[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种在毫米波网络中实现安全的双功能雷达-通信（DFRC）传输方案，通过联合设计发射波形与接收波 beamforming，以最大化雷达的信干噪比（SINR），同时确保物理层安全。通过利用合法用户之间的相位相长干扰（CI），并施加相位相消干扰（DI）使窃听雷达目标进入导致符号检测错误的判决区域，该方案在通信用户性能损失最小的情况下实现了增强的保密性。

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.

研究动机与目标

• 解决DFRC系统中雷达目标可能窃听同一波形承载的通信信号所带来的独特安全挑战。
• 设计一种安全传输方案，在保持高雷达性能的同时降低非意图目标的窃听能力。
• 在功率与安全约束下，联合优化发射波形与接收波束成形，以最大化雷达信号与干扰加噪声比（SINR）。
• 将已知的多用户干扰（MUI）作为相位相长干扰（CI）用于通信用户，并将其导向潜在窃听者以形成相位相消干扰（DI）。
• 通过定向调制（DM）实现硬件高效、节能的安全防护，无需依赖人工噪声，从而降低硬件复杂度与功耗。

提出的方法

• 采用定向调制（DM）调节辐射图样，使符号在通信用户（CUs）处正确解码，而在非预期方向被混淆。
• 使用符号级预编码技术，利用相位相长干扰（CI），将通信用户处的接收信号对准星座图的判决区域，以改善符号误码率（SER）。
• 引入相位相消干扰（DI）约束，使雷达目标处的接收信号落入导致符号错误的判决区域，从而降低其窃听能力。
• 采用分数规划（FP）方法建模优化问题，以在单个功率约束与保密性要求下最大化雷达SINR。
• 应用序列凸逼近（SCA）与连续凸逼近（SCA）技术求解非凸问题，并通过高斯随机化方法恢复可行解。
• 在波形设计中整合CI与DI约束，以平衡雷达性能与通信安全。

实验结果

研究问题

• RQ1 在DFRC系统中，如何有效利用相位相长干扰（CI）以提升通信用户性能，同时保持雷达功能？
• RQ2 相位相消干扰（DI）在多大程度上可被用于降低作为潜在窃听者的雷达目标处的符号误码率（SER）？
• RQ3 当在波形设计中同时应用CI与DI时，雷达SINR与通信安全之间存在何种权衡？
• RQ4 目标位置知识的精度在多大程度上影响基于DI的窃听抑制效果？
• RQ5 基站（BS）天线数量与信噪比（SNR）阈值对所提方案下通信用户与目标处SER性能的影响如何？

主要发现

• 所提方法在雷达SINR方面优于文献[49]中的基准波束成形设计，尤其当SNR阈值Γₖ超过22 dB时表现更优。
• 在应用DI约束后，雷达目标处的SER显著上升，当目标与通信用户之间的角度差超过15°时，SER趋近于1（即接近完全解码失败）。
• 当仅使用CI且目标处于宽广的角度不确定性区间时，目标处的SER收敛至约0.75，表明窃听成功率有限。
• 引入DI约束后，目标处SER出现可测量的性能劣化，证实其在阻断窃听方面的有效性。
• 基于分数规划（FP）的优化方法在雷达SINR与安全鲁棒性方面优于基准方法，尤其在高SNR条件下表现更佳。
• 即使在强制实施DI约束的情况下，系统仍能保持通信用户处可接受的SER，表明雷达性能与通信安全之间具有有利的权衡。