[논문 리뷰] Dual Security for MIMO-OFDM ISAC Systems: Artificial Ghosts or Artificial Noise

Yinchao Yang, Prabhat Raj Gautam외 3명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 23.

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한 줄 요약

본 논문은 Eves의 CSI가 없더라도 passive sensing Eves와 communication Eves로부터 양쪽의 보안을 보호하는 MIMO-OFDM 시스템용 두-layer 듀얼-보안 ISAC 프레임워크를 설계하며, 인공 노이즈와 인공 유령을 사용한다.

ABSTRACT

Integrated sensing and communication (ISAC) enables the efficient sharing of wireless resources to support emerging applications, but it also gives rise to new sensing-based security vulnerabilities. Here, potential communication security threats whereby confidential messages intended for legitimate users are intercepted, but also unauthorized receivers (Eves) can passively exploit target echoes to infer sensing parameters without users being aware. Despite these risks, the joint protection of sensing and communication security in ISAC systems remains unexplored. To address this challenge, this paper proposes a two-layer dual-secure ISAC framework that simultaneously protects sensing and communication against passive sensing Eves and communication Eves, without requiring their channel state information (CSI). Specifically, transmit beamformers are jointly designed to inject artificial noise (AN) to introduce interference to communication Eves, while deliberately distorting the reference signal available to sensing Eves to impair their sensing capability. Furthermore, the proposed design generates artificial ghosts (AGs) with fake angle-range-velocity profiles observable by all receivers. Legitimate receivers can suppress these AGs, whereas sensing Eves cannot, thereby significantly reducing their probability of correctly detecting the true targets. Numerical results demonstrate that the proposed framework effectively enhances both communication and sensing security, while preserving the performance of communication users and legitimate sensing receivers.

연구 동기 및 목표

• ISAC 시스템에서 sensing 보안과 통신 보안을 듀얼로 보호하는 것이 통신 중심 파형을 사용할 때의 동기를 부여한다.
• CSI 없이 인공 노이즈를 이용하여 통신을 보호하고 sensing 레퍼런스를 왜곡하여 sensing Eves를 저해하는 비 CSI 기반 빔포밍 설계를 개발한다.
• 감각을 방해하기 위해 artificial ghosts를 도입하여 angle–delay–Doppler 도메인에서 sensing Eves를 오도하고 sensing 보안을 강화한다.
• 통신 성능, 통신 보안, sensing 성능, 그리고 sensing 보안 간의 4방향 트레이드-오프를 형성한다.

제안 방법

• 전용 artificial-noise 벡터를 포함하는 공동 빔포밍을 제안하여 합법적 사용자를 보존하면서 communication Eves를 열화시킨다.
• sensing Eves가 수신하는 레퍼런스 신호를 왜곡하여 그들의 sensing 정확도를 저하시킨다.
• ambiguity function을 통해 인공 유령을 설계하여 모든 수신기가 관찰할 수 있는 가짜 angle–range–Doppler 프로파일을 만든다.
• 통신 성능과 보안, sensing 성능과 보안의 4가지 지표를 정의하고 이를 형식화하여 4방향 트레이드-오프 최적화를 수립한다.
• 비선형 비 convext 문제를 다룰 수 있도록 볼록 대리들을 활용하고 최적화를 해결한다.
• OFDM 신호와 다중 안테나 CUs, 타겟, Eves를 갖는 단일 레인지 mmWave ISAC 설정에서 동작한다.

Figure 1: A monostatic ISAC system with a target $l\in\mathcal{L}$ , a communication user $k\in\mathcal{K}$ , a bistatic sensing eavesdropper $m_{r}\in\mathcal{M}_{r}$ , and a communication eavesdropper $m_{c}\in\mathcal{M}_{c}$ .

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ISAC 시스템이 eavesdropper의 CSI에 대한 지식 없이 sensing과 통신을 모두 보호할 수 있는가?
• RQ2 인공 노이즈와 인공 유령 기법이 CSI 없이 통신과 sensing을 함께 보안화할 수 있는가?
• RQ3 통신 성능, 통신 보안, sensing 성능, sensing 보안 간의 트레이드-오프를 어떻게 정량화하고 최적화할 것인가?
• RQ4 Ambiguity function이 legitimate sensing을 보존하면서 sensing Eves를 artificial ghosts로 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 MIMO-OFDM ISAC에서 듀얼 보안을 위한 4방향 최적화 문제를 tractable하게 만들기 위한 설계 절차는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 듀얼-보안 설계는 시뮬레이션에서 합법적 성능을 유지하면서 통신 보안과 sensing 보안을 모두 향상시킨다.
• AN 주입은 통신-Eve 도청을 저해하고 sensing 레퍼런스 신호를 왜곡하여 sensing Eve의 성능을 저하시킨다.
• 인공 유령은 angle–delay–Doppler 도메인에서 sensing Eves를 오도하도록 설계되어 진짜 목표를 정확하게 탐지할 확률을 감소시킨다.
• 4방향 트레이드-오프 최적화를 형식화하고 볼록 대리들을 사용해 제약과 상충하는 목표를 관리하며 해결한다.
• sensing Eve의 CSI나 communication Eve의 CSI가 필요하지 않으면서도 두 도메인 모두의 보안을 향상시킨다.

Figure 2: Illustration of the sensing security vulnerability in an ISAC system. When only the distance $d$ and the AoA angle $\theta_{l,m_{r}}$ are exposed, the sensing Eve can infer that the target lies somewhere along the dotted locus but cannot determine its exact position. If the AoD $\theta_{l,