⚡ electrical engineering

Phase-Shifted Pilot Design for NOMA-Empowered Uplink ISAC Systems

تقترح هذه الورقة تصميماً لمركبات الإشارة (pilot) مزاحاً في الطور مع نوع جديد من التلاشي (nulling) وتقنيات مكيفة لإلغاء التداخل لتمكين التكامل الفعال لأجهزة إرسال الاتصالات في أنظمة الاستشعار والاتصالات المتكاملة (ISAC) المدعومة بتقنية الوصول المتعدد غير المتعامد (NOMA) في الوصلة الصاعدة، مما يحقق كفاءة طيفية محسنة وسلامة استشعار عالية مع تقليل تعقيد الحوسب في المستقبل بشكل كبير مقارنة بالنماذج المرجعية المتداخلة التقليدية.

المؤلفون الأصليون: Ahmet Sacid Sümer, Ebubekir Memişoğlu, Hüseyin Arslan

نُشر 2026-04-03

📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Ahmet Sacid Sümer, Ebubekir Memişoğlu, Hüseyin Arslan

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 طريقًا سريعًا مزدحمًا حيث يحاول نوعان من المركبات السفر في نفس الوقت: شاحنات التوصيل (التي تحمل بيانات الاتصالات مثل رسائلك النصية ومقاطع الفيديو الخاصة بك) وطائرات المراقبة بدون طيار - الدرونز (التي ترسل إشارات تشبه الرادار لاستشعار البيئة، مثل اكتشاف السيارات أو الأشخاص).

في الطريقة القديمة (المسماة "التخصيص المتعامد" - Orthogonal Allocation)، كان الطريق السريع مقسمًا إلى مسارات منفصلة. الشاحنات تستخدم المسارات اليسرى، والدرونز تستخدم المسارات اليمنى. كان هذا آمنًا، ولكنه أهدر نصف الطريق. فإذا لم تكن لدى الشاحنة حمولة، يظل المسار الأيسमान فارغًا، وإذا لم يكن لدى الدرون شيء ليستشعره، يظل المسار الأيمن فارغًا.

المشكلة:
مع نمو إنترنت الأشياء (IoT)، أصبح لدينا الآلاف من هذه الشاحنات والدرونز. إذا استمررنا في تقسيم الطريق، فسننفد من المساحة. نحن بحاجة إلى جعلهم يتشاركون في نفس المسارات في نفس الوقت. وهذا ما يسمى NOMA (الوصول المتعدد غير المتعامد).

لكن هناك عقبة: إذا سارت شاحنة ودرون في نفس المكان تمامًا، فسيصطدمان ببعضهما البعض (تداخل). لن تتمكن الشاحنة من سماع الدرون، ولن يتمكن الدرون من رؤية الطريق.

حل الورقة البحثية:
تقترح هذه الورقة طريقة جديدة ذكية للسماح لهم بمشاركة الطريق دون الاصطدام، باستخدام مفهوم الإشارات التجريبية ذات الإزاحة الطورية (Phase-Shifted Pilots).

إليك تفصيل ذلك باستخدام تشبيهات بسيطة:

1. الشاحنة "الشبحية" مقابل الشاحنة "الصلبة" (تصميم الإشارة التجريبية)

لفهم الطريق، تحتاج الدرونز إلى إرسال "إشارة تجريبية" (مثل شعاع منارة).

الطريقة القديمة (المتداخلة): تخيل أن الدرونز ترسل أشعة المنارة الخاصة بها فقط في أيام محددة ومتباعدة. هذا يخلق فجوات في البيانات، مما يجعل من الصب الصعب الرؤية بعيدًا أو رؤية التفاصيل الصغيرة (دقة منخفضة).
الطريقة الجديدة (الإزاحة الطورية): تقترح الورقة أن ترسل الدرونز أشعتها كل يوم (نطاق ترددي كامل)، لكنها تغير لون أو طور ضوئها قليلًا.
- تشبيه: تخيل أن 4 درونز جميعها تسلط كشافات بيضاء في نفس الوقت. بالنسبة للمستقبل، يبدو الأمر وكأنه كتلة واحدة عملاقة ومبهرة. ولكن، إذا أطلق الدرون (أ) ضوءًا "مزاحًا نحو الأحمر" قليلًا، والدرون (ب) "مزاحًا نحو الأزرق"، والدرون (ج) "مزاحًا نحو الأخضر"، يمكن للمستقبل استخدام مرشح خاص لفصلهم فورًا.
- الفائدة: يحصل المستقبل على صورة كاملة وعالية الدقة للطريق (الاستشعار) دون الحاجة للانتظار لأيام مختلفة.

