DOI: https://doi.org/10.1109/jsac.2025.3608113
تاريخ النشر: 2025-09-10
المؤلف: Zhentian Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الرادار ومعالجة الإشارات
نظرة عامة
تتناول هذه الورقة مشكلة الوصول العشوائي غير المصدر (URA) في سياق الاستشعار المتكامل والاتصالات (ISAC). تسلط الضوء على قيود استراتيجيات الوصول المتعدد التقليدية، مثل اعتبار التداخل ضوضاء (TIN) والوصول المتعدد بتقسيم الوقت (TDMA)، التي تكافح لاستيعاب العدد المتزايد من المستخدمين النشطين. استجابةً لذلك، يقترح المؤلفون نموذج نظام ISAC غير المصدر (UNISAC)، المعزز بنموذج قناة أكثر واقعية وتنفيذ نظام هوائي سائل (FAS). تستخلص الدراسة حدود الأداء القابلة للتحقيق لنموذج FAS-UNISAC، مما يوضح إمكانيته في تحسين سعة المستخدم بشكل كبير وتعزيز قدرات الاستشعار والاتصالات من خلال التنوع المكاني الذي تقدمه الهوائيات السائلة.
في الختام، يظهر نموذج FAS-UNISAC تفوقًا ملحوظًا على الطرق التقليدية مثل TDMA وTIN لتطبيقات الاتصالات الضخمة من نوع الآلات (mMTC). تشير النتائج إلى أن الاستفادة من التنوع المكاني للهوائيات السائلة يسمح بالاستغلال الفعال لمعلومات التغاير من إشارات الاستشعار، مما يوسع فتحة الاستقبال ويحسن دقة الاستشعار. بالإضافة إلى ذلك، تقدم الورقة حدًا أعلى لاستشعار Lasso كمعيار عالمي للتصميمات المستقبلية في هذا المجال.
مقدمة
تستعرض المقدمة التحديات التي تطرحها الاتصالات الضخمة من نوع الآلات (mMTC) في سياق الشبكات من الجيل السادس (6G). مع زيادة عدد الأجهزة، تصبح تقنيات الوصول المتعدد المعتمدة على التنسيق التقليدي غير فعالة، مما يؤدي إلى سيناريو يقترب فيه عدد بتات المعلومات لكل استخدام قناة لكل مستخدم من الصفر. وهذا يستلزم استكشاف طرق وصول متعددة بديلة لاستيعاب متطلبات الشبكات المستقبلية.
لمعالجة هذه التحديات، تم اقتراح مفهوم الوصول العشوائي غير المصدر/غير المنسق (URA). يسمح URA للعديد من الأجهزة بالإرسال في وقت واحد باستخدام كتاب رموز مشترك، مما يلغي الحاجة إلى معالجة الإشارات مسبقًا وتحديد هوية المستخدم. يتم تقييم أداء هذا النظام من خلال احتمال الخطأ لكل مستخدم (PUPE)، الذي يقيس معدل الاكتشافات الخاطئة للكلمات الرمزية. الهدف هو تحقيق هدف محدد لـ PUPE مع تقليل الطاقة لكل بت تحت قيود طول الكتلة المحدودة. تختتم هذه الفقرة بمناقشة حدود القابلية للتحقيق لنماذج قنوات URA المختلفة.
النتائج
في قسم النتائج من الورقة البحثية، يقدم المؤلفون تقييم الأداء لنموذج FAS-UNISAC المقترح تحت قيود طاقة محددة ومقاييس النظام. يثبتون أن الحد الأعلى على احتمال خطأ أداء المستخدم (PUPE) مقيد بمجموع ثلاثة مكونات خطأ: خطأ ناتج عن التصادم ($\epsilon_{coll}$)، خطأ الكشف ($\epsilon_{md}$)، وعبارة خطأ ثابتة ($\epsilon_{cons}$). بالإضافة إلى ذلك، يستخلصون حدًا على متوسط مربع خطأ زاوية الوصول (MSEAOA)، الذي يتأثر بأكبر قيمة ذاتية لكتاب الرموز الاستشعارية.
