[논문 리뷰] Secure Beamforming for ISAC Systems Under Communication Eavesdropper and Sensing Eavesdropper

Tian Zhang, Zhirong Su외 1명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 13.

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한 줄 요약

본 논문은 통신 도청자와 센싱 도청자가 모두 존재하는 상황에서 ISAC를 위한 보안 빔포밍을 연구하고, SCA 및 SDR 기반 알고리즘을 이용해 센싱 보안과 성능을 강제하면서 시스템 보안 비율을 최대화하는 것을 목표로 한다.

ABSTRACT

Due to great efficiency improvement in resource and hardware space, integrated sensing and communication (ISAC) has gained much attention. In the paper, the physical layer security (PLS) of ISAC system under communication eavesdropper together with sensing eavesdropper is investigated. The system secrecy rate is maximized by transmit beamforming design of communication and sensing signals when taking sensing security, sensing performance and transmit power constraint into consideration. To deal with the formulated non-convex optimization problem, the successive convex approximation (SCA) together with the first-order Taylor expansion and semidefinite relaxation (SDR) is utilized. Additionally, it is theoretically validated that the SDR does not yield sub-optimality in the paper. Thereafter, an iterated joint secure beamforming algorithm against communication and sensing eavesdroppers is proposed. Simulation results validate the effectiveness and advance of the proposed scheme.

연구 동기 및 목표

• 통신 도청자와 센싱 도청자 모두의 기밀 위협을 고려하여 보안 ISAC를 고무한다.
• 센싱 보안 및 센싱 성능 제약 하에서 시스템 기밀성 속도를 최대화하기 위한 비볼록 최적화를 공식화한다.
• SCA와 SDR을 결합한 반복 알고리즘을 개발하여 증명 가능한 최적의(rank-one) 빔포밍 해를 달성한다.
• 다양한 전력, 안테나 및 채널 시나리오에서 시뮬레이션을 통해 효율성과 수렴성을 입증한다.

제안 방법

• 다중 안테나 DFRC 기지국이 통신 신호와 센싱 신호를 모두 전송하는 ISAC 다운링크를 모델링한다.
• SCNR 및 파워 제약 하에서 SR = sum_k [R_u,k − R_t,k]^+로 정의된 기밀도(비밀) 기반 목표를 정의한다.
• 일차 테일러 전개와 역로그/지수 치환을 이용한 SCA로 비볼록 문제를 볼록화한다.
• 랭크-원 제약을 처리하기 위해 세미정합(relaxation) SDR을 적용하고 이 문제에서 SDR이 타이트함을 보인다.
• 보안 빔포밍의 반복 알고리즘(Algorithm 1)을 제안하며 각 단계에서 보조 변수를 업데이트하고 볼록한 SDP를 풀이한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통신 도청자와 센싱 도청자가 모두 존재하는 ISAC에서 다운링크 시스템의 보안 비율을 어떻게 최대화할 수 있나?
• RQ2 센싱 및 보안 제약이 센싱 및 통신 서비스의 프라이버시를 보장하기 위해 필요한 센싱-보안 및 센싱-성능 제약은 무엇인가?
• RQ3 제안된 ISAC 보안 SCA 프레임워크에서 SDR을 서브옵티멀리티 없이 적용해 랭크-원 해를 얻을 수 있는가?
• RQ4 전송 파워, 안테나 수, 도청자 위협이 달라질 때 제안된 방식의 성능은 어떻게 되는가?
• RQ5 전력 및 보안 제약하에서 센싱 성능과 통신 기밀성 사이의 트레이드오프는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 SCA+SDR 알고리즘은 몇 차례의 반복 내에 수렴한다(예: 시뮬레이션에서 약 4회의 반복 후 안정성을 관찰).
• 센싱-도청 SCNR 제약은 센싱 누출을 효과적으로 제한하여 센싱 보안을 보장하며, 이 제약이 없는 기존 방식은 실패한다.
• 제안된 설계 하에서 BS 전송 파워와 안테나 수를 증가시키면 일반적으로 시스템 기밀성 속도가 향상된다.
• 센싱 성능과 통신 보안 사이에는 트레이드오프가 존재한다: 센싱 요건을 강화하면 고정 파워 하에서 달성 가능한 기밀성 속도가 감소할 수 있다.
• SDR 완화는 타이트하며 얻은 Q_k 행렬은 랭크-원으로 추가 재구성 단계가 필요 없다.