⚡ electrical engineering

ARIS-RSMA Enhanced ISAC System: Joint Rate Splitting and Beamforming Design

تقترح هذه الورقة نظام استشعار واتصالات متكامل (ISAC) يعتمد على الوصول المتعدد بتقسيم المعدل (RSMA) مدعومًا بسطح ذكي قابل لإعادة التشكيل نشط (ARIS)، والذي يعمل على تحسين تشكيل الشعاع وتقسيم المعدل بشكل مشترك عبر خوارزميات تكرارية لتعظيم الحد الأدنى من أداء استشعار الأهداف المتعددة في ظل ظروف خط البصر المحجوب، مما يظهر نتائج متفوقة مقارنة بالنماذج المرجعية الحالية.

المؤلفون الأصليون: Xin Jin, Tiejun Lv, Yashuai Cao, Jie Zeng, Mugen Peng

نُشر 2026-02-13

📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Xin Jin, Tiejun Lv, Yashuai Cao, Jie Zeng, Mugen Peng

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

تخيل أنك حارس منارة (المحطة الأساسية) تحاول القيام بشيئين في آن واحد:

التحدث مع السفن في المرفأ (الاتصالات).
مسح الساحل الضبابي للعثور على صخور مخفية أو سفن أخرى (الاستشعار/الرادار).

المشكلة؟ هناك جزيرة ضخمة تحجب رؤيتك المباشرة للساحل. ترتد الإشارة عن الجزيرة، فتضعف، ولا يمكنك رؤية الصخور بوضوح. كما أن السفن مزدحمة، وبعضها يصرخ فوق صوت الآخرين، مما يجعل سماع الجميع أمراً صعباً.

تقترح هذه الورقة نظاماً جديداً ذكياً يسمى ARIS-RSMA لحل هذه الفوضى. دعونا نشرح ذلك باستخدام تشبيهات بسية.

1. المشكلة: "الرؤية المحجوبة" ومشكلة "العدالة"

في الإعداد العادي (مثل SDMA)، تحاول المنارة توجيه شعاع ليزر نحو كل سفينة وكل صخرة.

المشكلة: إذا كانت هناك صخرة مختبئة خلف تلة، فإن الليزر سيفقدها. ولتجنب إصابة الصخرة الخطأ، يتعين على المنارة "إلغاء" (إسكات) اتجاهات معينة. هذا يهدر الطاقة ويترك الصخور المخفية في الظلام.
مشكلة العدالة: إذا كان لديك 5 صخور، فقد ترى المنارة 4 منها بوضوح ولكنها تفقد الخامسة تماماً. في مصطلحات الرادار، هذا غير عادل. أنت تريد التأكد من أن أسوأ هدف (أصعب صخرة يمكن رؤيتها) يتم رصدها بأوضح صورة ممكنة.

2. الجزء الأول من الحل: "المرآة الخارقة المعززة" (ARIS)

بدلاً من مجرد الصراخ بصوت أعلى، تقترح الورقة تركيب مرآة ضخمة عالية التقنية على منحدر قريب تسمى السطح الذكي النشط القابل لإعادة التشكيل (ARIS).

المرايا السلبية (التقنية القديمة): هي مجرد مرايا تعكس الضوء مثل أي مرآة عادية. إذا كانت الإشارة ضعيفة، يكون الانعكاس ضعيفاً.
المرايا النشطة (ARIS): هذه مرآة "ذكية" يمكنها تضخيم الإشارة. فهي تلتقط الإشارة الضعيفة من المنارة، وتضخمها مثل الميكروفون، ثم ترسلها باتجاه الصخور المخفية. كما أنها تلتقط الصدى من الصخور وتضخمه ليعود إلى المنارة.
التشبيه: فكر في الأمر كعداء تتابع لا يكتفي بتمرير العصا فحسب، بل يركض أسرع أثناء حملها، مما يضمن وصول الرسالة عبر الضباب.

