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SNF-PRP: A Covert Integrating Sensing and Communications Framework

यह शोध पत्र SNF-PRP को प्रस्तुत करता है, जो OFDM प्रणालियों के लिए एक गुप्त एकीकृत संवेदन और संचार (Integrated Sensing and Communications) ढांचा है, जो ऊर्जा-पता लगाने वाले विरोधियों (energy-detection adversaries) के विरुद्ध सख्त गोपनीयता बाधाओं को पूरा करते हुए, उच्च सटीकता के साथ अविनाशी संवेदन प्राप्त करने के लिए सब-नॉइज़-फ्लोर छद्म-यादृच्छिक अन्वेषण (sub-noise-floor pseudo-random probing) और स्प्रेडिंग गेन का उपयोग करता है।

मूल लेखक: Dhrumil Bhatt, Vidushi Kumar

प्रकाशित 2026-06-03

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Dhrumil Bhatt, Vidushi Kumar

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 बहुत ही शोर-शराबे वाले, भीड़भाड़ वाले कमरे में एक गुप्त बातचीत सुनने की कोशिश कर रहे हैं। आमतौर पर, गुप्त बात सुनने के लिए आपको चिल्लाना पड़ता है, जिससे तुरंत बाकी सबको पता चल जाता है, "अरे, मैं सुन रहा हूँ!" या यहाँ तक कि "मैं जासूसी कर रहा हूँ!"

यह शोध पत्र एक नया तरीका पेश करता है जिससे आप बिना किसी को पता चले एक ही समय में "सुनने" (वातावरण को महसूस करने/सेंस करने) और "बात करने" (डेटा भेजने) का काम कर सकते हैं। लेखक इसे SNF-PRP (Sub-Noise-Floor Pseudo-Random Probing) कहते हैं।

यह कैसे काम करता है, इसे सरल अवधारणाओं और उपमाओं के माध्यम से यहाँ समझाया गया है:

1. समस्या: "फ्लैशलाइट" प्रभाव (The "Flashlight" Effect)

आधुनिक वायरलेस सिस्टम (जैसे 5G) में, डिवाइस अक्सर अपने आस-पास की चीजों को "सेंस" करने के लिए विशेष संकेतों को भेजते हैं, जैसे कि किसी कार की गति या दूरी का पता लगाना।

समस्या: ये संकेत एक अंधेरे कमरे में तेज़ फ्लैशलाइट चमकाने की तरह हैं। भले ही आप छिपने की कोशिश कर रहे हों, लेकिन वह रोशनी खुद आपको उजागर कर देती है। एक "पैसिव वॉचर" (एक दुश्मन या जासूस) उस रोशनी को देख सकता है और जान सकता है कि, "कोई यहाँ कुछ सेंस कर रहा है," भले ही वह यह न सुन सके कि क्या कहा जा रहा है।
मौजूदा समाधान: मौजूदा तरीके संदेश को प्रकाश के भीतर छिपाने की कोशिश करते हैं, लेकिन प्रकाश स्वयं अभी भी दिखाई देता है।

2. समाधान: "हवा में फुसफुसाहट" (The "Whisper in the Wind")

लेखक एक ऐसी तरकीब प्रस्तावित करते हैं जहाँ सेंसिंग सिग्नल इतना शांत होता है कि वह प्राकृतिक बैकग्राउंड शोर के नीचे दब जाता है।

उपमा: कल्पना कीजिए कि कमरे का बैकग्राउंड शोर पेड़ों के बीच से बहने वाली हवा की आवाज़ है। नया तरीका एक ऐसी "फुसफुसाहट" भेजता है जो हवा की आवाज़ से भी धीमी है। जो कोई भी केवल हवा को सुन रहा है, उसे यह बिल्कुल हवा जैसा ही सुनाई देगा। इससे कोई अतिरिक्त "सरसराहट" या "क्लिक" नहीं होगा जिससे किसी को सतर्कता का संकेत मिले।
गुप्त कुंजी (The Secret Key): केवल इच्छित रिसीवर (जो "अच्छा व्यक्ति" है) के पास एक विशेष गुप्त कोड (एक क्रिप्टोग्राफिक सीड) होता है।
- अच्छा व्यक्ति: कोड जानता है। वह हवा और सामान्य बातचीत को फ़िल्टर कर सकता है, जिससे केवल फुसफुसाहट का विशिष्ट पैटर्न बच जाता है। इसके बाद वह "सेंसिंग" जानकारी (जैसे कि कोई वस्तु कितनी दूर है) को फिर से बना सकता है।
- बुरा व्यक्ति (Willie): उसके पास कोड नहीं है। उसके लिए, फुसफुसाहट बिल्कुल रैंडम स्टैटिक (शोर) जैसी दिखती है। वह सिग्नल और शोर के बीच अंतर नहीं कर सकता।

3. यह कैसे काम करता है: "पहेली के टुकड़े" वाली तरकीकी (The "Puzzle Piece" Trick)

यह सिस्टम OFDM तकनीक का उपयोग करता है (जो 5G और Wi-Fi में उपयोग की जाती है), जो डेटा को कई छोटे फ्रीक्वेंसी चैनलों (सबकैरियर्स) में विभाजित करती है।

