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Tertiary-Mode STAR-RIS for Secure NOMA: Integrating Transmission, Reflection, and Jamming

यह शोध पत्र एक तृतीयक-मोड (tertiary-mode) STAR-RIS का लाभ उठाते हुए एक सुरक्षित NOMA प्रणाली का प्रस्ताव करता है जो समवर्ती ट्रांसमिशन, रिफ्लेक्शन और जैमिंग में सक्षम है, जहाँ एक दंड-आधारित (penalty-based) अल्टरनेटिंग ऑप्टिमाइज़ेशन एल्गोरिदम बीमफॉर्मिंग और मोड चयन को संयुक्त रूप से डिजाइन करता है ताकि पारंपरिक बेंचमार्क की तुलना में गोपनीयता प्रदर्शन और सम दरों (sum rates) को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाया जा सके।

मूल लेखक: Mansi Nema, Kuntal Deka, Sanjeev Sharma, Tharmalingam Ratnarajah

प्रकाशित 2026-03-31

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Mansi Nema, Kuntal Deka, Sanjeev Sharma, Tharmalingam Ratnarajah

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 एक भीड़भाड़ वाले, शोर-शराबे वाले कमरे में अपने दोस्त के साथ एक गुप्त बातचीत करने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन एक जासूस आपकी बातें सुनने की कोशिश कर रहा है। यह शोध पत्र एक "स्मार्ट वॉल" (smart wall) का उपयोग करने का एक चतुर नया तरीका प्रस्तुत करता है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि आपका दोस्त आपको स्पष्ट रूप से सुन सके जबकि जासूस को केवल शोर (static) सुनाई दे।

यहाँ सरल उपमाओं (analogies) का उपयोग करके शोध पत्र का विवरण दिया गया है:

1. समस्या: "एक-तरफा" दर्पण (The "One-Sided" Mirror)

पारंपरिक रूप से, वायरलेस नेटवर्क RIS (Reconfigurable Intelligent Surfaces) का उपयोग करते हैं। इन्हें दीवार पर लगे स्मार्ट दर्पणों की तरह समझें।

वे पहले कैसे काम करते थे: वे केवल संकेतों को परावर्तित (reflect) कर सकते थे। यदि आप दर्पण के एक तरफ खड़े होते, तो यह आपके सिग्नल को आपके दोस्त तक पहुँचा सकता था। लेकिन यदि आपका दोस्त दर्पण के दूसरी ओर खड़ा होता, तो दर्पण उनके लिए बेकार साबित होता। यह एक ऐसे दर्पण की तरह था जो केवल सामने खड़े लोगों के लिए काम करता है, पीछे खड़े लोगों के लिए नहीं।
नया विचार (STAR-RIS): लेखक एक STAR-RIS का प्रस्ताव देते हैं। एक जादुई कांच की शीट की कल्पना करें जो आधी दर्पण और आधी खिड़की है। यह एक तरफ मौजूद लोगों के लिए संकेतों को परावर्तित (reflect) भी कर सकती है और दूसरी तरफ मौजूद लोगों के लिए उन्हें पार (transmit/pass through) भी कर सकती है। यह पूरे कमरे को कवर करता है।

2. सुपरपावर: "ट्रिपल-थ्रेट" मोड (The "Triple-Threat" Mode)

अधिकांश स्मार्ट सतहें या तो परावर्तित (reflect) कर सकती हैं या संचारित (transmit) कर सकती हैं। यह शोध पत्र एक Tertiary-Mode सिस्टम पेश करता है। इसका मतलब है कि स्मार्ट सतह का हर एक छोटा हिस्सा एक साथ तीन चीजें कर सकता है, यह इस पर निर्भर करता है कि नेटवर्क को क्या चाहिए:

परावर्तित करना (Reflect): बाईं ओर मौजूद दोस्त तक सिग्नल को उछालना।
पार करना (Transmit): दाईं ओर मौजूद दोस्त के लिए सिग्नल को गुजरने देना।
जैम करना (Jam): यह असली "सीक्रेट सॉस" है। सिग्नल में मदद करने के बजाय, यह मोड एक शोर मशीन (noise machine) की तरह काम करता है। यह विशेष रूप से जासूस (eavesdropper) पर स्टैटिक इंटरफेरेंस (static interference) बरसाता है ताकि उनकी सुनने की क्षमता को दबाया जा सके।

3. सेटअप: "NOMA" डिनर पार्टी

यह सिस्टम NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) नामक तकनीक का उपयोग करता है।