3. الجزء الثاني من الحل: "المكبر الذكي" (RSMA)

الآن، كيف نتحدث إلى السفن دون أن يقاطع بعضها البعض؟

الطريقة القديمة (SDMA/NOMA): إما أن تعطي لكل سفينة تردداً منفصلاً (وهذا هدر)، أو تطلب منهم تبادل الأدوار بترتيب صارم (وهذا أمر جامد). إذا كانت إحدى السفن بعيدة، فإن النظام بأكمله يتباطأ.
الطريقة الجديدة (RSMA - الوصول متعدد الترددات بتقسيم المعدل): تخيل أن المنارة لديها رسالة مشتركة ورسائل خاصة.
- الرسالة المشتركة: "يا رفاق، انتبهوا للعاصفة!" (هذه تُبث لجميع السفن).
- الرسالة الخاصة: "السفينة رقم 1، اتجهي يساراً". "السفينة رقم 2، زيدي سرعتك".
- السر السحري: السفن ذكية. فهي تستمع أولاً إلى "الرسالة المشتركة" (والتي يسهل سماعها لأنها عالية ومشاركة للجميع). بمجرد فهمها لذلك، تقوم بطرح هذه الرسالة من الضجيج. بعد ذلك، تستمع إلى "رسالتها الخاصة".
- لماذا يساعد هذا: هذا الأسلوب أكثر مرونة. فهو يعامل التداخل (رسائل السفن الأخرى) كشيء يمكن فك شفرته وإزالته، بدلاً من اعتباره مجرد ضجيج يجب حظره. وهذا يفرغ الطاقة للتركيز على الصخور المخفية.

4. "عملية التوازن" (الخوارزمية)

الجزء الأصعب هو أن المرآة (ARIS) والمكبر (RSMA) مرتبطان ببعضهما.

إذا قامت المرآة بتضخيم الإشارة أكثر من اللازم، فإنها ستخلق "ضجيجاً استاتيكياً" (ضجيجاً مضخماً) يفسد صورة الرادار.
إذا تحدث المكبر بصوت عالٍ جداً للسفن، فلن تبقى طاقة كافية للرادار.

لقد ابتكر المؤلفون عقلاً حاسوبياً ذكياً (خوارزمية) يعمل مثل قائد أوركسترا ماهر. هو يقوم باستمرار بتعديل:

أين توجه الأشعة (توجيه الحزم - Beamforming).
مقدار ما هو "مشترك" مقابل ما هو "خاص" في الرسالة (تقسيم المعدل - Rate Splitting).
مقدار تضخيم المرآة (معاملات الانعكاس - Reflection Coefficients).

يفعل ذلك من خلال لعب لعبة "شد الحبل" حيث يحاول جعل أسوأ سيناريو (أصعب صخرة يمكن رؤيتها) في أفضل حالة ممكنة، دون ترك أي سفينة دون أن تُسمع.

5. النتائج: لماذا يهم هذا؟

أجرى الباحثون محاكاة (اختبارات حاسوبية) ووجدوا أن:

رؤية أفضل: استطاع النظام رؤية الأهداف المخفية بشكل أفضل بكثير من الطرق القديمة، حتى عندما كان خط الرؤية المباشر محجوباً.
العدالة: ضمن النظام رصد جميع الأهداف بجودة جيدة، وليس فقط الأهداف السهلة.
الكفاءة: استخدم "المرآة النشطة" و"المكبر الذكي" معاً لتحقيق نتائج تقارب تلك التي تتحقق في حال عدم وجود عوائق على الإطلاق.

الملخص

فكر في هذا النظام كـ منارة مزودة بمرآة خارقة معززة ومكبر صوت ذكي.
بدلاً من مجرد الصراخ بصوت أعلى أو التوجيه العشوائي، يستخدم المرآة لتعكس الإشارات حول العوائق، ويستخدم استراتيجية رسائل ذكية للسماح للجميع بالاستماع بوضوح. يقوم العقل الحاسوبي بتعديل الإعدادات باستمرار لضمان أن حتى أكثر الصخور اختباءً تحصل على "نبضة" واضحة، مما يحل مشكلة "النقاط العمياء" في عالم مزدحم وضبابي.

إليك ملخص تقني مفصل للورقة البحثية بعنوان "نظام ARIS-RSMA المعزز لـ ISAC: التصميم المشترك لتقسيم المعدل وتشكيل الشعاع".

1. بيان المشكلة

تتناول الورقة البحثية عقبة حرجة في أنظمة التكامل بين الاستشعار والاتصالات (ISAC) التي تعمل في بيئات ذات روابط خط رؤية (LoS) معاقة. وتحديداً، تعالج مسألة العدالة في استشعار الأهداف المتعددة.