सिग्नल का प्रसार (Spreading the Signal): पूरे फुसफुसाहट को एक ही चैनल पर रखने के बजाय, सिस्टम फुसफुसाहट के बहुत छोटे-छोटे अंशों को सैकड़ों चैनलों में फैला देता है।
लाभ (The Gain): इसे एक पहेली की तरह समझें। बुरा व्यक्ति फर्श पर बिखरे हुए सैकड़ों छोटे, रैंडम पहेली के टुकड़ों को देखता है। वे कचरे की तरह दिखते हैं। हालाँकि, अच्छे व्यक्ति के पास बॉक्स पर बनी तस्वीर (गुप्त सीड) होती है। वह उन टुकड़ों को उठा सकता है, उन्हें आपस में फिट कर सकता है, और अचानक तस्वीर (सेंसिंग डेटा) स्पष्ट हो जाती है।
परिणाम: आप जितने अधिक टुकड़ों (सबकैरियर्स) का उपयोग करेंगे, बुरे व्यक्ति के लिए पैटर्न को पहचानना उतना ही कठिन होगा, लेकिन अच्छे व्यक्ति के लिए पहेली को हल करना उतना ही आसान होगा।

4. ट्रेड-ऑफ: धैर्य बनाम गोपनीयता (The Trade-Off: Patience vs. Stealth)

यह शोध पत्र एक विशिष्ट ट्रेड-ऑफ को उजागर करता है, जिसे वे एक "तीन-तरफा संतुलन" कहते हैं:

गहराई में जाना: यदि आप फुसफुसाहट को अधिक शांत (अधिक छिपा हुआ) बनाते हैं, तो यह बुरे व्यक्ति के लिए और भी कठिन हो जाता है कि वह इसे डिटेक्ट कर सके।
लागत (The Cost): क्योंकि सिग्नल बहुत धीमा है, इसलिए अच्छे व्यक्ति को पहेली को हल करने के लिए पर्याप्त टुकड़े इकट्ठा करने हेतु लंबे समय तक सुनने की आवश्यकता होती है।
जादू: लेखक यह सिद्ध करते हैं कि भले ही आप अधिक प्रतीक्षा करें, अंतिम तस्वीर की गुणवत्ता खराब नहीं होती है। आपको बस अधिक धैर्यवान होना होगा।
- उदाहरण: यदि आप -12 डेसिबल (बहुत शांत) पर फुसफुसाते हैं, तो आपको एक स्पष्ट रीडिंग प्राप्त करने के लिए लगभग 191 "फ्रेम्स" (5G में एक विशिष्ट समय इकाई) तक इंतजार करना पड़ सकता है। लेकिन एक बार जब आप ऐसा कर लेते हैं, तो आपकी रीडिंग उतनी ही सटीक होती है जितनी कि चिल्लाने से होती।

5. परिणाम: क्या यह काम कर गया?

लेखकों ने इसका परीक्षण 5G मानकों (विशेष रूप से n78 बैंड, जो 5G में आम है) का उपयोग करके किया।

गोपनीयता (Stealth): उन्होंने सेंसिंग सिग्नल को इतनी अच्छी तरह से छिपाया कि इसकी गणितीय "डिटेक्टेबिलिटी" स्कोर उस सीमा से 5.8 गुना कम था जहाँ एक देखने वाला संदेह करना शुरू कर देता है।
सटीकता (Accuracy): शोर में गहराई से दबे होने के बावजूद, वे 0.5 मीटर से कम की सटीकता के साथ दूरी और 0.5 मीटर प्रति सेकंड से कम की सटीकता के साथ गति को माप सके।
तुलना: पिछले तरीकों में संदेश को तो छिपाया जा सकता था लेकिन सेंस करने की क्रिया को नहीं। यह तरीका सेंस करने की क्रिया को ही छिपा देता है।

सारांश

यह शोध पत्र 5G संकेतों का उपयोग करके दुनिया को "देखने" का एक नया तरीका प्रस्तुत करता है बिना किसी को पता चले कि आप देख रहे हैं। यह काम इसलिए करता है क्योंकि यह सेंसिंग सिग्नल को बैकग्राउंड शोर में इतनी गहराई से छिपा देता है कि बाहरी व्यक्ति के लिए यह कुछ भी नहीं लगता, जबकि एक भरोसेमंद रिसीवर एक गुप्त कुंजी का उपयोग करके सिग्नल को फिर से जोड़ने के लिए टुकड़ों को इकट्ठा करता है। एकमात्र लागत यह है कि रिसीवर को स्पष्ट तस्वीर पाने के लिए थोड़ा अधिक इंतजार करना पड़ता है, लेकिन तस्वीर उतनी ही स्पष्ट होती है जितनी कि सिग्नल तेज़ होने पर होती।

तकनीकी सारांश: SNF-PRP – एक गुप्त एकीकृत संवेदन और संचार ढांचा (A Covert Integrating Sensing and Communications Framework)