उपमा: कल्पना करें कि एक वेटर (बेस स्टेशन) एक ट्रे लेकर चल रहा है जिसमें दो पेय पदार्थ हैं: यूजर A के लिए एक कड़क कॉफी और यूजर B के लिए एक हल्का चाय।
चाल: वेटर दोनों पेय पदार्थों को एक ही कप में डाल देता है लेकिन उन्हें एक विशिष्ट तरीके से मिलाता है। यूजर A (जो करीब है और जिसका स्वाद बेहतर है) कॉफी पी सकता है और चाय को छानकर अलग कर सकता है। यूजर B (जो दूर है) केवल चाय का स्वाद ले सकता है, लेकिन क्योंकि यूजर A ने पहले कॉफी को हटा दिया है (एक प्रक्रिया जिसे SIC या Successive Interference Cancellation कहा जाता है), यूजर B को अपनी चाय स्पष्ट रूप से मिल जाती है।
जासूस: जासूस भी उन पेय पदार्थों का स्वाद लेने की कोशिश कर रहा है। लक्ष्य यह सुनिश्चित करना है कि जासूस यह न जान सके कि दोनों यूजर्स क्या पी रहे हैं।

4. समाधान: "स्मार्ट कंडक्टर" (The "Smart Conductor")

सबसे कठिन काम यह पता लगाना है कि स्मार्ट दीवार के हर छोटे टुकड़े को ठीक से कैसे झुकाया जाए। क्या टुकड़ा #1 को परावर्तित करना चाहिए? क्या टुकड़ा #2 को जैम करना चाहिए? या टुकड़ा #3 को सिग्नल को गुजरने देना चाहिए?

चुनौती: इसमें लाखों संयोजन (combinations) हैं। यह बिना आंखों की पट्टी बांधे रूबिक क्यूब (Rubik's cube) को हल करने जैसा है।
एल्गोरिदम: लेखकों ने एक "स्मार्ट कंडक्टर" (एक एल्गोरिदम) बनाया है। यह दो चरणों में आगे-पीछे काम करता है:
1. चरण 1 (वेटर): यह वेटर (बेस स्टेशन) को निर्देश देता है कि वह ट्रे (बीमफॉर्मिंग) को कैसे पकड़े ताकि सिग्नल को सबसे अच्छी तरह से निशाना बनाया जा सके।
2. चरण 2 (दीवार): यह स्मार्ट दीवार को नियंत्रित करता है। यह तय करता है कि कौन से हिस्से को परावर्तित करना चाहिए, कौन से हिस्से को सिग्नल पास करना चाहिए, और कौन से हिस्से को जासूस पर शोर बरसाना चाहिए।
3. जुर्माना (The Penalty): एल्गोरिदम एक "पेनल्टी" प्रणाली का उपयोग करता है। यदि यह कोई ऐसा समाधान आज़माता है जो पूर्ण नहीं है (जैसे कि दीवार का एक टुकड़ा एक साथ दो काम करने की कोशिश कर रहा है), तो इसे "जुर्माना" (penalty score) मिलता है। एल्गोरिदम इस जुर्माने को कम करने के लिए लगातार समायोजन करता रहता है जब तक कि उसे सही संतुलन न मिल जाए।

5. परिणाम: यह क्यों महत्वपूर्ण है

पेपर में दिखाए गए सिमुलेशन बताते हैं कि यह नया सिस्टम एक गेम-चेंजर है:

अधिक गति: क्योंकि दीवार दोनों तरफ के लोगों से बात कर सकती है, इसलिए कुल डेटा स्पीड (sum-rate) पुराने दर्पणों की तुलना में काफी बढ़ जाती है।
बेहतर सुरक्षा: दीवार के कुछ हिस्सों को विशेष रूप से "शोर मशीन" में बदलकर, जासूस को केवल कचरा (garbage) सुनाई देता है। वैध उपयोगकर्ता सब कुछ स्पष्ट रूप से सुनते हैं।
अनुकूलन क्षमता (Adaptability): यदि जासूस करीब आता है, तो दीवार स्वचालित रूप से अधिक हिस्सों को "जैमिंग" मोड में स्थानांतरित कर देती है। यदि सिग्नल कमजोर होता है, तो यह अधिक हिस्सों को "ट्रांसमिशन" मोड में स्थानांतरित कर देती है। यह एक गिरगिट की तरह है जो जीवित रहने के लिए अपना रंग बदलता है।

