1、ISAC背景知識(shí)

1.1 ISAC在6G網(wǎng)絡(luò)中的價(jià)值

6G網(wǎng)絡(luò)不只是對(duì)通信速率的簡(jiǎn)單提升，它也被視作一場(chǎng)偉大的范式革命，是未來智能世界的新引擎。除了空天地一體化通信的實(shí)現(xiàn)，6G還將使智慧城市、智能工業(yè)、車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等新興技術(shù)的實(shí)現(xiàn)成為可能。這些新興技術(shù)都有一個(gè)共同特點(diǎn)，即同時(shí)需要高質(zhì)量的無線通信能力和穩(wěn)健且高精度的感知能力。因此，在6G網(wǎng)絡(luò)框架下研究ISAC具有重要的意義。

ISAC從雷達(dá)通信一體化（Dual-functional radar and communication, DFRC）演化而來。由于目前無線頻譜資源受限，下一代無線通信系統(tǒng)希望復(fù)用雷達(dá)頻段，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和通信頻譜共享，提高頻譜利用率，這也是為何6G網(wǎng)絡(luò)中ISAC技術(shù)將發(fā)揮重要的作用。ISAC技術(shù)通過利用通用的頻譜、硬件平臺(tái)和信號(hào)處理框架，可以提高頻譜和能源效率，從而解決頻譜擁塞問題，同時(shí)降低硬件和信令成本，即集成增益。此外，ISAC可以實(shí)現(xiàn)通信輔助感知和感知輔助通信，從而大幅提高感知和通信性能，稱之為協(xié)調(diào)增益。得益于上述優(yōu)點(diǎn)，ISAC可以實(shí)現(xiàn)新興應(yīng)用，包括增強(qiáng)定位和跟蹤、無人機(jī)監(jiān)控/管理、人類活動(dòng)識(shí)別、車輛隊(duì)列、環(huán)境監(jiān)測(cè)、感知輔助和資源分配等。

1.2 ISAC原理

為了更好的說明ISAC安全問題，我們先給出ISAC的原理。一種常見的ISAC系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示，在發(fā)射端，調(diào)制信號(hào)在基帶先進(jìn)行數(shù)字預(yù)編碼，然后通過射頻處理鏈，最后通過天線發(fā)射。通信的目的是將信息準(zhǔn)確地傳遞給接收機(jī)，而感知的目的是從目標(biāo)回波中提取目標(biāo)信息。因此，對(duì)感知有用的信息不在通信波束中，而在反射回波中。在分析反射回波用于目標(biāo)檢測(cè)的同時(shí)，感知結(jié)果也以主動(dòng)和因果的方式輔助安全波束設(shè)計(jì)。

圖1 一種常見的ISAC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

不難發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)感知目標(biāo)，ISAC中對(duì)波束的設(shè)計(jì)就至關(guān)重要。根據(jù)實(shí)際需求，可分為以感知為中心、以通信為中心和聯(lián)合設(shè)計(jì)：

（1）以感知為中心的設(shè)計(jì)：以感知為中心的設(shè)計(jì)將通信信息集成到經(jīng)典的感知波束中，因此與雷達(dá)架構(gòu)具有很高的兼容性。然而，通信符號(hào)通常嵌入到雷達(dá)脈沖中，以感知為中心的設(shè)計(jì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率低，受到雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率的限制，遠(yuǎn)低于5G/6G網(wǎng)絡(luò)要求。

（2）以通信為中心的設(shè)計(jì)：以通信為中心的設(shè)計(jì)利用了用于感知的標(biāo)準(zhǔn)化通信波束、協(xié)議和架構(gòu)。例如，導(dǎo)頻信號(hào)和幀前導(dǎo)具有良好的自相關(guān)特性，通常用于信道估計(jì)或多用戶接入，可被用于感知目標(biāo)。然而，導(dǎo)頻信號(hào)、幀前導(dǎo)和通信波束并不是專門為感知設(shè)計(jì)的。因此，以通信為中心設(shè)計(jì)的主要缺點(diǎn)在于較差的、依賴于場(chǎng)景的和難以調(diào)諧的感知性能。

