用于安全无蜂窝ISAC系统的前传压缩与波束成形优化

《Journal of Web Engineering》：Fronthaul Compression and Beamforming Optimization for Secure Cell-Free ISAC Systems

针对有限前传链路的Cell-free MIMO系统，研究提出联合前传压缩与波束赋形的方法，利用MM算法和半定规划松弛技术，在满足最大功率和最差安全速率约束下优化感知与通信性能，仿真验证其优于分布式感知和传统波束赋形方案。

　　

摘要：

本文旨在为潜在的窃听者提供感知能力，同时实现与合法用户之间的安全通信，这些通信发生在具有有限前传链路的无线多输入多输出（蜂窝-free MIMO）系统中。为了最大化感知性能，本文提出了前传压缩和波束成形的联合设计方法，考虑了有限前传容量链路的限制、最大功率以及最坏情况下的保密速率要求。为此，我们基于最小化-最大化（MM）方法和半定规划松弛技术提出了一种算法解决方案，并通过仿真验证了其性能优越性，与分布式感知和传统波束成形设计等参考方案相比具有明显优势。

引言

集成感知与通信（ISAC）技术预计将在扩展现实（XR）、自动驾驶车辆、导航和其他基于位置的服务等多种应用中得到广泛应用。然而，由于无线介质的开放性，合法用户的通信信号存在信息泄露给感知目标的风险。因此，确保ISAC系统中的感知功能至关重要，这带来了重大挑战，因为控制回声信号本质上比保护数据通信更加困难。为此，人们积极研究了利用多天线系统的各种物理层安全技术[1]。另一方面，虽然传统的仅通信蜂窝架构将远程射频头（RRH）之间的干扰视为有害因素，但从雷达感知的角度来看，来自不同RRH的丰富回声信号可以通过更全面地重建周围环境来增强感知能力。这种视角的转变激发了对蜂窝-free ISAC系统的研究[2]、[3]。基于这些见解，最近的研究探索了安全蜂窝-free ISAC系统，这些系统联合处理来自多个RRH的信号以提升通信和感知性能[3]、[4]。在[3]中，作者提出了一个优化问题，旨在最大化目标检测概率，同时考虑通信用户的信噪干扰加噪声比（SINR）、信息窃听者的信噪比（SNR）以及感知窃听者的检测概率。在[4]中，作者联合设计了人工噪声（AN）、波束成形和上行功率控制，以实现全双工单蜂窝系统中的多用户安全通信和雷达检测。最近关于安全蜂窝-free ISAC系统的研究[3]、[4]大多假设中心单元（CU）与RRH之间的前传链路是理想的，而在实际应用中这是不可能的。实际上，有限的前传链路成为提高通信和感知性能的关键瓶颈。