सारांश

यह शोध पत्र एक सुपर-स्मार्ट दीवार पेश करता है जो केवल संकेतों को उछालती नहीं है; यह एक ही समय में उछाल (bounce), गुजर (pass through) और शोर (blast noise) भी कर सकती है। एक स्मार्ट कंप्यूटर एल्गोरिदम का उपयोग करके यह तय करना कि दीवार का प्रत्येक छोटा हिस्सा क्या करेगा, यह सिस्टम सुनिश्चित करता है कि दो दोस्त सुरक्षित और तेजी से बातचीत कर सकें, जबकि सुनने की कोशिश कर रहा जासूस स्टैटिक शोर के कारण पूरी तरह भ्रमित हो जाए। यह 6G सुरक्षा और गति की दिशा में एक बड़ा कदम है।

यहाँ शोध पत्र "Tertiary-Mode STAR-RIS for Secure NOMA: Integrating Transmission, Reflection, and Jamming" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

यह शोध पत्र जटिल वायरलेस वातावरण में संचालित नॉन-ऑर्थोगोनल मल्टीपल एक्सेस (NOMA) प्रणालियों में फिजिकल लेयर सिक्योरिटी (PLS) और स्पेक्ट्रल एफिशिएंसी को बढ़ाने की चुनौती का समाधान करता है।

संदर्भ: पारंपरिक रीकॉन्फ़िगेरेबल इंटेलिजेंट सर्फेस (RIS) केवल परावर्तन (reflection) तक सीमित हैं, जो केवल एक तरफ उपयोगकर्ताओं की सेवा करते हैं। जबकि सिमल्टेनियसली ट्रांसमिटिंग एंड रिफ्लेक्टिंग RIS (STAR-RIS) कवरेज की समस्या को हल करता है, मौजूदा अध्ययनों में अधिकांशतः एनर्जी स्प्लिटिंग (ES) या टाइम स्विचिंग (TS) प्रोटोकॉल का उपयोग किया जाता है, जिनमें लचीलेपन (flexibility) की कमी होती है।
अंतराल (The Gap): एक अधिक अनुकूलनीय (adaptive) STAR-RIS प्रोटोकल की आवश्यकता है जो न केवल वैध उपयोगकर्ताओं (legitimate users) की सेवा कर सके, बल्कि सक्रिय रूप से ईव्सड्रॉपर (eavesdroppers) को बाधित भी कर सके।
विशिष्ट परिदृश्य: लेखक एक मल्टी-इनपुट सिंगल-आउटपुट (MISO) NOMA सिस्टम पर विचार करते हैं जहाँ एक बेस स्टेशन (BS) एक STAR-RIS के विपरीत दिशाओं में स्थित दो वैध उपयोगकर्ताओं को सेवा प्रदान करता है। एक पैसिव ईव्सड्रॉपर (Eve) रिफ्लेक्शन साइड पर मौजूद है। लक्ष्य जैमिंग (jamming) के लिए RIS तत्वों के एक उपसमुच्चय (subset) का उपयोग करके वैध उपयोगकर्ताओं के सम-रेट (sum-rate) को अधिकतम करना और सीक्रेसी रेट (secrecy rate) (ईव्सड्रॉपर तक सूचना के रिसाव को सीमित करना) सुनिश्चित करना है।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखक एक टर्शियरी-मोड (Tertiary-Mode) STAR-RIS फ्रेमवर्क और एक संबंधित अनुकूलन एल्गोरिदम का प्रस्ताव करते हैं।

A. सिस्टम मॉडल और टर्शियरी मोड्स (System Model & Tertiary Modes)

मानक STAR-RIS के विपरीत, जो ऊर्जा या समय को विभाजित करता है, यह मॉडल प्रत्येक $K$ RIS तत्वों को तीन परस्पर अनन्य (mutually exclusive) मोड में से एक में संचालित होने की अनुमति देता है:

रिफ्लेक्शन (Reflection): रिफ्लेक्शन साइड पर उपयोगकर्ता की सेवा करता है।
ट्रांसमिशन (Transmission): ट्रांसमिशन साइड पर उपयोगकर्ता की सेवा करता है।
जैमिंग (Jamming): ईव्सड्रॉपर के चैनल को खराब करने के लिए एक जैमिंग सिग्नल को सक्रिय रूप से परावर्तित करता है।

प्रतिबंध (Constraint): प्रत्येक तत्व $k$ के लिए, मोड चयन गुणांक इस प्रकार संतुष्ट होते हैं: $\beta_{r,k} + \beta_{t,k} + \beta_{j,k} = 1$ , जहाँ $\beta \in \{0, 1\}$ ।