تشير النتائج إلى أن نموذج FAS-UNISAC يظهر أداءً متفوقًا مقارنةً بالمعايير الحالية مثل LOS-UNISAC وTMDA وTIN، خاصة مع زيادة عدد المستخدمين النشطين. عند 1400 مستخدم، يتماشى أداء FAS-UNISAC بشكل وثيق مع الحد الأدنى المتفائل لأداء LOS-UNISAC، مما يظهر تحسينات كبيرة في السعة بسبب التنوع المكاني. علاوة على ذلك، تتناقص الطاقة المطلوبة لكل مستخدم ($E/N_0$ بالديسيبل) لنموذج FAS-UNISAC بشكل أسرع مع زيادة عدد الهوائيات المستقبلة مقارنةً بـ LOS-UNISAC، على الرغم من ملاحظة زيادة طفيفة في حالة معينة عندما يكون $M=3$. يبرز المؤلفون التحدي الذي تطرحه الزيادة الأسية لأكبر قيمة ذاتية لكتاب الرموز الاستشعارية، والتي يمكن أن تؤثر سلبًا على الأداء، مما يشير إلى أن تحسين كتاب الرموز الاستشعارية لا يزال مجالًا حاسمًا للبحث المستقبلي.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة الضوء على دمج أنظمة الاتصالات والرادار ضمن إطار الاستشعار المتكامل والاتصالات (ISAC)، مع التركيز بشكل خاص على نموذج ISAC غير المصدر (UNISAC) الجديد. يسمح UNISAC للعديد من مستخدمي الاتصالات (CUs) ومستخدمي الاستشعار (SUs) بالوصول إلى النظام من خلال إرسال غير منسق في الاتجاه الصاعد. جانب حاسم من هذا النموذج هو تحديد الحد الأدنى من الطاقة لكل مستخدم المطلوبة لتلبية مقاييس الاستشعار والاتصالات المحددة. على عكس تصميمات ISAC التقليدية المعتمدة على التنسيق، فإن UNISAC يعمل بشكل أفضل مع زيادة عدد المستخدمين، متغلبًا على التحديات مثل الطلبات العالية على الطاقة وزحام تدفق الإشارات التي تعيق فك التشفير والكشف في الأنظمة التقليدية.
يتناول القسم أيضًا التحديات التي تواجه UNISAC، وخاصة طول الكتلة المحدودة للتماسك، والتي تحد من مدة معاملات القناة المستقرة. يفرض زمن التماسك، المتأثر بالحركة وتردد الحامل، قيودًا على كفاءة الطيف للنظام. علاوة على ذلك، تستند الأسس النظرية لـ UNISAC إلى نماذج قنوات مبسطة قد لا تلتقط تمامًا تعقيدات سيناريوهات الاتصالات في العالم الحقيقي، وخاصة تلك التي تشمل مكونات خط الرؤية (LOS) وغير خط الرؤية (NLOS). لتحسين أداء UNISAC، تقترح الورقة استخدام الهوائيات السائلة، التي يمكنها تعديل خصائص إشعاعها ديناميكيًا، مما يحسن تقدير القناة وأداء النظام بشكل عام. يهدف نموذج FAS-UNISAC المقترح إلى معالجة تحديات الاتصال الضخم دون تنسيق المستخدم، مما يقدم نهجًا أكثر عملية لـ ISAC في الشبكات المستقبلية.
DOI: https://doi.org/10.1109/jsac.2025.3608113
Publication Date: 2025-09-10
Author(s): Zhentian Zhang et al.
Primary Topic: Radar Systems and Signal Processing
Overview
This paper addresses the unsourced random access (URA) problem within the context of integrated sensing and communications (ISAC). It highlights the limitations of traditional multiple access strategies, such as treating interference as noise (TIN) and time-division multiple access (TDMA), which struggle to accommodate the growing number of active users. In response, the authors propose the unsourced ISAC (UNISAC) system model, enhanced by a more realistic channel model and the implementation of a fluid antenna system (FAS). The study derives the achievable performance bounds for the FAS-UNISAC model, demonstrating its potential to significantly improve user capacity and enhance sensing and communication capabilities through the spatial diversity offered by fluid antennas.