السياق: تعتمد أنظمة ISAC التقليدية غالباً على الوصول بتقسيم الفضاء (SDMA)، والذي يستخدم إلغاء التداخل. وفي البيئات المعاقة، يؤدي ذلك إلى استخدام غير أمثل للموارد المكانية وعدم القدرة على ضمان أداء استشعار متوازن (نسبة الإشارة إلى التداخل والضجيج - SINR - للصدى) عبر أهداف متعددة.
التحديات:
- عجز التغطية: تمنع العوائق المادية وجود خط رؤية مباشر بين المحطة الأساسية (BS) والأهداف.
  ما بين تحقيق جودة الخدمة (QoS) لمستخدمين متعددين وبين الحاجة إلى تعظيم أداء الاستشعار لأهداف متعددة.
- تعقيد النظام: إن دمج الأسطح الذكية القابلة لإعادة التشكيل النشطة (ARIS) (التي تقوم بتضخيم الإشارات ولكنها تُدخل الضجيج أيضاً) والوصول بتقسيم المعدل (RSMA) يخلق مشكلة تحسين غير محدبة للغاية تتضمن حدوداً من الدرجة الرابعة في دالة الهدف والقيود.

2. المنهجية

يقترح المؤلفون إطار عمل مبتكر يجمع بين ARIS و RSMA للتغلب على هذه القيود.

نموذج النظام

البنية: محطة أساس ISAC أحادية المسار (monostatic) تمتلك $M$ من الهوائيات، تتواصل مع $U$ من المستخدمين ذوي الهوائي الواحد، وتستشعر $Q$ من الأهداف المعاقة عبر ARIS مكون من $L$ من العناصر.
استراتيجية الإشارة:
- RSMA: تتكون إشارة الإرسال من تدفق مشترك ( $s_c$ ) وتدفقات خاصة ( $s_{p,u}$ ). يقوم المستخدمون بفك تشفير التدفق المشترك أولاً (مع اعتبار التدفقات الخاصة كتداخل)، ثم يستخدمون إلغاء التداخل المتتالي (SIC) لفك تشفير تدفقاتهم الخاصة.
- ARIS: على عكس الـ RIS الخاملة، تمتلك عناصر ARIS عامل تضخيم ( $a_l$ ) وإزاحة طور ( $\theta_l$ )، مما يسمح لها بتعزيز الإشارات الضعيفة الواردة ولكنها تضخم أيضاً الضجيج الديناميكي.
الهدف: تعظيم الحد الأدنى لنسبة الإشارة إلى التداخل والضجيج (SINR) للصدى بين جميع الأهداف، مع مراعية قيود جودة الخدمة (QoS) للمستخدمين وميزانيات الطاقة لكل من المحطة الأساسية (BS) والـ ARIS.

تصميم الخوارزمية

يصيغ المؤلفون عملية التحسين المشترك لتشكيل الحزمة للإرسال والاستقبال ( $F, w_q$ ) في المحطة الأساسية، ومعاملات انعكاس ARIS ( $\Phi$ )، وتخصيص معدل RSMA ( $c$ ) كمسألة غير محدبة ( $P_0$ ). ويقترحون خوارزمية تكرارية تعتمد على التحليل التنازلي للكتل (BCD) لحلها:

تشكيل حزمة الاستقبال ( $w_q$ ): يتم تحسينه باستخدام تعظيم "نسبة رايلي المعممة" (تفكيك القيم الذاتية).
تشكيل حزمة الإرسال وتقسيم المعدل ( $F, c$ ):
- يتم التعامل مع الهدف الكسري باستخدام نهج التعظيم-التقليل (MM) لتقريب الـ SINR.
- يتم استخدام الاسترخاء المتسلسل لتقييد الرتبة الواحدة (SROCR) للتعامل مع قيود الرتبة الواحدة غير المحدبة لمصفوفات تشكيل الحزمة، مما يؤدي إلى تضييق حل الاسترخاء شبه المحدد (SDR) تدريجياً.
- تُستخدم تقريبات "تايلور" من الدرجة الأولى لجعل قيود المعدل خطية.
تشكيل حزمة انعكاس ARIS ( $\Phi$ ):
- يتم تحويل الحدود من الدرجة الرابعة الناشئة عن مسار (المحطة الأساسية-ARIS-الهدف-ARIS-المحطة الأساسية) ذهاباً وإياباً إلى صيغ تربيعية باستخدام المتجهات ( $\tilde{\phi} = \text{vec}(\phi\phi^H)$ ).
- يتم تطبيق نهج MM لتقريب الحدود ذات الرتب العليا، مما يحول المسألة إلى مسألة برمجة تربيعية مقيدة تربيعياً (QCQP)، والتي يتم حلها لاحقاً عبر SROCR.