（3）聯(lián)合設(shè)計(jì)：在聯(lián)合設(shè)計(jì)ISAC方法中，波束方向圖被設(shè)計(jì)為滿足理想的雷達(dá)波束方向圖，同時(shí)確保通信中合法用戶處的高信噪比(SINR)，可采用最優(yōu)化、信息論的角度解決問題。顯然，聯(lián)合設(shè)計(jì)涉及對(duì)兩種功能的專門優(yōu)化，并實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的性能。

2、通感一體化的安全問題

2.1安全問題來源

由于頻譜的共享使用和無線傳輸?shù)膹V播性質(zhì)，ISAC面臨著獨(dú)特的安全挑戰(zhàn)。雷達(dá)探測(cè)信號(hào)中包含信息電文，使得通信過程容易被目標(biāo)竊聽。實(shí)際上，被感知的目標(biāo)可以潛在地利用承載信息的信號(hào)并檢測(cè)到發(fā)送給通信目的地的機(jī)密信息，攻擊者也可以在波束方向上截獲信息，如圖2所示。這為ISAC系統(tǒng)的發(fā)射器帶來了一個(gè)重要的trade-off問題：一方面，發(fā)射器希望通過將功率聚焦到目標(biāo)方向來更好的感知目標(biāo)，另一方面又要限制到達(dá)目標(biāo)的有用信號(hào)功率以防止竊聽。

圖2 ISAC系統(tǒng)中存在攻擊者的場(chǎng)景示意圖

2.2傳統(tǒng)安全防護(hù)措施

2.2.1高層加密

不難想象，用戶可以在網(wǎng)絡(luò)的高層使用加密技術(shù)，在傳輸之前對(duì)機(jī)密數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，這樣攻擊者即使截獲信息也無法獲取加密內(nèi)容。然而，該解決方案存在局限性。首先攻擊者若具備強(qiáng)大的計(jì)算力，則有可能暴力破解加密內(nèi)容，無法保證安全；同時(shí)若采用復(fù)雜的加密算法，則信息接收端設(shè)備也要求有足夠的算力來解密，這是目前常見的低功耗設(shè)備所不具備的。

2.2.2物理層加密

目前已有研究通過利用攻擊者和合法用戶之間的信道差異來保證系統(tǒng)的安全。發(fā)射端與合法用戶之間的信道狀態(tài)CSI可以測(cè)量，從而在用戶端恢復(fù)發(fā)射端原始信息，而攻擊者是無法獲取上述CSI的，在信道的作用下，攻擊者獲得的信號(hào)質(zhì)量可能會(huì)下降到攻擊者即使完全知道密鑰也無法提取消息的程度[2]。然而，對(duì)CSI的測(cè)量并不能很好地利用可用寬帶，因?yàn)樗麄兯鶄鬏數(shù)男盘?hào)不包含通信信息，實(shí)際的頻帶利用率偏低。此外，還有研究利用攻擊者引起的電磁波變化，主動(dòng)推斷攻擊者的可能存在，以協(xié)助安全波束設(shè)計(jì)[3]。但該方案將通信與感知功能分開，造成了性能損失。

2.3基于ISAC本身的安全方案設(shè)計(jì)

上述方法都局限在舊有的安全方案，并沒有考慮ISAC本身的特性。實(shí)際上，ISAC的聯(lián)合感知和通信機(jī)制為安全設(shè)計(jì)帶來了新的機(jī)會(huì)，其中額外的感知功能可以作為促進(jìn)提供安全性的支持。

圖3 ISAC攻擊者與感應(yīng)目標(biāo)位于同一方向的示意圖

2.3.1 信噪比約束

ISAC發(fā)射機(jī)需要將功率集中到包含目標(biāo)的方向上，并保證接收端的目標(biāo)回波具有足夠好的SNR，以達(dá)到一定的感知性能。但是，由于目標(biāo)位置上可能存在攻擊者，因此感應(yīng)波束進(jìn)入目標(biāo)物體的角度與攻擊者的角度相同，如圖3所示。這意味著目標(biāo)對(duì)嵌入的通信信號(hào)具有較高的接收信噪比（SCNR），大大增加了信息被攻擊者竊聽的易感性，這是上文中提到的trade-off問題，下面給出了針對(duì)該問題的研究設(shè)想。