In conclusion, the proposed FAS-UNISAC model shows marked superiority over conventional methods like TDMA and TIN for massive machine-type communications (mMTC) applications. The findings indicate that leveraging the spatial diversity of fluid antennas allows for effective exploitation of covariance information from sensing signals, which expands the receiving aperture and improves sensing resolution. Additionally, the paper presents a Lasso sensing upper bound as a universal benchmark for future designs in this domain.
Introduction
The introduction outlines the challenges posed by massive machine-type communications (mMTC) in the context of sixth generation (6G) networks. As the number of devices increases, traditional coordination-based multiple access techniques become ineffective, leading to a scenario where the information bit per channel use for each user approaches zero. This necessitates the exploration of alternative multiple access methods to accommodate the demands of future networks.
To address these challenges, the concept of unsourced/uncoordinated random access (URA) has been proposed. URA allows numerous devices to transmit simultaneously using a shared codebook, eliminating the need for signal preprocessing and user identification. The performance of this system is evaluated through the per-user probability of error (PUPE), which measures the rate of erroneous detections of codewords. The objective is to achieve a specified PUPE target while minimizing energy-per-bit under finite blocklength constraints. The section concludes by discussing the achievability bounds for various URA channel models.
Results
In the results section of the research paper, the authors present the performance evaluation of the proposed FAS-UNISAC model under specific power constraints and system metrics. They establish that the upper bound on the probability of user performance error (PUPE) is constrained by the sum of three error components: collision-derived error ($\epsilon_{coll}$), detection error ($\epsilon_{md}$), and a constant error term ($\epsilon_{cons}$). Additionally, they derive a bound on the mean square error of angle of arrival (MSEAOA), which is influenced by the largest eigenvalue of the sensing codebook.
The findings indicate that the FAS-UNISAC model exhibits superior performance compared to existing benchmarks such as LOS-UNISAC, TMDA, and TIN, particularly as the number of active users increases. At 1400 users, the performance of FAS-UNISAC closely aligns with the optimistic performance lower bound of LOS-UNISAC, demonstrating significant capacity improvements due to spatial diversity. Furthermore, the required energy-per-user ($E/N_0$ in dB) for FAS-UNISAC decreases more rapidly with an increasing number of receiving antennas compared to LOS-UNISAC, although a slight increase is noted for a specific case when $M=3$. The authors highlight the challenge posed by the exponential growth of the largest eigenvalue of the sensing codebook, which can adversely affect performance, suggesting that optimizing the sensing codebook remains a critical area for future research.
Discussion
The discussion section of the paper highlights the integration of communication and radar systems within the framework of Integrated Sensing and Communication (ISAC), specifically focusing on the novel unsourced ISAC (UNISAC) model. UNISAC allows numerous communication users (CUs) and sensing users (SUs) to access the system through uncoordinated uplink transmissions. A critical aspect of this model is determining the minimum energy-per-user required to meet specific sensing and communication metrics. Unlike traditional coordination-based ISAC designs, UNISAC performs better as the number of users increases, overcoming challenges such as high energy demands and signal flow congestion that hinder decoding and detection in conventional systems.
The section also addresses the challenges faced by UNISAC, particularly the finite coherence blocklength, which limits the duration of stable channel coefficients. The coherence time, influenced by mobility and carrier frequency, imposes constraints on the system’s spectral efficiency. Moreover, the theoretical foundations of UNISAC are based on simplified channel models that may not fully capture the complexities of real-world communication scenarios, particularly those involving both line-of-sight (LOS) and non-line-of-sight (NLOS) components. To enhance UNISAC’s performance, the paper proposes the use of fluid antennas, which can adapt their radiation characteristics dynamically, thereby improving channel estimation and overall system performance. The proposed FAS-UNISAC paradigm aims to address massive connectivity challenges without user coordination, offering a more practical approach to ISAC in future communication networks.