Communications systems to date are primarily designed with the goal of reliable (error-free) transfer of digital sequences (bits). Next generation (NextG) communication systems are beginning to explore shifting this design paradigm of reliably decoding bits to reliably executing a given task. Task-oriented communications system design is likely to find impactful applications, for example, considering the relative importance of messages. In this paper, a wireless signal classification is considered as the task to be performed in the NextG Radio Access Network (RAN) for signal intelligence and spectrum awareness applications such as user equipment (UE) identification and authentication, and incumbent signal detection for spectrum co-existence. For that purpose, edge devices collect wireless signals and communicate with the NextG base station (gNodeB) that needs to know the signal class. Edge devices may not have sufficient processing power and may not be trusted to perform the signal classification task, whereas the transfer of the captured signals from the edge devices to the gNodeB may not be efficient or even feasible subject to stringent delay, rate, and energy restrictions. We present a task-oriented communications approach, where all the transmitter, receiver and classifier functionalities are jointly trained as two deep neural networks (DNNs), one for the edge device and another for the gNodeB. We show that this approach achieves better accuracy with smaller DNNs compared to the baselines that treat communications and signal classification as two separate tasks. Finally, we discuss how adversarial machine learning poses a major security threat for the use of DNNs for task-oriented communications. We demonstrate the major performance loss under backdoor (Trojan) attacks and adversarial (evasion) attacks that target the training and test processes of task-oriented communications.


翻译:迄今为止,通信系统的主要设计目标是可靠(无危险)地传输数字序列(bits),下一代通信系统正开始探索改变这种可靠解码比特的设计模式,以可靠地执行特定任务。以任务为导向的通信系统设计可能会发现影响性应用程序,例如,考虑到电文的相对重要性。在本文中,将无线信号分类视为下G无线电接入网络(RAN)要执行的任务,用于信号智能和频谱意识应用,如用户设备(UE)识别和认证,以及频谱共存的当前信号威胁探测。为此,边缘装置正在收集无线信号并与需要了解信号等级的NG基地站(gNodeB)进行通信。Edge设备可能没有足够的处理能力,可能无法被信任执行信号分类任务,而从边缘装置向GNodeB传输的信号可能不是高效的,甚至不可行,除非我们有严格的延迟、速度和能源限制。我们提出了一个任务导向通信方法,即所有面向目标攻击的信号攻击、接收器和定级目标站的信号网络,没有进行更精确的测试另一个任务。

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