2. استراتيجية "شرطي المرور" (إلغاء التداخل التكراري)

حتى مع الأضواء الملونة، لا تزال الشاحنات (بيانات الاتصال) تعيق طريق الدرونز. تقدم الورقة "شرطي مرور" (المستقبل) يستخدم عملية تنظيف من خطوتين:

الخطوة (أ): الشرطي "المشترك" (لأغلب السيناريوهات):
ينظر الشرطي إلى حركة المرور، ويخمن ما تقوله الشاحنات، ويطرح تخمينه من الضجيج، ثم ينظر إلى ما تبقى ليرى الدرونز. ثم ينظر إلى الدرونز، ويطرحهم، ويحسن تخمينه للشاحنات. يقوم بذلك مرارًا وتكرارًا (بشكل تكراري) حتى يتم فرز حركة المرور تمامًا.
- تشبيه: الأمر يشبه محاولة سماع صوت صديقك في غرفة مزدحمة. أنت تخمن ما قاله، تطرح الضجيج الخلفي الذي "تعتقد" أنك سمعته، ثم تستمع مرة أخرى. تكرر ذلك حتى تسمع صديقك بوضوح.
الخطوة (ب): الشرطي "المتتالي" (لنسخة "التصفير"):
أحيانًا، تكون الشاحنات صاخبة جدًا لدرجة أنها تغطي على الدرونز تمامًا. تقترح الورقة حيلة "التصفير الطيفي" (Spectral Nulling): تقوم الدرونز عمدًا بإطفاء أضواء الإشارة في الأماكن التي تصرخ فيها الشاحنات بأهم تعليماتها (الإشارات التجريبية).
- الاستراتيجية: يركز الشرطي أولاً على تعليمات الشاحنات الواضحة (لأن الدرونز لا تصرخ هناك). وبمجرد فهم الشاحنات، يستخدم الشرطي تلك المعرفة لتنظيف بقية الضجيج وأخيرًا يسمع الدرونز. هذا أسرع ويتطلب مجهودًا ذهنيًا أقل (تعقيد حسابي أقل).

3. النتيجة: طريق سريع أذكى وأسرع

تثبت هذه الورقة أن هذا النظام الجديد هو فوز للطرفين:

استشعار أفضل: لأن الدرونز تستخدم الطريق بالكامل (وليس مجرد مسارات متباعدة)، يمكنها الرؤية لمسافات أبعد وبوضوح أكبر.
اتصالات أفضل: يمكن للشاحنات إرسال المزيد من البيانات لأنها لا تنتظر مساراتها المخصصة.
مجهود ذهني أقل: الجزء الأكثر إثارة هو أن المستقبل (شرطي المرور) لا يضطر للعمل بجهد كبير.
- الرياضيات: النظام القديم كان يتطلب من الشرطي إجراء عملية حسابية معقدة لكل درون على حدة. النظام الجديد يسمح للشرطي بإجراء عملية حسابية واحدة للمجموعة بأكملها، ثم مجرد فرز الألوان.
- التوفير: هذا يقلل من العمل الحسابي بنسبة تتراوح بين 19% إلى 21%. في عالم أجهزة إنترنت الأشياء التي تعمل بالبطاريات، توفير 20% من عمر البطارية هو أمر ضخم للغاية.

الملخص

تتعلق هذه الورقة بتعليم طريق سريع مزدحم من المستشعرات والهواتف كيفية مشاركة نفس المساحة بكفاءة. بدلًا من بناء المزيد من المسارات (وهو أمر مكلف ومبدد)، علموا المركبات كيف تسير في نفس المسار ولكن مع ارتداء زي موحد بألوان مختلفة (الإشارات التجريبية ذات الإزاحة الطورية). كما أعطوا شرطة المرور طريقة أذكى وأسرع لفرز حركة المرور (إلغاء التداخل التكراري)، مما يسمح للنظام بأكمله بالعمل بشكل أسرع، والرؤية لمسافات أبعد، واستهلاك طاقة بطارية أقل.

إليك ملخص تقني مفصل للورقة البحثية بعنوان "تصميم الإشارات التجريبية بإزاحة الطور لأنظمة ISAC المدعومة بـ NOMA في وصلة الرفع (Uplink)."

1. بيان المشكلة

تتناول الورقة البحثية التحدي الحرج المتمثل في دمج الاستشعار والاتصالات المتكاملين (ISAC) في شبكات إنترنت الأشياء (IoT) الكثيفة، وتحديداً ضمن سيناريوهات وصلة الرفع (UL) التي تتضمن أجهزة إرسال (TXs) متعددة.

