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Amalgamated CHIRP and OFDM for ISAC

यह शोध पत्र एक नवीन ISAC वेवफॉर्म प्रस्तावित करता है जो संचार संसाधनों से समझौता किए बिना सेंसिंग सटीकता बढ़ाने और समग्र रेंज एवं वेलोसिटी अनुमान प्रदर्शन में सुधार करने के लिए OFDM और चर्प संकेतों को एफाइनली (affinely) संयोजित करके PAPR को कम करता है।

मूल लेखक: Pankaj Kumar, Mohammed El-Hajjar, Ibrahim A. Hemadeh, Yasser Mestrah, Suraj Srivastava, Aditya K. Jagannatham, Lajos Hanzo

प्रकाशित 2026-01-23

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Pankaj Kumar, Mohammed El-Hajjar, Ibrahim A. Hemadeh, Yasser Mestrah, Suraj Srivastava, Aditya K. Jagannatham, Lajos Hanzo

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आप अपने दोस्त को एक गुप्त संदेश भेजने की कोशिश कर रहे हैं और साथ ही बाधाओं को खोजने के लिए फ्लैशलाइट का उपयोग कर रहे हैं। पारंपरिक रूप से, आपको इन दोनों कामों के लिए दो अलग-अलग उपकरणों की आवश्यकता होगी: संदेश के लिए एक रेडियो और स्कैनिंग के लिए एक रडार। इससे जगह अधिक घेरती है, अधिक बैटरी खर्च होती है, और दो अलग-अलग प्रकार के उपकरणों की आवश्यकता होती है।

यह शोध पत्र एक ही "सुपर-सिग्नल" का उपयोग करके ये दोनों काम एक साथ करने का एक चतुर नया तरीका प्रस्तावित करता है। लेखक इस नए सिग्नल को AAC-OFDM कहते हैं।

यहाँ बताया गया है कि यह कैसे काम करता है, सरल उपमाओं (analogies) का उपयोग करते हुए:

1. समस्या: सिग्नलों का "ट्रैफिक जाम"

आधुनिक वायरलेस सिस्टम (जैसे 5G) में, हम डेटा भेजने के लिए OFDM नामक तकनीक का उपयोग करते हैं। OFDM को एक व्यस्त राजमार्ग की तरह समझें जिसमें कई लेन (सबकैरियर्स) हैं जो कारों (डेटा) को ले जा रहे हैं। यह बहुत सारी जानकारी तेजी से भेजने के लिए बेहतरीन है। हालाँकि, यदि आप इसी राजमार्ग का उपयोग चीजों को "देखने" (सेंसिंग/रडार) के लिए करना चाहते हैं, तो यह इसमें बहुत अच्छा नहीं है। यह जंगल में हिरण को हाईवे को देखकर पहचानने की कोशिश करने जैसा है; सिग्नल बहुत अव्यवस्थित है और आप यह सटीक रूप से नहीं बता सकते कि चीजें कितनी दूर या कितनी तेज चल रही हैं।

इसे ठीक करने के लिए, इंजीनियर आमतौर पर राजमार्ग की कुछ लेन केवल रडार के लिए समर्पित कर देते हैं, जिसका अर्थ है कि आपके वास्तविक डेटा के लिए कम लेन बचती हैं। इससे आपका इंटरनेट धीमा हो जाता है।

2. समाधान: सिग्नल को एक "स्वीप" (Sweep) के साथ मिलाना

लेखक एक मानक डेटा सिग्नल को एक चर्प (Chirp) के साथ मिलाने का प्रस्ताव देते हैं।

उपमा: कल्पना करें कि मानक डेटा सिग्नल एक स्थिर गूँज (hum) है। एक चर्प (Chirp) एक सायरन की तरह है जो धीरे-धीरे कम पिच से उच्च पिच की ओर फिसलता है।
मिश्रण: केवल गूँज या केवल सायरन भेजने के बजाय, वे उन्हें एक साथ एफाइनली जोड़ते (affinely add) हैं। इसे एक स्थिर जलधारा (डेटा) को एक घूमते हुए भंवर (चर्प) के साथ मिलाने जैसा समझें। परिणाम एक एकल, एकीकृत धारा है जिसमें दोनों दुनियाओं की सर्वश्रेष्ठ विशेषताएं हैं।

3. यह एक बड़ी बात क्यों है

यह शोध पत्र इस नए मिश्रण की तीन मुख्य महाशक्तियों पर प्रकाश डालता है:

"पायलट" की आवश्यकता नहीं: आमतौर पर, चीजों को सेंस करने के लिए, आपको एक ज्ञात "पायलट" सिग्नल (जैसे एक लाइटहाउस की बीम) भेजने की आवश्यकता होती है ताकि रिसीवर को पता हो कि उसे क्या खोजना है। यह जगह बर्बाद करता है। नया AAC-OFDM सिग्नल इतना स्मार्ट है कि रिसीवर केवल चर्प के "आकार" को जानकर किसी वस्तु की दूरी और गति का पता लगा सकता है, भले ही वह भेजे जा रहे गुप्त डेटा संदेश को न जानता हो। यह एक रेडियो पर बज रहे गाने के बोल जाने बिना, दीवार से टकराकर वापस आती सायरन की आवाज सुनकर यह जानने जैसा है कि दीवार कितनी दूर है।
चिकनी शक्ति (कम PAPR): मानक डेटा सिग्नल में शक्ति के अचानक, बड़े उछाल (जैसे कार का अचानक एक्सीलेटर दबाना) हो सकते हैं, जो उपकरणों के लिए कठिन होता है। लेखक ने पाया कि चर्प जोड़ने से ये उछाल कम हो जाते हैं। यह एक ऊबड़-खाबड़ सवारी में शॉक एब्जॉर्बर जोड़ने जैसा है, जो सिग्नल को अधिक स्थिर और कुशल बनाता है।
बेहतर सटीकता: क्योंकि चर्प आवृत्तियों (frequencies) के माध्यम से फिसलता है, यह एक बहुत ही सटीक रूलर (पैमाने) की तरह कार्य करता है। शोध पत्र दिखाता है कि यह नया मिश्रण, विशेष रूप से जब आप एक पूरे "स्लॉट" (सिग्नलों के समूह) को देखते हैं, तो मानक सिग्नलों की तुलना में दूरी और गति को बहुत अधिक सटीकता से माप सकता है।

4. बनाने के दो तरीके

यह शोध पत्र इन सिग्नलों को मिलाने के दो तरीकों की तुलना करता है:

CM-OFDM (गुणात्मक/Multiplicative): यह डेटा को चर्प के ऊपर पेंट करने जैसा है। यह अच्छा काम करता है लेकिन रिसीवर को सेंसिंग जानकारी को डिकोड करने के लिए पहले से सटीक डेटा संदेश जानना आवश्यक है।
AAC-OFDM (योगात्मक/Additive): यह डेटा और चर्प को एक ही कप में डालने जैसा है। यही इस शोध पत्र का मुख्य नवाचार है। यह रिसीवर को डेटा संदेश जाने बिना भी वातावरण को सेंस करने की अनुमति देता है। यह "बाइस्टैटिक" (bistatic) सेंसिंग के लिए महत्वपूर्ण है, जहाँ सिग्नल भेजने वाला और सिग्नल प्राप्त करने वाला व्यक्ति अलग-अलग स्थानों पर होते हैं (जैसे एक कार का ट्रैफिक लाइट से बात करना)।

5. समझौता (Trade-Off)

यहाँ एक संतुलन बनाना आवश्यक है। लेखक एक "नॉब" (जिसे $\alpha$ कहा जाता है) पेश करते हैं जो यह नियंत्रित करता है कि सिग्नल में कितना हिस्सा डेटा का है और कितना सेंसिंग चर्प का।

यदि आप अधिक चर्प भेजने के लिए नॉब घुमाते हैं, तो आपकी सेंसिंग अत्यंत सटीक हो जाती है, लेकिन आपकी डेटा गति थोड़ी कम हो सकती है।
यदि आप अधिक डेटा भेजने के लिए इसे घुमाते हैं, तो आपका इंटरनेट तेज़ है, लेकिन सेंसिंग कम सटीक है।
शोध पत्र दिखाता है कि आप एक ऐसा "स्वीट स्पॉट" ढूंढ सकते हैं जहाँ आपको अपने इंटरनेट कनेक्शन को खराब किए बिना उत्कृष्ट सेंसिंग प्राप्त होती है।

सारांश

संक्षेप में, यह शोध पत्र एक नया तरीका प्रस्तुत करता है जिससे वायरलेस सिग्नल बनाए जा सकते हैं जो उच्च गति वाले इंटरनेट कनेक्शन और एक सटीक रडार दोनों के रूप में कार्य करते हैं। एक मानक डेटा सिग्नल को आवृत्ति-फिसलने वाले "चर्प" के साथ गणितीय रूप से मिलाकर, उन्होंने एक ऐसा सिस्टम बनाया है जो अधिक कुशल है, कम बिजली का उपयोग करता है, और दुनिया को "देखने" के लिए अपने इंटरनेट की गति से समझौता नहीं करता है। यह एक ही उपकरण होने जैसा है जो एक हाई-डेफिनिशन कैमरा और एक सुपर-फास्ट मैसेंजर दोनों है।