3. المساهمات الرئيسية

إطار عمل مبتكر: أول دمج لـ ARIS و RSMA خصيصاً لـ استشعار الأهداف المتعددة تحت ظروف خط رؤية (LoS) معاقة لمعالجة عدالة الاستشعار.
آلية العدالة: يثبت أن هيكل التدفق المشترك والخاص لـ RSMA يتفوق على SDMA و NOMA في موازنة الموارد المكانية بين جودة خدمة الاتصالات وأداء الاستشداء للأسوأ (worst-case target sensing).
ابتكار خوارزمي: تطوير خوارزمية BCD منخفضة التعقيد وسريعة التقارب تستخدم SROCR و MM لحل المسألة المعقدة غير المحدبة التي تتضمن قيود التضخيم وتقسيم المعدل المقترنة.
التصميم المدرك للضجيج: نمذجة تأثير الضجيج المضخم بواسطة ARIS صراحةً على كل من موثوقية الاتصالات وجودة الصدى، وتحسين المقايضة بينهما.

4. نتائج المحاكاة

تمت مقارنة المخطط المقترح (ARIS-RSMA) مع نماذج مرجعية: ARIS-NOMA، و ARIS-SDMA، و Passive RIS (PRIS)-RSMA، ومخططات الاستشعار فقط (Sensing-Only).

مكاسب الأداء: يتفوق ARIS-RSMA بشكل كبير على جميع النماذج المرجعية. عند عتبة معدل المستخدم ( $R_{th}$ ) تبلغ 5 بت/هرتز، فإنه يحقق 5.54 ديسيبل كحد أقصى لـ SINR للصدى، مقارنة بـ 3.02 ديسيبل لـ ARIS-NOMA و 1.91 ديسيبل لـ ARIS-SDMA.
المتانة: يقترب المخطط من الحد الأعلى لـ "الاستشعار فقط"، مما يشير إلى كفاءة عالية في استخدام الموارد.
حساسية المعلمات:
- التضخيم ( $a_{max}$ ): يزيد تضخيم ARIS من الـ SINR ولكن مع عوائد متناقصة بسبب الضجيج المضخم وقيود الطاقة. غالباً ما يكون عامل التضخيم المتوسط (مثل 5) كافياً.
- النشر: يكون وضع ARIS الأمثل قريباً من منطقة الاستشعار المعاقة، ولكن ليس بالضرورة عند أقرب نقطة، لموازنة ربح الرحلة الذهبية والإياب (BS-ARIS-target-ARIS-BS) مع جودة رابط المستخدم.
- تخصيص المعدل: مع زيادة متطلبات معدل المستخدم، يقوم النظام ديناميكياً بنقل الطاقة من التدفق المشترك إلى التدفقات الخاصة، مما يحافظ على جودة الخدمة مع التضحية ببعض أداء الاستشعار، ومع ذلك يظل متفوقاً على المخططات الأخرى.

5. الأهمية

يوفر هذا العمل حلاً حاسماً لأنظمة 6G ISAC التي تعمل في بيئات حضرية معقدة وغير ذات خط رؤية مباشر (non-LoS).

الأثر النظري: يثبت أن معاملة التداخل كتدفق قابل للفك (RSMA) جنباً إلى جنب مع تضخيم الإشارة النشط (ARIS) يمكن أن يحل "عقبة العدالة" في استشعار الأهداف المتعددة، وهي مسألة تفشل فيها الطرق التقليدية القائمة على إلغاء التداخل (SDD).
التطبيق العملي: توفر الخوارزمية المقترحة مساراً قابلاً للتطبيق لنشر ISAC في السيناريوهات التي تكون فيها الأهداف محجوبة بالمباني أو التضاريس، مما يضمن عدم معاناة أي هدف واحد من ضعف احتمالية الكشف بسبب التنافس على الموارد مع مستخدمي الاتصالات.
الاتجاه المستقبلي: يضع هذا العمل أساساً لمزيد من الأبحاث في مجال الأسطح الميتا (metasurfaces) النشطة ومخططات الوصول المتعدد المتقدمة للجمع بين الاستشعار والاتصالات.