B. अनुकूलन समस्या (Optimization Problem)

यह मॉडल संयुक्त रूप से निम्नलिखित को अनुकूलित (optimize) करने के लिए है:

एक्टिव बीमफॉर्मिंग (Active Beamforming): मल्टी-एंटीना BS पर ट्रांसमिट वेक्टर्स ( $w_1, w_2$ )।
पैसिव बीफॉर्मिंग (Passive Beamforming): RIS तत्वों के फेज शिफ्ट ( $\theta$ )।
मोड चयन (Mode Selection): प्रत्येक तत्व के लिए रिफ्लेक्शन, ट्रांसमिशन या जैमिंग का बाइनरी चयन।

समस्या को सम-रेट ( $R_{11} + R_{22}$ ) को अधिकतम करने के लिए तैयार किया गया है, जबकि निम्नलिखित शर्तों का पालन किया जाता है:

BS ट्रांसमिट पावर प्रतिबंध।
NOMA सक्सीविव इंटरफेरेंस कैंसिलेशन (SIC) डिकोडिंग ऑर्डर प्रतिबंध।
सीक्रेसी प्रतिबंध (ईव्सड्रॉपर के प्राप्त योग्य दर को एक थ्रेशोल्ड $\tau$ तक सीमित करना)।
RIS मैट्रिसेस पर बाइनरी और रैंक-वन प्रतिबंध।

C. प्रस्तावित समाधान: पेनल्टी-बेस्ड अल्टरनेटिंग ऑप्टिमाइजेशन (AO)

समस्या वेरिएबल कपलिंग और डिस्क्रीट बाइनरी वेरिएबल्स के कारण नॉन-कॉन्वेक्स (non-convex) है। लेखक एक द्वि-चरणीय पेनल्टी ऑप्टिमाइजेशन एल्गोरिदम (Dual-Stage Penalty Optimization Algorithm) विकसित करते हैं:

एक्टिव बीमफॉर्मिंग ऑप्टिमाइजेशन (चरण 1):
- यह RIS मापदंडों को स्थिर करता है और BS बीमफॉर्मिंग वेक्टर्स को अनुकूलित करता है।
- कोवेरिएंस मैट्रिसेस पर रैंक-वन बाधाओं को संभालने के लिए सेमीडेफिनेट रिलैक्सेशन (SDR) का उपयोग करता है।
- फ्रैक्शनल SINR एक्सप्रेशन और SIC ऑर्डरिंग बाधाओं को कॉन्वेक्स बनाने के लिए स्लैक वेरिएबल्स (slack variables) और सेकंड-ऑर्डर कोन (SOC) बाधाओं को पेश करता है।
पैसिव बीमफॉर्मिंग और मोड चयन (चरण 2):
- यह BS बीमफॉर्मिंग को स्थिर करता है और RIS फेज शिफ्ट एवं मोड चयन को अनुकूलित करता है।
- बाइनरी रिलैक्सेशन (Binary Relaxation): डिस्क्रीट $\{0, 1\}$ मोड चयन को $[0, 1]$ में रिलैक्स करके और ऑब्जेक्टिव फंक्शन में एक पेनल्टी टर्म जोड़कर इसे संभालता है। बाइनरी मानों तक अभिसरण (convergence) सुनिश्चित करने के लिए इस पेनल्टी को पुनरावृत्ति (iteratively) के साथ बढ़ाया जाता है।
- रैंक-वन रिलैक्सेशन (Rank-One Relaxation): RIS मैट्रिसेस पर रैंक-वन प्रतिबंध को हैंडल करने के लिए न्यूक्लियर नॉर्म और स्पेक्ट्रल नॉर्म के बीच के अंतर को कम करता है (प्रथम-क्रम ग्रेडिएंट एप्रोक्सिमेशन का उपयोग करके)।
- वन-हॉट एनकोडिंग (One-Hot Encoding): रिलैक्स्ड कॉन्वेक्स समस्या को हल करने के बाद, एक पोस्ट-प्रोसेसिंग स्टेप प्रत्येक तत्व के लिए उच्चतम मान वाले मोड का चयन करता है ताकि सख्त विशिष्टता (strict exclusivity) सुनिश्चित हो सके।

यह एल्गोरिदम अभिसरण (convergence) तक इन दोनों चरणों के बीच बारी-बारी से कार्य करता है।

3. मुख्य योगदान (Key Contributions)

