WikiEdge:ArXiv-2408.17050v1
本文的基本信息如下：
- 標題：Secure Integrated Sensing and Communication Under Correlated Rayleigh Fading
- 中文標題：安全的相關瑞利衰落下的綜合感知與通信
- 發布日期：2024-08-30T07:16:55+00:00
- 作者：Martin Mittelbach, Rafael F. Schaefer, Matthieu Bloch, Aylin Yener, Onur Günlü
- 分類：cs.IT, cs.CR, cs.SY, eess.SP, eess.SY, math.IT
- 原文連結：http://arxiv.org/abs/2408.17050v1
摘要：本文考慮了一個安全的集成感知與通信（ISAC）場景，其中信號通過一個狀態依賴的竊聽信道傳輸，具有一個合法接收者（發射機與其通信）和一個誠實但好奇的目標（發射機希望感知）。安全的ISAC信道被建模為兩個狀態依賴的快速衰落信道，具有相關的瑞利衰落係數和獨立的加性高斯噪聲成分。延遲的信道輸出被反饋給發射機，以改善通信性能並估計信道狀態序列。我們建立並展示了在相關瑞利衰落下退化的安全ISAC信道的可實現保密-失真區域。我們還評估了大量參數集的內界，以得出安全ISAC方法的實際設計見解。特別是，所展示的結果包括超越經典竊聽信道設置的保密容量和接近信道容量的參數範圍。
章節摘要
這篇論文探討了在相關瑞利衰落環境下，安全集成感知與通信（ISAC）的實現問題。主要內容包括：
- 引言：介紹了未來通信系統需要網絡實時響應變化，通過感知和通信實現數字與物理世界的融合。特別指出了毫米波（mmWave）ISAC系統的目標是通過估計相關信道參數來微調通信方案。
- 系統模型與問題定義：構建了一個安全的ISAC模型，包括一個發射器、一個合法接收器、一個狀態估計器和一個竊聽者（Eve）。發射器希望通過快速衰落的加性高斯噪聲（AGN）安全ISAC信道傳輸消息M，同時保證消息對竊聽者保密。
- 相關衰落AGN ISAC信道的保密-失真區域：定義了物理和隨機降級的ISAC信道，並給出了在強保密條件下物理降級安全ISAC信道的保密-失真區域。
- 高斯輸入的可實現速率：在難以優化的條件下，提供了高斯輸入X的可實現速率，並評估了方程（12a）至（12c）。
- 數值結果與討論：通過數值計算，展示了在不同參數設置下，可實現速率與發射功率P的關係，並討論了在低相關性下，保密通信容量接近的有趣區域。
研究背景
這篇文獻的背景主要集中在以下幾個方面：
- 集成感知與通信（ISAC）的重要性：
- 安全ISAC的挑戰：
- 相關瑞利衰落下的保密ISAC信道：
- 研究考慮了在相關瑞利衰落下的安全ISAC信道，這種信道被建模為兩個具有相關瑞利衰落係數的快速衰落信道，以及獨立的加性高斯噪聲分量。
- 通過反饋延遲的信道輸出來改善通信性能和估計信道狀態序列，研究者們建立了在相關瑞利衰落下退化安全ISAC信道的可實現保密-失真區域，並為大量參數評估了內界，以得出安全ISAC方法的實際設計見解。
綜上所述，這篇文獻的背景強調了在相關瑞利衰落環境下，對安全ISAC系統進行保密容量和感知性能之間權衡的重要性，以及現有方法在處理這種權衡時的局限性。作者提出了一種基於高斯信道輸入的可實現速率區域，旨在克服這些挑戰，提供一種有效、實用的安全ISAC系統設計方法。
問題與動機
