[论文解读] Towards Multi-Functional 6G Wireless Networks: Integrating Sensing, Communication and Security

Zhongxiang Wei, Fan Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2021

Wireless Communication Security Techniques参考文献 14被引用 7

一句话总结

本文提出了一种感知辅助的物理层安全机制，用于6G网络中的感知与通信一体化（ISAC），通过利用感知知识，将窃听者接收到的符号引导至误码率较高的星座图区域，从而降低其信号检测能力。该方法通过可重构射频前端实现低复杂度、高硬件效率的安全ISAC通信。

ABSTRACT

Integrated sensing and communication (ISAC) has recently emerged as a candidate 6G technology, aiming to unify the two key operations of the future network in spectrum/energy/cost efficient way. ISAC involves communicating information to receivers and simultaneously sensing targets, while both operations use the same waveforms, the same transmitter and ultimately the same network infrastructure. Nevertheless, the inclusion of information signalling into the probing waveform for target sensing raises unique and difficult challenges from the perspective of information security. At the same time, the sensing capability incorporated in the ISAC transmission offers unique opportunities to design secure ISAC techniques. This overview paper discusses these unique challenges and opportunities for the next generation of ISAC networks. We first briefly discuss the fundamentals of waveform design for sensing and communication. Then, we detail the challenges and contradictory objectives involved in securing ISAC transmission, along with state-of-the-art approaches to address them. We then identify the new opportunity of using the sensing capability to obtain knowledge of the targets, as an enabling approach against known weaknesses of PHY security. Finally, we illustrate a low-cost secure ISAC architecture, followed by a series of open research topics. This family of sensing-aided secure ISAC techniques brings a new insight on providing information security, with an eye on robust and hardware-constrained designs tailored for low-cost ISAC devices.

研究动机与目标

• 解决ISAC中固有的安全漏洞问题，即窃听者可截获携带信息的探测信号。
• 克服传统密码学与高层安全机制在无线ISAC系统中的局限性。
• 利用ISAC的感知能力，在物理层主动削弱窃听者的信号检测能力。
• 设计低成本、低功耗的ISAC架构，采用无源或寄生天线以降低硬件复杂度。
• 为智能工厂、智慧城市和车联网等新兴6G应用提供安全、可靠且低时延的ISAC通信。

提出的方法

• 采用联合波形设计，利用同一信号、硬件和频谱同时支持通信与感知。
• 应用波束成形与人工噪声技术，将信号能量聚焦于合法用户，同时最小化在潜在窃听者位置的功率辐射。
• 利用感知反馈估计窃听者位置，并将截获信号引导至信号星座图中的破坏性区域。
• 通过驱动元件或寄生天线实现可重构射频前端，支持低功耗、低成本的波束成形与信号调控。
• 集成物理层安全机制，利用合法用户与窃听者之间的信道差异，无需依赖密钥分发。
• 应用星座图整形与符号级预编码技术，通过将窃听者接收符号引导至高误码区域，降低其性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用感知知识提升ISAC系统中的物理层安全性？
• RQ2 ISAC波形在通信性能、感知精度与安全性之间存在何种权衡？
• RQ3 如何设计安全的ISAC系统以满足URLLC与机器类型通信的严苛时延与可靠性要求？
• RQ4 在与5G新空口（NR）波形及灵活无线配置集成时，面临哪些挑战？
• RQ5 当雷达与通信参数共享时，如何在军事及敏感应用中保护隐私？

主要发现

• 感知辅助的物理层安全可显著减少窃听者能检测到的符号数量，通过将接收信号引导至星座图的破坏性区域。
• 所提方法无需依赖密钥分发或计算假设，即可实现安全通信，在信道差异条件下提供可证明的安全性。
• 用移相器或寄生天线替代传统射频链路，可降低硬件成本与功耗，同时保持安全波束成形能力。
• 感知与通信的集成可带来协同增益，如通信辅助感知与感知辅助通信，从而提升整体系统性能。
• 现有5G NR波形（如CP-OFDM与滤波OFDM）与安全ISAC不原生兼容，需设计新型波形与接口以实现无缝集成。
• 隐私保护型ISAC设计仍是开放挑战，尤其需防止窃听者通过波形分析推断雷达参数或位置。