DOI: https://doi.org/10.1109/tsp.2025.3580596
تاريخ النشر: 2025-01-01
المؤلف: Fan Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الرادار ومعالجة الإشارات
نظرة عامة
تناقش هذه القسم أهمية الاستشعار المتكامل والاتصالات (ISAC) في سياق شبكات 6G المستقبلية، مع التأكيد على الحاجة إلى تحسين استخدام موارد الوقت والتردد من خلال الاستفادة من إشارات الحمولة العشوائية لكل من الاتصالات والاستشعار. يقدم البحث تحليلًا مفصلًا لأداء الاستشعار لإشارات ISAC المتركزة على الاتصالات، مع التركيز بشكل خاص على تصميم التعديل وتشكيل النبضات لتعزيز الخصائص الإحصائية لدوال الارتباط الذاتي (ACFs) الخاصة بها. يتم اشتقاق تعبير مغلق لشدة توقع مربع ACF، مع الأخذ في الاعتبار قواعد التعديل المختلفة وتخطيط التشكيلات ضمن إطار تشكيل نبضات نايكويست.
يصف المؤلفون بشكل مجازي العلاقة بين المتوسط المربع لـ ACF، المتأثر بمرشح تشكيل النبضات، والتباين الذي تقدمه عشوائية الحمولة البيانات كـ “جبل جليدي مخفي في البحر.” تشير نتائجهم إلى أنه بالنسبة لتعديل السعة الرباعية (QAM) وتعديل تغيير الطور (PSK) التي تستخدم تشكيل نبضات نايكويست، يظهر تقسيم التردد المتعامد (OFDM) أدنى مستويات جانبية عبر جميع التأخيرات. لتعزيز أداء الاستشعار، يقترح البحث تصميمًا جديدًا لتشكيل نبضات نايكويست، والذي يتم التحقق منه من خلال نتائج عددية تظهر انخفاضًا كبيرًا في الجوانب الجانبية مقارنةً بتشكيل نبضات الجذر المرتفع (RRC) التقليدي، مما يحسن الأداء العام للتحديد.
مقدمة
تناقش مقدمة البحث الإمكانات التحويلية لشبكات 6G اللاسلكية، التي تم تصميمها لدعم تقنيات متقدمة مثل القيادة الذاتية والتصنيع الذكي. على عكس الأجيال السابقة التي كانت تركز بشكل أساسي على تحسينات الاتصالات، تهدف 6G إلى دمج تقنيات جديدة مثل الاستشعار المتكامل والاتصالات (ISAC)، التي تجمع بين وظائف الاستشعار والاتصالات في إطار موحد. من المتوقع أن يؤدي هذا التكامل إلى تحسين كفاءة الطيف والأجهزة، مما يمكّن شبكة متعددة الوظائف يمكن أن تخدم مجموعة متنوعة من التطبيقات. وقد اعترفت الاتحاد الدولي للاتصالات (ITU) بـ ISAC كسيناريو رئيسي في رؤيتها لشبكات 6G، مما يبرز دوره في تحسين استخدام الموارد اللاسلكية.
يحدد البحث تحديًا كبيرًا في تصميم إشارات ذات وظائف مزدوجة يمكن أن تدير بفعالية كل من اكتشاف الأهداف ونقل البيانات ضمن إطار ISAC. يصنف الأساليب التصميمية الحالية إلى ثلاثة أنواع: متركزة على الاستشعار، متركزة على الاتصالات، وتصاميم مشتركة. يُفضل حاليًا النهج المتركز على الاتصالات، الذي يعدل بروتوكولات الاتصالات الحالية لتضمين قدرات الاستشعار، للنشر التجاري نظرًا لتوافقه مع الأنظمة القديمة. ومع ذلك، يواجه هذا النهج “تجارة العشوائية الحتمية (DRT)”، حيث قد تعيق العشوائية المتأصلة في إشارات الاتصالات أداء الاستشعار. يؤكد المؤلفون على الحاجة لاستكشاف كيفية تحقيق إشارات الاتصالات القياسية لأداء استشعار فعال، خاصة من خلال تصميم رموز التشكيل، وقواعد التعديل، ومرشحات تشكيل النبضات. يقترحون فحصًا منهجيًا لأداء تحديد المواقع لإشارات ISAC العشوائية ذات تشكيل النبضات، بهدف توسيع الأطر التحليلية الحالية وتقديم رؤى حول تحسين أداء نقل ISAC.
النتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون نتائج عددية تؤكد الإطار النظري الذي تم تأسيسه في البحث. يتم إجراء التحليل باستخدام نظام نقل الاستشعار المتكامل والاتصالات (ISAC)، حيث يتم نقل $N = 128$ رموز عشوائية. يعمل النظام تحت نسبة عينة زائدة قدرها $L = 10$، باستخدام مرشحات تشكيل نبضات نايكويست المميزة بعامل انخفاض قدره $\alpha = 0.35$. هذه المعلمات حاسمة لتقييم الأداء والموثوقية للنموذج المقترح في السيناريوهات العملية.
نقاش
في هذا القسم، يناقش المؤلفون خصائص وآثار تشكيلات الاتصالات وتقنيات التعديل المختلفة في سياق أنظمة الاستشعار المتكامل والاتصالات (ISAC). يعرفون نوعين من التشكيلات بناءً على الكورتوز: تحت-غوسي (كورتوز < 2) وفوق-غوسي (كورتوز > 2)، مع وجود تشكيلات شائعة مثل PSK و QAM تقع في فئة تحت-غوسي. يؤكد المؤلفون على أهمية الكورتوز في تحديد متوسط مربع دالة الارتباط الذاتي (ACF) للإشارات المرسلة، وهو أمر حاسم لاكتشاف الأهداف الفعال وتحديد المواقع. يقدمون “نظرية الجبل الجليدي”، التي تصف ACF على أنها تتكون من مكونين: “الجبل الجليدي”، الذي يمثل المتوسط المربع لـ ACF، و”مستوى البحر”، الذي يمثل تباينه. توضح هذه المجاز كيف تؤثر خصائص مرشح تشكيل النبضات وعشوائية رموز الاتصالات على أداء الاستشعار.
يستكشف المؤلفون أيضًا استراتيجيات التعديل، كاشفين أن الاختيار الأمثل يعتمد على الكورتوز للتشكيل. بالنسبة للتشكيلات تحت-غوسية، يتم تحديد تقسيم التردد المتعامد (OFDM) كقاعدة تعديل مثالية، بينما تستفيد التشكيلات فوق-غوسية من تعديل الناقل الفردي (SC). كما يناقشون أهمية تشكيل النبضات في تعزيز عرض اللوب الرئيسي وتقليل مستويات الجوانب الجانبية، مقترحين طرقًا لتصميم نبضات نايكويست التي تقلل الجوانب الجانبية ضمن مناطق تأخير محددة. تسلط النتائج الضوء على العلاقة المعقدة بين تصميم التشكيلات، وتقنيات التعديل، وتشكيل النبضات في تحسين أنظمة ISAC لتحسين قدرات الاستشعار.
DOI: https://doi.org/10.1109/tsp.2025.3580596
Publication Date: 2025-01-01
Author(s): Fan Liu et al.
Primary Topic: Radar Systems and Signal Processing
Overview
The section discusses the significance of Integrated Sensing and Communications (ISAC) in the context of future 6G networks, emphasizing the need to optimize time-frequency resource utilization by leveraging random data payload signals for both communication and sensing. The paper presents a detailed analysis of the sensing performance of communication-centric ISAC signals, particularly focusing on modulation and pulse shaping design to enhance the statistical properties of their auto-correlation functions (ACFs). A closed-form expression for the expectation of the squared ACF is derived, taking into account various modulation bases and constellation mappings within the Nyquist pulse shaping framework.