ISAC發(fā)射機(jī)能夠感知目標(biāo)反射回波信號(hào)的到達(dá)角(AoA)，并根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度推斷目標(biāo)的位置。利用這個(gè)往返信道，可以估計(jì)從ISAC發(fā)射機(jī)到目標(biāo)的竊聽信道。因此，可以利用主動(dòng)和隨機(jī)獲得的竊聽信道，或目標(biāo)的AoA作為最小值，來設(shè)計(jì)多種安全方法，包括安全波束形成、人工噪聲和協(xié)同干擾等，抑制攻擊者位置的SNR，并保證合法用戶的SINR，來提高保密率。需要注意的是，在極少數(shù)情況下，若目標(biāo)的角度與攻擊者的角度相同，并且兩者都具有強(qiáng)視距信道，它們的信道是強(qiáng)相關(guān)的，在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)更高層仍然需要安全的身份驗(yàn)證和加密技術(shù)。

2.3.2安全波束設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，由于感知誤差和有限的探測(cè)分辨率，目標(biāo)的位置不一定能得到完美的定位。當(dāng)目標(biāo)位置只能在一個(gè)角度區(qū)域內(nèi)粗略感知時(shí)，需要向該區(qū)域制定更寬的波束以避免錯(cuò)過目標(biāo)。然而，將波束聚焦到一個(gè)空間區(qū)域不可避免地導(dǎo)致信息泄漏的可能性增加，從而需要魯棒的安全波束設(shè)計(jì)。

具體而言：當(dāng)只知道目標(biāo)在空間的某一角度區(qū)域內(nèi)時(shí)，可以通過最小化目標(biāo)在該角度區(qū)間內(nèi)可能位置的SNR之和，從而保證信息安全。另一方面，當(dāng)ISAC發(fā)射機(jī)也不完全知道合法用戶的信道時(shí)，信道估計(jì)誤差一般可以使用有界或無界誤差模型來表示。在有界或無界誤差模型下，確保合法用戶的SINR可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為確定性或概率約束，一系列成熟的隨機(jī)優(yōu)化工具可輕松處理這些約束。

我們考慮如圖3所示的場(chǎng)景，其中目標(biāo)可能的角度間隔為[-5，5]，而四個(gè)合法用戶的信道估計(jì)誤差服從高斯分布，方差為0.05，SINR閾值為40 dB，功率預(yù)算為20dbm。安全波束優(yōu)化的目標(biāo)是在滿足合法用戶SINR要求的情況下抑制目標(biāo)的接收SNR，同時(shí)確保產(chǎn)生的波束接近所需的感知波束方向圖。如圖3a所示，當(dāng)準(zhǔn)確地感知目標(biāo)位置時(shí)，可以獲得較窄的波束圖。發(fā)射機(jī)利用主動(dòng)獲取的位置信息，對(duì)耗散波束進(jìn)行操縱，抑制了竊聽SNR，從而提高了圖3b中的保密率。當(dāng)目標(biāo)的位置只能被不完全感知時(shí)，形成一個(gè)更寬的波束模式，在可能的區(qū)域上引導(dǎo)相同的功率，減少主波束的功率增益。另外，通過抑制目標(biāo)在角間隔內(nèi)可能位置的SINR之和，即使ISAC發(fā)射機(jī)只知道合法用戶信道的統(tǒng)計(jì)信息，也可以實(shí)現(xiàn)高水平的保密率。

2.4安全I(xiàn)SAC硬件設(shè)計(jì)

為提高經(jīng)濟(jì)性，低成本低功耗的通信硬件設(shè)備正成為應(yīng)用首選。然而，通信硬件的限制可能會(huì)危及感知和通信性能以及安全性。因此，如何權(quán)衡經(jīng)濟(jì)性與安全性是未來有價(jià)值的研究方向。

