DOI: https://doi.org/10.1109/tit.2026.3665934
تاريخ النشر: 2026-02-18
المؤلف: Yao Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: الاتصالات التعاونية وترميز الشبكات
نظرة عامة
تتناول هذه الورقة البحثية التحديات المتعلقة بالاستشعار المتكامل والاتصالات (ISAC) عبر قنوات الترحيل ذات الذاكرة المنفصلة. يقوم المؤلفون بتوصيف توازن أداء الاتصالات والاستشعار من خلال دالة السعة والتشويه، مستخلصين حدًا أعلى يوسع نتائج مجموعة القطع لتشمل عمليات الاستشعار في الوجهة. يقترحون نظام ترميز هجين جزئي لفك التشفير والضغط للأمام يسهل التعاون بين المصدر والمرحّل لكل من نقل الرسائل وتقدير المعلمات، مما يحدد حدًا أدنى على دالة السعة والتشويه. ومن الجدير بالذكر أن هذا النظام يحقق أداءً مثاليًا في الاستشعار عندما يتم تجاهل مهمة الاتصال، وتتطابق الحدود لثلاث فئات محددة من قنوات الترحيل.
في الختام، تؤسس الورقة حدودًا عليا وسفلى على دالة السعة والتشويه لـ ISAC ثنائي الاتجاه عبر قنوات الترحيل ذات الذاكرة المنفصلة، مما يوضح أن النظام المقترح يحقق الحد الأدنى من التشويه للاستشعار عندما لا يتم إعطاء الأولوية للاتصال. بينما تتماشى الحدود في بعض الحالات، لا يزال توازن السعة والتشويه الأمثل لقنوات الترحيل العامة غير محسوم. يبرز المؤلفون قيود الدراسات الحالية، التي تركز بشكل أساسي على قنوات ISAC ذات الذاكرة المنفصلة ذات الحالات المستقلة والمتطابقة (i.i.d.)، ويؤكدون على الحاجة إلى مزيد من الاستكشاف لقنوات الذاكرة. يقترحون أن الأبحاث المستقبلية يجب أن تستفيد من أدوات تحليلية وحسابية جديدة، مثل أطر تقدير الشبكات العصبية، لتقييم توازن الأداء بشكل أفضل وتوسيع التحقيق ليشمل شبكات ISAC متعددة الأطراف تحت قيود طول الكتلة المحدودة.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة المجال الناشئ للاستشعار المتكامل والاتصالات (ISAC)، الذي من المتوقع أن يعزز الشبكات اللاسلكية المستقبلية من خلال تمكين وظائف الاستشعار والاتصال المتزامنة. يبرز المؤلفون توازن الأداء الذي ينشأ من الطبيعة المختلفة للإشارات المتركزة على الاستشعار وتلك المتركزة على الاتصال، مؤكدين على أهمية توصيف هذه التوازنات لنشر ISAC بشكل فعال. لقد ركزت الأبحاث السابقة بشكل كبير على سيناريوهات ISAC أحادية الاتجاه، حيث يقوم مرسل واحد بإصدار إشارات ذات وظائف مزدوجة، مما يسمح باستكشاف الحدود الأساسية وتوازن السعة والتشويه الأمثل في نماذج قنوات مختلفة، بما في ذلك قنوات الوصول المتعدد والبث.
في المقابل، تشير الورقة إلى وجود فجوة في الأدبيات بشأن سيناريوهات ISAC ثنائية الاتجاه، حيث يتم استخدام عقد منفصلة للإرسال والاستشعار. بدأت الدراسات الأولية في معالجة هذا المجال، كاشفة عن استراتيجيات لفك التشفير والتقدير الأمثل عندما تكون أجهزة استقبال الاتصالات ومقدرات الاستشعار متجاورة. ومع ذلك، يجادل المؤلفون بأن شبكات ISAC المستقبلية ستتطلب فهمًا أعمق للتفاعلات بين عدة عقد، لا سيما في بيئات معقدة مثل الشبكات المركبات. يقترحون أن أنظمة ISAC ثنائية الاتجاه المدعومة بالمرحلات يمكن أن تعزز كل من تغطية الاتصالات والاستشعار البيئي، مما يقدم تحديات وفرص فريدة لتحسين التفاعل بين هاتين الوظيفتين.
نقاش
في هذه الورقة، نقدم نموذج قناة ترحيل ذاكرة منفصلة تعتمد على الحالة لنظام ISAC ثنائي الاتجاه مكون من ثلاثة عقد، مع التركيز على توازن السعة والتشويه. تشمل مساهماتنا اشتقاق حد أعلى لدالة السعة والتشويه، والذي يوسع حد مجموعة القطع لقنوات الترحيل من خلال دمج متغير عشوائي مساعد يلتقط تأثير الترحيل على الاستشعار في الوجهة. يمثل هذا المتغير المساعد معلومات استشعار افتراضية، والتي، على الرغم من كونها مفيدة للاستشعار، تتسبب في عقوبة معدل الاتصال بسبب تخصيص الموارد. بالإضافة إلى ذلك، نقترح حدًا أدنى استنادًا إلى نظام ترميز هجين جزئي لفك التشفير والضغط للأمام، والذي يعزز استراتيجية فك التشفير للسماح بفك تشفير متزامن للرسائل المشتركة والخاصة والمضغوطة، مما يوسع منطقة معدل التشويه القابلة للتحقيق.