नवीन फ्रेमवर्क: एक टर्शियरी-मोड STAR-RIS का उपयोग करने वाला पहला सुरक्षित NOMA सिस्टम प्रस्तावित करता है जो समवर्ती ट्रांसमिशन, रिफ्लेक्शन और जैमिंग करने में सक्षम है।
संयुक्त अनुकूलन फॉर्मूलेशन: ईव्सड्रॉपर के विरुद्ध सीक्रेसी बाधाओं को सख्ती से लागू करते हुए सम-रेट को अधिकतम करने के लिए एक जटिल संयुक्त अनुकूलन समस्या को तैयार करता है।
एल्गोरिदम विकास: एक पेनल्टी-बेस्ड अल्टरनेटिंग ऑप्टिमाइजेशन एल्गोरिदम विकसित करता है जो निरंतर (continuous - फेज शिफ्ट) और डिस्क्रीट (discrete - मोड चयन) वेरिएबल्स को एकीकृत करके मिश्रित-पूर्णांक नॉन-कॉन्वेक्स प्रकृति को प्रभावी ढंग से संभालता है।
प्रदर्शन सत्यापन: सिमुलेशन के माध्यम से सिद्ध करता है कि प्रस्तावित डिज़ाइन पारंपरिक RIS, मानक STAR-RIS (बिना जैमिंग के), और बिना RIS वाले सिस्टम की तुलना में काफी बेहतर प्रदर्शन करता है।

4. सिमुलेशन परिणाम (Simulation Results)

लेखक MATLAB सिमुलेशन का उपयोग करके अपने प्रस्तावित स्कीम को सत्यापित करते हैं, जिसके प्रमुख निष्कर्ष निम्नलिखित हैं:

सम-रेट सुधार: प्रस्तावित "टर्शियरी-मोड STAR-RIS विद जैमिंग" सभी ट्रांसमिट पावर स्तरों (0–40 dBm) पर सभी बेंचमार्क (पारंपरिक RIS, बिना जैमिंग के STAR-RIS, बिना RIS के) से लगातार बेहतर प्रदर्शन करता है।
सीक्रेसी गेन: सिस्टम पारंपरिक RIS-असिस्टेड सिस्टम की तुलना में सीक्रेसी रेट में लगभग 1 bit/s/Hz का उल्लेखनीय सुधार प्राप्त करता है।
तत्वों की संख्या ( $K$ ) का प्रभाव: RIS तत्वों की संख्या बढ़ने से प्रदर्शन में सुधार होता है, लेकिन $K=50$ के बाद घटते प्रतिफल (diminishing returns) देखे जाते हैं।
अनुकूलनीय मोड आवंटन (Adaptive Mode Allocation): सिस्टम ट्रांसमिट पावर के आधार पर तत्वों के मोड को गतिशील रूप से समायोजित करता है। कम पावर पर, अधिकांश तत्व ट्रांसमिशन/रफ्लेक्शन की सेवा करते हैं; उच्च पावर पर, जैमर के रूप में कार्य करने के लिए एक महत्वपूर्ण हिस्सा जैमिंग मोड में बदल जाता है।
अभिसरण (Convergence): प्रस्तावित एल्गोरिदम तेजी से अभिसरण करता है (आमतौर पर 6–10 पुनरावृत्तियों के भीतर), जो इसकी कम्प्यूटेशनल दक्षता को प्रदर्शित करता है।

5. महत्व (Significance)

यह कार्य निष्क्रिय बुद्धिमान सतहों (passive intelligent surfaces) में एकीकृत सक्रिय सुरक्षा उपायों (active security measures) की क्षमता को उजागर करता है। RIS तत्वों को जैमर के रूप में कार्य करने में सक्षम बनाकर, यह सिस्टम RIS को एक निष्क्रिय सिग्नल एनहांसर से एक सक्रिय सुरक्षा संपत्ति (active security asset) में बदल देता है। यह दृष्टिकोण 6G नेटवर्क के लिए एक मजबूत समाधान प्रदान करता है, जो पूर्ण-स्थान कवरेज (STAR-RIS के माध्यम से) और अतिरिक्त सक्रिय हार्डवेयर या जटिल रिले नेटवर्क की आवश्यकता के बिना उन्नत फिजिकल लेयर सुरक्षा प्रदान करता है। प्रस्तावित पेनल्टी-बेस्ड AO एल्गोरिदम ऐसे उन्नत सुरक्षित संचार प्रणालियों को तैनात करने के लिए एक व्यावहारिक, कम-जटिलता वाला तरीका प्रदान करता है।