為了去除昂貴且耗電的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），一種建立在定向調(diào)制（DM）概念基礎(chǔ)上的硬件效率更高的安全I(xiàn)SAC 技術(shù)正在興起[4]。在這種技術(shù)中，寄生天線被用作發(fā)射器的主要組件。在合法用戶CSI的幫助下，符號(hào)調(diào)制發(fā)生在天線層而不是基帶層，合法用戶接收到的波束模式被視為空間復(fù)星座點(diǎn)。特別是，合法用戶的構(gòu)造信號(hào)并不一定與所需符號(hào)一致，但可以根據(jù)構(gòu)造干擾（CI）區(qū)域的概念，將其推離解調(diào)的檢測(cè)閾值。圖4舉例說明了正交相移鍵控（QPSK）。由于 QPSK 的判定閾值是實(shí)軸和虛軸，因此在合法用戶上構(gòu)建的符號(hào)（用藍(lán)點(diǎn)表示）可以被推離實(shí)軸和虛軸，由此增加的與檢測(cè)閾值的距離有利于合法用戶的通信質(zhì)量。同樣，也可以使用高階調(diào)制為合法用戶構(gòu)建符號(hào)。另一方面，利用主動(dòng)獲取的攻擊者信息，可以有意將攻擊者接收到的符號(hào)（用紅星表示）定位到信號(hào)解調(diào)的破壞性區(qū)域，從而進(jìn)一步阻礙攻擊者在符號(hào)級(jí)別上的攔截行為。

另一種硬件高效架構(gòu)即星座分解陣列（CDA），也具有確保 ISAC 安全的巨大潛力[5]。CDA 的簡(jiǎn)化模塊如圖4所示，包括本地振蕩器、調(diào)制器、線性合路器和功率放大器，能避免使用昂貴的 DAC。顯然，高階正交幅度調(diào)制（QAM）可被視為多個(gè)低階 QAM/PSK 信號(hào)的矢量組合。例如，16-QAM 信號(hào)可視為 QPSK[1] 和 QPSK[2] 信號(hào)的組合，其中上標(biāo)表示兩個(gè)相鄰符號(hào)之間的歸一化歐氏距離。通過利用合法用戶的 CSI 對(duì)陣列進(jìn)行適當(dāng)控制，合法用戶可以看到預(yù)期信號(hào)的正確組合，而位于不同角度的任何攻擊者（包括傳感目標(biāo)）都會(huì)在解調(diào)時(shí)獲得失真的信號(hào)。此外，由于 CDA 傳輸?shù)氖欠骞β时群艿偷牡碗A調(diào)制信號(hào)，因此可以適當(dāng)放寬對(duì)功率放大器的嚴(yán)格線性度要求。

圖4 DM、CDA結(jié)構(gòu)與工作示意圖

3、總結(jié)與討論

本文討論了ISAC安全性問題，從ISAC的基本原理出發(fā)，首先介紹了用于感知和通信的波束設(shè)計(jì)方法。然后研究了ISAC的安全防護(hù)方案，分析了舊有方案的不足，給出了基于信噪比約束以及安全波束設(shè)計(jì)兩種可行思路，以防止波束中的機(jī)密信息被攻擊者竊聽。最后討論了高效硬件架構(gòu)與ISAC安全問題之間的關(guān)系。

2023年12月5日，IMT-2030(6G)推進(jìn)組宣布：2030年6G技術(shù)將正式邁入商用時(shí)代，意味著ISAC技術(shù)即將走入千家萬戶。由此ISAC安全問題的重要性、緊迫性愈發(fā)突出。本文詳細(xì)的分析了ISAC所面臨的安全問題，給出了多種感知輔助安全的ISAC設(shè)計(jì)思路，指出了ISAC安全在未來具有廣闊的研究前景，對(duì)本領(lǐng)域發(fā)展乃至社會(huì)發(fā)展具有重要的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] Masouros C ,Wei Z, Liu F, et al. Toward multi-functional 6G wireless networks: Integrating sensing, communication, and security[J]. IEEE Communications Magazine, 2022, 60(4): 65-71.

[2] Bloch M, Günlü O, Yener A, et al. An overview of information-theoretic security and privacy: Metrics, limits and applications[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Information Theory, 2021, 2(1): 5-22.  

[3] Tahmasbi M, Bloch M R, Yener A. Learning an adversary’s actions for secret communication[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2019, 66(3): 1607-1624.

[4] Wei Z, Masouros C, Wong K K, et al. Multi-cell interference exploitation: Enhancing the power efficiency in cell coordination[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2019, 19(1): 547-562.

[5] Mannem N S, Huang T Y, Erfani E, et al. A mm-wave transmitter MIMO with constellation decomposition array (CDA) for keyless physically secured high-throughput links[C]. 2021 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC). IEEE, 2021: 199-202.