نحدد الأداء الأمثل للاستشعار، الذي يتميز بأدنى تشويه لتوازن السعة والتشويه، الذي يتحقق من خلال ترميز ماركوف الكتلي حيث يقوم المصدر بإرسال إشارات تجريبية ويتواصل المرحل مع أوصاف الإشارات المستلمة سابقًا. تكشف نتائجنا أن الحدود العليا والسفلى تتطابق لفئات محددة من قنوات الترحيل، مما يؤسس دالة السعة والتشويه المثلى. نوضح أن استراتيجيات الترحيل المختلفة، بما في ذلك فك التشفير الجزئي للأمام والضغط للأمام، يمكن أن تحقق هذه الدالة المثلى، مما يوفر فهمًا شاملاً للتوازنات بين الاتصال والاستشعار في أنظمة ISAC ثنائية الاتجاه.
DOI: https://doi.org/10.1109/tit.2026.3665934
Publication Date: 2026-02-18
Author(s): Yao Liu et al.
Primary Topic: Cooperative Communication and Network Coding
Overview
This research paper addresses the challenges of bistatic integrated sensing and communications (ISAC) over discrete memoryless relay channels. The authors characterize the communication-sensing performance tradeoff through the capacity-distortion function, deriving an upper bound that extends cut-set results to incorporate sensing operations at the destination. They propose a hybrid-partial-decode-and-compress-forward coding scheme that facilitates cooperation between the source and relay for both message transmission and parameter estimation, establishing a lower bound on the capacity-distortion function. Notably, this scheme achieves optimal sensing performance when the communication task is disregarded, and the bounds coincide for three specific classes of relay channels.
In conclusion, the paper establishes both upper and lower bounds on the capacity-distortion function for bistatic ISAC over discrete memoryless relay channels, demonstrating that the proposed scheme achieves minimum distortion for sensing when communication is not prioritized. While the bounds align in certain cases, the optimal capacity-distortion tradeoff for general relay channels remains unresolved. The authors highlight the limitations of existing studies, which primarily focus on memoryless ISAC channels with independent and identically distributed (i.i.d.) states, and emphasize the need for further exploration of channels with memory. They suggest that future research should leverage new analytical and computational tools, such as neural estimation frameworks, to better evaluate performance tradeoffs and extend the investigation to multi-terminal ISAC networks under finite blocklength constraints.
Introduction
The introduction of the paper discusses the emerging field of Integrated Sensing and Communications (ISAC), which is poised to enhance future wireless networks by enabling simultaneous sensing and communication functionalities. The authors highlight the performance tradeoffs that arise from the differing nature of sensing-centric and communication-centric signals, emphasizing the importance of characterizing these tradeoffs for effective ISAC deployment. Previous research has largely concentrated on monostatic ISAC scenarios, where a single transmitter emits dual-functional signals, allowing for the exploration of fundamental limits and optimal capacity-distortion tradeoffs in various channel models, including multiple-access and broadcast channels.
In contrast, the paper notes a gap in the literature regarding bistatic ISAC scenarios, where separate nodes are utilized for transmission and sensing. Initial studies have begun to address this area, revealing strategies for optimal decoding and estimation when communication receivers and sensing estimators are collocated. However, the authors argue that future ISAC networks will require a deeper understanding of interactions among multiple nodes, particularly in complex environments like vehicular networks. They propose that relay-aided bistatic ISAC systems can enhance both communication coverage and environmental sensing, presenting unique challenges and opportunities for optimizing the interplay between these two functionalities.
Discussion
In this paper, we present a state-dependent discrete-memoryless relay channel model for a three-node bistatic Integrated Sensing and Communication (ISAC) system, focusing on the capacity-distortion tradeoff. Our contributions include deriving an upper bound on the capacity-distortion function, which extends the cutset bound for relay channels by incorporating an auxiliary random variable that captures the relay’s impact on sensing at the destination. This auxiliary variable represents virtual sensing information that, while beneficial for sensing, incurs a communication rate penalty due to resource allocation. Additionally, we propose a lower bound based on a hybrid-partial-decode-and-compress-forward coding scheme, which enhances the decoding strategy to allow simultaneous decoding of common, private, and compressed messages, thereby expanding the achievable rate-distortion region.
We identify the optimal sensing performance, characterized by the minimum distortion for the capacity-distortion tradeoff, achieved through block Markov encoding where the source transmits pilot signals and the relay communicates descriptions of previously received signals. Our findings reveal that the upper and lower bounds coincide for specific classes of relay channels, establishing the optimal capacity-distortion function. We demonstrate that various relay strategies, including partial-decode-forward and compress-forward, can achieve this optimal function, thus providing a comprehensive understanding of the tradeoffs between communication and sensing in bistatic ISAC systems.