The authors metaphorically describe the relationship between the squared mean of the ACF, influenced by the pulse shaping filter, and the variance introduced by the randomness of the data payload as an “iceberg hidden in the sea.” Their findings indicate that for Quadrature Amplitude Modulation (QAM) and Phase Shift Keying (PSK) constellations utilizing Nyquist pulse shaping, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) exhibits the lowest ranging sidelobe levels across all lags. To further enhance sensing performance, the paper proposes a novel Nyquist pulse shaping design, which is validated through numerical results demonstrating a significant reduction in ranging sidelobes compared to traditional root-raised cosine (RRC) pulse shaping, thereby improving overall ranging performance.
Introduction
The introduction of the paper discusses the transformative potential of 6G wireless networks, which are designed to support advanced technologies such as autonomous driving and smart manufacturing. Unlike previous generations focused primarily on communication enhancements, 6G aims to integrate novel technologies like Integrated Sensing and Communication (ISAC), which combines sensing and communication functions into a unified framework. This integration is expected to improve both spectral and hardware efficiencies, enabling a multi-functional network that can serve a diverse range of applications. The International Telecommunication Union (ITU) has recognized ISAC as a key scenario in its vision for 6G, highlighting its role in optimizing the use of wireless resources.
The paper identifies a significant challenge in designing dual-functional signals that can effectively manage both target detection and data transmission within the ISAC framework. It categorizes existing design approaches into three types: sensing-centric, communication-centric, and joint designs. The communication-centric approach, which modifies existing communication protocols to incorporate sensing capabilities, is currently favored for commercial deployment due to its compatibility with legacy systems. However, this approach faces the “Deterministic-Random Tradeoff (DRT),” where the randomness inherent in communication signals may hinder sensing performance. The authors emphasize the need to explore how standard communication signals can achieve effective sensing performance, particularly through the design of constellation symbols, modulation bases, and pulse shaping filters. They propose a systematic examination of the ranging performance of pulse-shaped random ISAC signals, aiming to extend existing analytical frameworks and provide insights into optimizing ISAC transmission performance.
Results
In this section, the authors present numerical results that validate the theoretical framework established in the paper. The analysis is conducted using an Integrated Sensing and Communication (ISAC) transmission system, where $N = 128$ random symbols are transmitted. The system operates under an over-sampling ratio of $L = 10$, employing Nyquist pulse shaping filters characterized by a roll-off factor of $\alpha = 0.35$. These parameters are crucial for assessing the performance and reliability of the proposed model in practical scenarios.
Discussion
In this section, the authors discuss the characteristics and implications of various communication constellations and modulation techniques in the context of Integrated Sensing and Communication (ISAC) systems. They define two types of constellations based on kurtosis: sub-Gaussian (kurtosis < 2) and super-Gaussian (kurtosis > 2), with common constellations like PSK and QAM falling into the sub-Gaussian category. The authors emphasize the importance of kurtosis in determining the average squared auto-correlation function (ACF) of the transmitted signals, which is crucial for effective target detection and ranging. They introduce the “Iceberg Theorem,” which describes the ACF as comprising two components: the “iceberg,” representing the squared mean of the ACF, and the “sea level,” representing its variance. This metaphor illustrates how the characteristics of the pulse shaping filter and the randomness of the communication symbols influence the sensing performance.
The authors further explore modulation strategies, revealing that the optimal choice depends on the kurtosis of the constellation. For sub-Gaussian constellations, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is identified as the optimal modulation basis, while Super-Gaussian constellations benefit from Single Carrier (SC) modulation. They also discuss the significance of pulse shaping in enhancing the mainlobe width and reducing sidelobe levels, proposing methods to design Nyquist pulses that minimize sidelobes within specific delay regions. The findings highlight the intricate relationship between constellation design, modulation techniques, and pulse shaping in optimizing ISAC systems for improved sensing capabilities.