الصراع: في الشبكات الكثيفة، تتصادم إشارات الاتصالات (من أجهزة إرسال الاتصالات، أو CTXs) وإشارات الاستشعار (من أجهزة إرسال الاستشعار، أو STXs)، مما يسبب تداخلاً متبادلاً شديداً.
محدودية الحلول الحالية:
- التخصيص المتعامد (Orthogonal Allocation): التقسيم التقليدي للوقت/التردد غير فعال ويقلل من كفاءة الطيف (SE).
- الإشارات التجريبية المتداخلة (Interleaved Pilots - CI): على الرغم من أن الوصول المتعدد غير المتعامد (NOMA) مع الإشارات التجريبية المتداخلة يحسن كفاءة الطيف (SE)، إلا أنه يخلق ندرة طيفية (Spectral Sparsity). هذه الندرة تضعف دقة الاستشعار (تحديداً أقصى مدى غير غامض) وتفرض عبئاً حوسبياً عالياً على المستقبل (RX) لأنه يتطلب عملية تحويل فورييه السريع العكسي (IFFT) منفصلة لكل جهاز إرسال استشعار (STX) مجدول.
- توسيع التصفير (Nulling Extensions - CIN): المحاولات الحالية لـ "تصفير" إشارات الاستشعار عند مواقع الإشارات التجريبية لحماية تقديرات الاتصالات ترث المقايضات الهيكلية للتصاميم المتداخلة.

2. المنهجية

يقترح المؤلفون إطار عمل مبتكر يجمع بين تصميم الإشارات التجريبية بإزاحة الطور (PS) مع NOMA، مدعوماً بهيكليتين متخصصتين لـ إلغاء التداخل التكراري (IIC) في جهة المستقبل.

أ. نموذج النظام

السيناريو: جهاز إرسال اتصال (CTX) ذو هوائي واحد و $U$ من أجهزة إرسال الاستشعار (STXs) ذات الهوائي الواحد، يبثون في وقت واحد عبر موارد زمنية-ترددية مشتركة إلى مستقبل ISAC واحد.
هيكل الإشارة:
- CTX: يبث حمولة من البيانات والإشارات التجريبية (Pilot tones).
- STXs: تبث تسلسلاً مرجعياً مشتركاً للاستقصاء. ولضمان القابلية للفصل، يطبق كل STX إزاحة طور دورية خاصة به (STX-specific cyclic phase shift) في المجال الترددي.
- آلية إزاحة الطور: تُعرف إزاحة الطور $\theta_{u,k}$ للتردد الفرعي $k$ للجهاز $u$ بأنها $\theta_{u,k} = -2\pi k \frac{n_u}{N}$ . تقوم هذه الإزاحة بنقل استجابة النبضة للقناة (CIR) لكل STX إلى نافذة متميزة وغير متداخلة في المجال الزمني (مجال التأخير)، مما يسمح بالفصل دون الحاجة للتداخل في المجال الترددي.

ب. متغيرات الإشارات التجريبية المقترحة

PS-ISAC-NOMA: إشارات تجريبية استشعارية بإزاحة الطور تغطي كامل النطاق الترددي فوق إشارات الاتصالات.
PSN-ISAC-NOMA (تصفير إزاحة الطور): متغير يقوم استراتيجياً بـ تفريغ (Puncturing/Nulling) إشارة الاستشعار عند الترددات الفرعية المحددة المستخدمة لإشارات CTX التجريبية. هذا يحافظ على سلامة تقديرات قناة الاتصال الأولية دون التضحية بقابلية الفصل في المجال الزمني.

ج. بنيات المستقبل (IIC)

لحل تداخل الأجهزة المتعددة الكثيفة، تم تكييف استراتيجيتين تكراريتين للمستقبل:

الإلغاء التكراري المشترك (Joint IIC): يُستخدم لتكوينات عدم التصفير (PS و CI). يقوم بتحديث تقديرات قناة الاتصال وقناة الاستشعار في آن واحد في كل تكرار. وهو نظام قوي ولكنه أثقل من حيث الحوسبة.
الإلغاء التكراري المتسلسل (Sequential IIC): مصمم خصيصاً لمتغيرات التصفير (PSN و CIN).
- المرحلة 1 ( $q \le Q_1$ ): يتم تجميد (تثبيت) تقدير قناة الاتصال بناءً على التقدير الأولي للإشارة التجريبية. يقوم المستقبل فقط بتحديث قنوات الاستشعار ورموز البيانات. هذا يسرع التقارب ويقلل التعقيد.
- المرحلة 2 ( $q > Q_1$ ): بمجرد كبح تداخل الاستشعار، يتم "إلغاء تجميد" قناة الاتصال وتحسينها باستخدام تقنيات القرار الموجه (Decision-Directed - DD).

