[논문 리뷰] Secure Dual-Functional Radar-Communication Transmission: Exploiting Interference for Resilience Against Target Eavesdropping

Nanchi Su, Fan Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 10.

Radar Systems and Signal Processing인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 mmWave 네트워크에서 레이더-통신 이중기능 전송(DFRC) 시스템을 위한 안전한 전송 방식을 제안한다. 이는 전송 웨이브포트와 수신 beamforming을 공동으로 설계하여 레이더의 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR)을 최대화하면서도 물리계층 보안을 확보한다. 정상 사용자에게는 유용한 간섭(CI)을 활용하고, 도청 레이더 타깃에게는 파괴적 간섭(DI)을 적용하여 기호 검출을 손상시키는 결정 영역으로 유도함으로써, 통신 사용자에게 최소한의 성능 손실로 보다 향상된 기밀성을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 동일한 웨이브포트를 통해 전송되는 통신 신호를 도청할 수 있는 레이더 타깃이 존재하는 DFRC 시스템의 고유한 보안 과제를 해결한다.
• 고성능 레이더 성능을 유지하면서도 의도하지 않은 타깃의 도청 능력을 떨어뜨리는 안전한 전송 방식을 설계한다.
• 전력 및 보안 제약 조건 하에서 전송 웨이브포트와 수신 beamforming을 공동 최적화하여 레이더 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR)을 최대화한다.
• 기존의 다중 사용자 간섭(MUI)을 통신 사용자에게는 유용한 간섭(CI)으로 활용하고, 잠재적 도청자에게는 파괴적 간섭(DI)으로 유도한다.
• 인위적 노이즈에 의존하지 않고 방향성 변조(DM)를 통해 하드웨어 효율적이고 에너지 절약형 보안을 실현함으로써 하드웨어 복잡성과 전력 소비를 감소시킨다.

제안 방법

• 방향성 변조(DM)를 활용하여 복사 패턴을 조절하여 통신 사용자(CU)에서는 기호가 정확히 복원되도록 하고, 의도하지 않은 방향에서는 기호가 왜곡되도록 한다.
• 기호 수준의 프리코딩을 사용하여 유용한 간섭(CI)을 활용하고, 통신 사용자에서 수신된 신호가 볼트의 결정 영역으로 정렬되도록 함으로써 SER를 향상시킨다.
• 파괴적 간섭(DI) 제약 조건을 도입하여 레이더 타깃에서 수신된 신호가 기호 오류를 유발하는 결정 영역으로 유도함으로써 도청 능력을 떨어뜨린다.
• 분수 프로그래밍(FP)을 사용하여 개별 전력 제약 조건과 기밀성 요구 조건 하에서 레이더 SINR을 최대화하는 최적화 문제를 수립한다.
• 비볼록 문제를 해결하기 위해 순차적 볼록 근사화(sequential convex approximation, SCA) 및 연속적 볼록 근사화( successive convex approximation, SCA) 기법을 적용하고, 타당한 해를 복구하기 위해 가우시안 랜덤화를 사용한다.
• 웨이브포트 설계에 CI 및 DI 제약 조건을 통합하여 레이더 성능과 통신 보안 간의 균형을 맞춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DFRC 시스템에서 유용한 간섭(CI)을 어떻게 효과적으로 활용하여 통신 사용자 성능을 향상시키면서도 레이더 기능을 유지할 수 있는가?
• RQ2 파괴적 간섭(DI)을 얼마나 효과적으로 적용하여 도청자로 기능하는 레이더 타깃의 기호 오류율(SER)을 떨어뜨릴 수 있는가?
• RQ3 웨이브포트 설계에 CI 및 DI를 모두 적용할 경우, 레이더 SINR와 통신 보안 간의 상호 보완적 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ4 타깃 위치 지식의 정확도가 DI 기반 도청 방지 기술의 효과성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 기지국(BS) 안테나 수와 신호 대 잡음비(SNR) 임계값이 제안된 방식 하에서 통신 사용자 및 타깃의 SER 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 특히 SNR 임계값 Γₖ가 22 dB를 초과할 경우, 기준 비트맵러 설계 방식 [49]보다 더 높은 레이더 SINR를 달성한다.
• DI 제약 조건이 적용된 경우, 타깃의 SER는 레이더 타깃과 통신 사용자 간의 각도 차이가 15°를 초과할수록 급격히 증가하여 약 1에 수렴하며, 이는 거의 완전한 복호 실패 상태임을 의미한다.
• 단지 CI만 사용할 경우 타깃이 넓은 각도 불확실성 구간 내에 있을 때 SER는 약 0.75로 수렴하며, 이는 도청 성공 가능성에 제한이 있음을 나타낸다.
• DI 제약 조건이 포함된 경우 타깃에서의 SER에 명백한 성능 저하가 발생함을 확인하여, 이 기법이 도청을 효과적으로 차단함을 입증한다.
• 분수 프로그래밍(FP) 기반 최적화는 고신호 대 잡음비(SNR) 조건에서 레이더 SINR 및 보안 강건성 측면에서 기준 방법보다 뛰어난 성능을 보인다.
• DI 제약 조건이 적용된 상황에서도 통신 사용자에서의 SER는 수용 가능한 수준을 유지함을 통해 레이더 성능과 통신 보안 간의 유리한 트레이드오프를 입증한다.