तकनीकी सारांश: ISAC के लिए एमलगेमेटेड (Amalgamated) CHIRP और OFDM

समस्या विवरण
एकीकृत संवेदन और संचार (ISAC) प्रणालियों का लक्ष्य स्पेक्ट्रम की कमी और हार्डवेयर अतिरेक (redundancy) को संबोधित करने के लिए साझा बुनियादी ढांचे के भीतर रडार और संचार कार्यात्मकताओं को एकीकृत करना है। हालांकि, एक एकल वेवफॉर्म को डिजाइन करना जो उच्च-गति डेटा ट्रांसमिशन और सटीक पैरामीटर अनुमान (रेंज, वेलोसिटी) दोनों को कुशलतापूर्वक समर्थन दे सके, एक चुनौती बनी हुई है। पारंपरिक संचार-केंद्रित वेवफॉर्म, जैसे कि ऑर्थोगोनल फ्रीक्वेंसी डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग (OFDM), अक्सर खराब ऑटोकोरिलेशन गुणों से ग्रस्त होते हैं, जिससे उच्च साइडलोब्स उत्पन्न होते हैं जो संवेदन सटीकता को कम कर देते हैं। इसके विपरीत, संवेदन-केंद्रित वेवफॉर्म जैसे कि लीनियर फ्रीक्वेंसी मॉड्यूलेटेड (LFM) या चिरप (Chirp) सिग्नल मजबूत संवेदन प्रदान करते हैं, लेकिन आमतौर पर कम डेटा दर प्रदान करते हैं। इसके अतिरिक्त, मौजूदा ISAC कार्यान्वयन में अक्सर संवेदन के लिए विशिष्ट संसाधनों (जैसे, पायलट सबकैरियर्स) को समर्पित करने की आवश्यकता होती है, जो स्वाभाविक रूप से संचार स्पेक्ट्रल दक्षता को कम करता है। इसके अलावा, पारंपरिक OFDM प्रणालियों में उच्च पीक-टू-एवरेज पावर रेशियो (PAPR) होता है, जो पावर एम्पलीफायर दक्षता को सीमित करता है।

कार्यप्रणाली
यह शोध एक नवीन वेवफॉर्म आर्किटेक्चर प्रस्तावित करता है जिसे एफाइन एडिशन ऑफ चिरप एंड OFDM (AAC-OFDM) कहा जाता है। यह दृष्टिकोण टाइम डोमेन में एक एफाइन एडिशन के माध्यम से OFDM और चिरप सिग्नलों को जोड़ता है, जिसे $a(l) = (1 - \alpha)s(l) + \alpha c(l)$ के रूप में परिभाषित किया गया है, जहाँ $s(l)$ एक OFDM सिग्नल है, $c(l)$ एक चिरप सिग्नल है, और $\alpha$ एक पावर एलोकेशन फैक्टर है।

यह एक चिरप-मल्टीप्लाइड OFDM (CM-OFDM) योजना के साथ तुलना करता है, जहाँ चिरप को OFDM सिग्नल के साथ गुणात्मक रूप से संयोजित किया जाता है। लेखक दोनों वेवफॉर्म का 5G न्यू रेडियो (NR) फ्रेम स्ट्रक्चर के संदर्भ में विश्लेषण करते हैं। प्रमुख कार्यप्रणाली संबंधी चरणों में शामिल हैं:

वेवफॉर्म फॉर्मूलेशन: AAC-OFDM और CM-OFDM के लिए डिस्क्रीट-टाइम और कंटीन्यूअस-टाइम प्रतिनिधित्व को परिभाषित करना, जिससे OFDM मापदंडों (सबकैरियर स्पेसिंग, सिंबल ड्यूरेशन) के साथ संरेखण सुनिश्चित हो सके।
सैद्धांतिक विश्लेषण: संवेदन रिज़ॉल्यूशन, डॉप्लर टॉलरेंस और डिले-डॉप्लर कपलिंग का मूल्यांकन करने के लिए दोनों वेवफॉर्म के लिए एम्बिग्युटी फंक्शन (Ambiguity Function) को व्युत्पन्न करना। विश्लेषण में AAC-OFDM के PAPR रिडक्शन गुणों का गणितीय व्युत्पत्ति भी शामिल है।
कार्यान्वयन रणनीतियाँ: 5G NR फ्रेम के भीतर दो कार्यान्वयन स्तरों की जांच करना:
- सिंबल-लेवल: एक एकल OFDM सिंबल पर चिरप लागू करना।
- स्लॉट-लेवल: कोहेरेंट प्रोसेसिंग समय बढ़ाने के लिए पूरे स्लॉट (14 सिंबल्स) में चिरप लागू करना।
- हाइब्रिड: रेंज और वेलोसिटी अनएम्बिगअस विंडोज़ को संतुलित करने के लिए दोनों दृष्टिकोणों को एक सबफ्रेम के भीतर संयोजित करना।
रिसीवर डिज़ाइन: एक रिसीवर आर्किटेक्चर प्रस्तावित करना जहाँ मानक OFDM डीमॉड्यूलेशन से पहले "डीचर्पिंग" ऑपरेशन के माध्यम से चिरप घटक को हटाया जाता है। यह संवेदन जानकारी (रेंज/वेलोसिटी) निकालने की अनुमति देता है बिना ट्रांसमिट किए गए डेटा बिट्स के पूर्व ज्ञान की आवश्यकता के, जो कि बिस्टैटिक परिदृश्यों के लिए एक महत्वपूर्ण विशेषता है।

प्रमुख योगदान
यह शोध पत्र स्पष्ट रूप से मौजूदा साहित्य (जो पाठ की तालिका I में संक्षेपित है) के साथ अपने योगदान की तुलना करता है:

नवीन वेवफॉर्म डिज़ाइन: प्रस्तावित AAC-OFDM, जो एक निकट स्थिर-लिफाफा (near constant-envelope) वेवफॉर्म बनाने के लिए एफाइन एडिशन का उपयोग करता है। यह डिज़ाइन संवेदन और संचार कार्यात्मकताओं को अलग करता है, जिससे चिरप समर्पित पायलट सबकैरियर्स का उपभोग किए बिना संवेदन को सुगम बनाता है।
सैद्धांतिक ढांचा: AAC-OFDM के लिए एम्बिग्युटी फंक्शन का व्युत्पत्ति, जो विभिन्न ISAC परिदृश्यों, जिसमें बिस्टैटिक संवेदन शामिल है जहाँ रिसीवर के पास ट्रांसमिट किए गए डेटा का पूर्व ज्ञान नहीं होता, में प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए एक सैद्धांतिक आधार स्थापित करता है।
PAPR रिडक्शन: यह प्रदर्शन करना कि एक चिरप सिग्नल का OFDM के साथ एफाइन एडिशन एक निकट स्थिर-लिफाफा वेवफॉर्म का परिणाम देता है, जो मानक OFDM और CM-OFDM की तुलना में प्रभावी रूप से PAPR को कम करता है।
प्रदर्शन तुलना: एक तुलनात्मक विश्लेषण दिखाता है कि प्रस्तावित चिरप-मल्टीप्लाइड OFDM (CM-OFDM), पोजीशन रेफरेंस सिग्नल (PRS) के रूप में उपयोग किए जाने वाले मानक OFDM की तुलना में रेंज रिज़ॉल्यूशन में काफी बेहतर प्रदर्शन करता है, जबकि तुलनीय संचार प्रदर्शन बनाए रखता है।
कार्यान्वयन अंतर्दृष्टि: सिंबल-लेवल बनाम स्लॉट-लेवल चिरप एकीकरण का एक नवीन तुलना। परिणाम संकेत देते हैं कि स्लॉट-लेवल सुपरपोजिशन, लंबे कोहेरेंट प्रोसेसिंग इंटरवल पर शोर औसत (noise averaging) के कारण, रेंज और वेलोसिटी रूट मीन स्क्वायर एरर (RMSE) के मामले में निरंतर सिंबल-लेवल कार्यान्वयन से बेहतर प्रदर्शन करता है।

परिणाम
5G NR मापदंडों (120 kHz सबकैरियर स्पेसिंग, 24 GHz कैरियर फ्रीक्वेंसी) पर आधारित सिमुलेशन परिणाम निम्नलिखित प्रदर्शित करते हैं:

PAPR: AAC-OFDM मानक OFDM की तुलना में PAPR में पर्याप्त कमी प्रदर्शित करता है। $10^{-3}$ के कॉम्प्लीमेंट्री संचयी वितरण फलन (CCDF) पर, AAC-OFDM लगभग 9–10.9 dB ( $\alpha$ के आधार पर) प्राप्त करता है, जबकि मानक OFDM और CM-OFDM लगभग 11 dB रहते हैं।
संचार प्रदर्शन: कम $\alpha$ मानों (जैसे, 0.1) के लिए AAC-OFDM का बिट एरर रेट (BER) पारंपरिक OFDM के समान व्यवहार करता है। जैसे-जैसे $\alpha$ बढ़ता है, चिरप को पावर एलोकेशन के कारण BER थोड़ा घटता है, लेकिन सिस्टम मजबूत रहता है। महत्वपूर्ण रूप से, AAC-OFDM उच्च स्पेक्ट्रल दक्षता (1.7 bits/s/Hz तक) प्राप्त करता है क्योंकि इसे पायलटों के लिए समर्पित सबकैरियर की आवश्यकता नहीं होती है, जबकि OFDM और CM-OFDM संवेदन के लिए 25% संसाधनों को समर्पित करने पर क्षमता खो देते हैं।
संवेदन प्रदर्शन:
- एम्बिग्युटी फंक्शन: AAC-OFDM एक तीक्ष्ण "थंबटैक" एम्बिग्युटी फंक्शन प्रदर्शित करता है जिसका आकार झुका हुआ (tilted) है, जो OFDM (9.89 m) और CM-OFDM (7.50 m) की तुलना में बेहतर रेंज रिज़ॉल्यूशन (N=128 के लिए लगभग 4.20 m) और डॉप्लर टॉलरेंस प्रदान करता है।
- RMSE: AAC-OFDM, मानक OFDM की तुलना में रेंज और वेलोसिटी अनुमान के लिए कम RMSE प्राप्त करता है, विशेष रूप से जब इसे स्लॉट स्तर पर लागू किया जाता है। जबकि बिना पायलटों के AAC-OFDM, कम SNR पर पायलट-हैवी स्कीमों की तुलना में थोड़ा प्रदर्शन अंतर (लगभग 5 dB) दिखाता है, यह उन परिदृश्यों में उन्हें पछाड़ देता है जहाँ पायलट संसाधन सीमित हैं।
- वेलोसिटी अनुमान: AAC-OFDM के लिए वेलोसिटी RMSE फ्लोर लगभग 0.02 m/s है, जो मानक OFDM और CM-OFDM में देखे गए 0.38–0.40 m/s की तुलना में काफी बेहतर है, जो शुद्ध चिरप वेवफॉर्म के प्रदर्शन के करीब है।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र दावा करता है कि प्रस्तावित AAC-OFDM वेवफॉर्म ISAC प्रणालियों के लिए एक व्यावहारिक और कुशल समाधान प्रदान करता है क्योंकि यह:

पायलट-मुक्त संवेदन सक्षम करता है: यह बिना किसी समर्पित पायलट सबकैरियर या ट्रांसमिट किए गए डेटा के पूर्व ज्ञान के सटीक संवेदन की अनुमति देता है, जो इसे बिस्टैटिक और मल्टीस्टैटिक संवेदन के लिए अत्यंत उपयुक्त बनाता है जहाँ रिसीवर एक अलग बेस स्टेशन पर स्थित होता है।
ट्रेड-ऑफ को अनुकूलित करता है: यह संचार विश्वसनीयता (BER) और संवेदन सटीकता (RMSE) के बीच संतुलन बनाने के लिए एक ट्यूनेबल पैरामीटर ( $\alpha$ ) प्रदान करता है।
स्पेक्ट्रल दक्षता बढ़ाता है: संवेदन के लिए समर्पित पायलट संसाधनों की आवश्यकता को समाप्त करके, यह संचार क्षमता को सुरक्षित रखता है।
पावर दक्षता में सुधार करता है: PAPR में कमी अधिक कुशल पावर एम्पलीफायर संचालन की अनुमति देती है, जो पारंपरिक OFDM प्रणालियों की एक प्रमुख सीमा है।
लचीलापन: स्लॉट-लेवल और सिंबल-लेवल कार्यान्वयन रणनीतियाँ रेंज रिज़ॉल्यूशन बनाम अनएम्बिगअस वेलोसिटी विंडोज़ को संतुलित करने का एक व्यावहारिक तरीका प्रदान करती हैं, जिससे विशिष्ट अनुप्रयोग आवश्यकताओं (जैसे, स्वायत्त वाहन बनाम पर्यावरणीय निगरानी) के अनुसार अनुकूलन संभव होता है।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि AAC-OFDM, 6G और भविष्य के ISAC नेटवर्क के लिए वेवफॉर्म डिज़ाइन में एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतिनिधित्व करता है, जो मौजूदा संचार-केंद्रित और संवेदन-केंद्रित दृष्टिकोणों के लिए एक संगत, उच्च-प्रदर्शन विकल्प प्रदान करता है।