3. المساهمات الرئيسية

تصميم جديد للإشارات التجريبية: تقديم إطار عمل PS-ISAC-NOMA، الذي يضع بيانات اتصالات عالية المعدل فوق إشارات استشعار بإزاحة طور تغطي كامل النطاق الترددي. هذا يحافظ على الدقة المثلى للاستشعار (على عكس التصاميم المتداخلة) مع تمكين NOMA.
متغير التصفير الطيفي (PSN): اقتراح مخطط PSN الذي يفرغ إشارات الاستشعار عند مواقع الإشارات التجريبية للاتصالات. هذا يحمي التقدير الأولي للقناة، مما يسمح بوضع كثيف للبيانات مع الحفاظ على قابلية الفصل.
خوارزميات مستقبل متكيفة: تطوير وتقييم بنيات Joint IIC (لعدم التصفير) و Sequential IC (للتصفير). تقلل بنية Sequential IIC بشكل كبير من العبء الحوسبي عن طريق تجميد قناة الاتصال خلال التكرارات المبكرة.
تقليل التعقيد: إثبات أن نقل فصل تعدد أجهزة الـ STX إلى المجال الزمني (عبر إزاحات الطور) يلغي الحاجة إلى عمليات IFFT متعددة لكل STX، مما يقلل بشكل جذري من تعقيد أجهزة المستقبل.

4. نتائج المحاكاة

تم تقييم الإطار مقابل خطوط الأساس (CI-ISAC-NOMA و CIN-ISAC-NOMA) عبر كثافات STX متغيرة ( $U$ ) ورتب تعديل ( $M$ ) مختلفة.

أداء الاستشعار:
- تحافظ أطر العمل PS و PSN على سلامة الاستشعار (خطأ متوسط المربعات المعياري - NMSE) بما يضاهي المعايير المرجعية للأنظمة التي تعمل بالاستشعار فقط والمتعامدة.
- على عكس التصاميم المتداخلة، لا تعاني هذه الأطر من الندرة الطيفية، مما يحافظ على أقصى مدى غير غامض.
أداء الاتصالات:
- تظهر متغيرات PSN متانة فائقة في السيناريوهات عالية الكثافة ( $U=16$ ) والتعديل عالي الرتبة ( $M=16$ ). التصفير الطيفي يحمي تقدير قناة CTX، مما يمنع انتشار الخطأ.
- عند الكثافات المتوسطة ( $U \le 4$ )، تقترب جميع مخططات NOMA من الحدود الدنيا النظرية لـ NMSE الخاص بالاتصالات ومعدل خطأ البت (BER).
كفاءة الطيف (SE):
- تتفوق أطر عمل NOMA بشكل كبير على خطوط الأساس الزمنية-الترددية المتعامدة (TDM).
- بينما توفر $M=16$ أعلى إنتاجية نظرية، إلا أنها تعاني من أرضيات الخطأ بسبب التداخل؛ ومع ذلك، تحتفظ متغيرات PSN بكفاءة طيفية أعلى من نظيراتها غير المصفرة في ظل هذه الظروف.
التعقيد الحوسبي:
- توفير المستقبل: تقلل بنيات إزاحة الطور المقترحة من التعقيد الحوسبي للمستقبل بنسبة 18.8% (PS مقابل CI) و 21.0% (PSN مقابل CIN) من حيث عمليات الضرب الحقيقية.
- الآلية: يتم تحقيق ذلك من خلال استبدال عمليات $U$ من الـ IFFT المنفصلة (المطلوبة في التصاميم المتداخلة) بعملية IFFT مركبة واحدة متبوعة بنوافذ زمنية.

5. الأهمية

توفر هذه الورقة حلاً قابلاً للتوسع لنشر 6G و IoT الضخم حيث يجب أن يتعايش الاستشمار والاتصالات بكفاءة.

كفاءة الأجهزة: من خلال تقليل العبء الحوسبي على المستقبل، تعد المخططات المقترحة مناسبة جداً للأجهزة الطرفية محدودة الطاقة والشبكات الكثيفة.
توازن الأداء: نجحت في حل المقايضة بين دقة الاستشعار وكفاءة الطيف، وهي عقبة شائعة في أنظمة ISAC الحالية.
القابلية للتوسع: تسمح بنية Sequential IIC للنظام بالتوسع إلى كثافات مستخدمين عالية دون انفجار خطي في قدرة المعالجة، مما يجعلها مرشحاً قوياً لشبكات الجيل القادم اللاسلكية.

ختاماً، تم تحديد بنية التصفير بإزاحة الطور (PSN) كالحل الأمثل لكفاءة الحوسبة، بينما تعمل بنية إزاحة الطور (PS) كخيار ثانوي قوي، حيث يتفوق كلاهما على مناهج NOMA المتداخلة التقليدية في بيئات ISAC الكثيفة.