数プログラミング（FP）ベース最適化は、特に高SNR条件下で、レーダSINRおよびセキュリティのロバストネスの面でベンチマーク手法を上回った。
• DI制約が適用されてもCUsにおけるSERは許容範囲内を維持しており、レーダ性能と通信セキュリティの良好なトレードオフが実現された。