本文介紹了一種基於憶阻器的計算存儲硬體加速器，用於片上訓練和推理，重點關注其在設備變化、導電誤差和輸入噪聲下的準確性和效率。 利用商業可用的基於銀的金屬自定向通道（M-SDC）憶阻器的真實SPICE模型，研究將固有的設備非理想性納入電路仿真中。 硬體由30個憶阻器和4個神經元組成，利用鎢、鉻和碳介質的三種不同的M-SDC結構執行二進位圖像分類任務。 片上訓練算法精確調整憶阻器導電性以實現目標權重。結果表明，訓練期間加入適度噪聲（<15%）可以增強對設備變化和噪聲輸入數據的魯棒性， 即使在導電變化和輸入噪聲下也能實現高達97%的準確率。網絡可以在不顯著損失準確率的情況下容忍10%的導電誤差。值得注意的是， 在訓練期間省略初始憶阻器重置脈衝可以顯著減少訓練時間和能量消耗。使用基於鉻的憶阻器設計的硬體表現出優越的性能， 實現了2.4秒的訓練時間和18.9毫焦耳的能量消耗。這項研究為開發用於邊緣應用的片上學習的魯棒和能效高的基於憶阻器的神經網絡提供了見解。
研究方法
這篇文獻的工作部分詳細介紹了如何在相關瑞利衰落條件下，為安全集成感知與通信（ISAC）場景建立和說明一個可實現的保密-失真區域。以下是這部分的主要內容：
- 系統模型和問題定義：
- 信道狀態信息：
- 討論了如何利用接收機和竊聽者對信道狀態信息的估計來改善通信性能和估計信道狀態序列。
- 保密-失真區域的建立：
- 為降級安全ISAC信道在相關瑞利衰落條件下建立了一個可實現的保密-失真區域，並使用高斯信道輸入進行了評估。
- 數值結果和討論：
- 方法論討論：
- 論文還討論了如何通過改變發射功率、信道衰落係數的方差和相關性等參數，來優化ISAC系統的性能，並提供了實際設計安全ISAC方法的見解。
研究結論
本文介紹了一種基於憶阻器的計算存儲硬體加速器，用於片上訓練和推理，重點關注其在設備變化、導電誤差和輸入噪聲下的準確性和效率。 利用商業可用的基於銀的金屬自定向通道（M-SDC）憶阻器的真實SPICE模型，研究將固有的設備非理想性納入電路仿真中。 硬體由30個憶阻器和4個神經元組成，利用鎢、鉻和碳介質的三種不同的M-SDC結構執行二進位圖像分類任務。 片上訓練算法精確調整憶阻器導電性以實現目標權重。結果表明，訓練期間加入適度噪聲（<15%）可以增強對設備變化和噪聲輸入數據的魯棒性， 即使在導電變化和輸入噪聲下也能實現高達97%的準確率。網絡可以在不顯著損失準確率的情況下容忍10%的導電誤差。值得注意的是， 在訓練期間省略初始憶阻器重置脈衝可以顯著減少訓練時間和能量消耗。使用基於鉻的憶阻器設計的硬體表現出優越的性能， 實現了2.4秒的訓練時間和18.9毫焦耳的能量消耗。這項研究為開發用於邊緣應用的片上學習的魯棒和能效高的基於憶阻器的神經網絡提供了見解。
術語表
這篇文章的術語表如下：
- 安全集成感知與通信（Secure Integrated Sensing and Communication, ISAC）：一種通信系統場景，其中信號通過狀態依賴的竊聽信道傳輸，旨在與一個合法接收器通信的同時感知一個誠實但好奇的目標。
- 雷利衰落（Rayleigh Fading）：一種統計模型，用於描述無線信號在多徑傳播環境中的衰落特性，其中信號的振幅是隨機的，而相位是均勻分布的。
- 物理退化（Physically-Degraded）：如果給定一個輸出，另一個輸出的條件概率分布僅依賴於該輸出，那麼這兩個輸出的信道被認為是物理退化的。
- 隨機退化（Stochastically-Degraded）：如果可以通過使用一個邊緣概率分布使得聯合概率分布保持不變，並且對應的信道是物理退化的，則信道是隨機退化的。
- 保密-失真區域（Secrecy-Distortion Region）：在安全通信中，描述了在給定失真水平下能夠實現的保密通信速率的集合。
- 高斯輸入（Gaussian Input）：一種輸入信號的類型，其中信號值遵循高斯（正態）分布。
- 互相關信息（Mutual Information）：描述了兩個隨機變量共享信息的量，是資訊理論中的一個基本概念。
- 信道容量（Channel Capacity）：在特定的通信信道中，能夠可靠傳輸信息的最大速率。
- 保密容量（Secrecy Capacity）：在保密通信系統中，能夠安全傳輸信息的最大速率，同時確保信息對竊聽者是不可知的。
- 期望（Expectation）：在概率論和統計學中，一個隨機變量的平均值或中心趨勢的度量。