समस्या विवरण
एकीकृत संवेदन और संचार (ISAC) प्रणालियाँ एक साथ पर्यावरणीय धारणा (environmental perception) और डेटा ट्रांसमिशन को सक्षम करती हैं, लेकिन ये एक महत्वपूर्ण सुरक्षा भेद्यता (vulnerability) भी उत्पन्न करती हैं: संवेदन तरंगों (sensing waveforms) को जानबूझकर प्रसारित किया जाता है, जिससे न केवल अंतर्निहित जानकारी बल्कि यह तथ्य भी उजागर हो जाता है कि संवेदन की प्रक्रिया चल रही है। ISAC में मौजूदा फिजिकल लेयर सिक्योरिटी (PLS) दृष्टिकोण मुख्य रूप से बीमफॉर्मिंग, आर्टिफिशियल नॉइज़ या रीकॉन्फिगरेबल इंटेलिजेंट सरफेस के माध्यम से डेटा पेलोड की सुरक्षा पर ध्यान केंद्रित करते हैं। हालाँकि, ये विधियाँ आमतौर पर शोर के स्तर (noise floor) से ऊपर संचालित होती हैं, जिससे संवेदन गतिविधि ऊर्जा डिटेक्शन (energy detection) का उपयोग करने वाले एक निष्क्रिय वार्डन (Willie) के लिए पता लगाने योग्य बनी रहती है। वर्तमान साहित्य में एक ऐसा औपचारिक ढांचा (formal framework) का अभाव है जो केवल संचार चैनल के बजाय विशेष रूप से संवेदन तरंग (sensing waveform) के लिए एक प्रमाणित गोपनीयता गारंटी (provable covertness guarantee) प्रदान कर सके।

कार्यप्रणाली: सब-नॉइज़-फ्लोर स्यूडो-रैंडम प्रोबिंग (SNF-PRP)
यह शोध पत्र SNF-PRP का प्रस्ताव करता है, जो एक ढांचा है जिसे विशेष रूप से सब-6 GHz बैंड में संचालित होने वाले OFDM-आधारित ISAC सिस्टम (विशेष रूप से 5G NR) के लिए डिज़ाइन किया गया है। मुख्य तंत्र में एक मानक डाउनलिंक वेवफॉर्म पर एक क्रिप्टोग्राफिक रूप से सीडेड स्यूडो-रैंडम नॉइज़ (PRN) अनुक्रम को एक ऐसे पावर लेवल पर सुपरइम्पोज़ करना शामिल है जो स्ट्रिक्टली तौर पर इंस्टेंटेनियस नॉइज़ फ्लोर से नीचे है।

सिग्नल मॉडल: प्रसारित सिग्नल संचार डेटा और प्रोबिंग सिग्नल का सुपरपोजिशन है ( $X[m] = X_c[m] + X_p[m]$ )। प्रोब पावर $P_p$ को $\Delta_p \sigma^2$ के रूप में परिभाषित किया गया है, जहाँ $\Delta_p < 1$ है, यह सुनिश्चित करता है कि प्रत्येक सबकैरियर पर प्रोब शोर $\sigma^2$ के नीचे दबा हुआ है।
वैध रिसीवर (Legitimate Receiver): एक वैध संवेदन नोड बेस स्टेशन के साथ एक पूर्व-वितरित क्रिप्टोग्राफिक सीड $s$ साझा करता है। इस सीड का उपयोग करके, रिसीवर सटीक PRN टेम्पलेट को पुन: उत्पन्न करता है और कोहेरेंट मैचड फ़िल्टरिंग और मल्टी-सिंबल एक्यूमुलेशन लागू करता है। यह प्रक्रिया संवेदन मापदंडों (रेंज और वेलोसिटी) को सफलतापूर्वक पुनर्प्राप्त करती है, जिससे सिग्नल-टू-नॉइज़ रेशियो (SNR) में प्रभावी रूप से वृद्धि होती है, जो प्रारंभिक पावर घाटे की भरपाई करती है।
विरोधी मॉडल (Adversary Model): एक निष्क्रिय वार्डन (Willie), जिसके पास सीड नहीं है, कोहेरेंट प्रोसेसिंग नहीं कर सकता। Willie को इनकोहेरेंट रेडियोमेट्रिक एनर्जी डिटेक्शन (जटिल गासियन वितरणों के बीच भिन्नता को पहचानने के लिए इष्टतम नेيمان-पियर्सन टेस्ट) तक सीमित रखा गया है। इस मॉडल के तहत, प्रोब थर्मल नॉइज़ के सांख्यिकीय रूप से अविभेद्य (indistinguishable) है।
गोपनीयता मीट्रिक (Covertness Metric): गोपनीयता को शोर-मात्र ( $H_0$ ) और प्रोब-उपस्थित ( $H_1$ ) के बीच कुलबैक-लीब्लर (KL) डाइवर्जेंस ( $D_{KL}$ ) का उपयोग करके मापा जाता है। सिस्टम का लक्ष्य $D_{KL} \leq \epsilon$ को संतुष्ट करना है।

प्रमुख योगदान

प्रथम प्रमाणित संवेदन गोपनीयता: लेखकों की जानकारी के अनुसार, यह पहला ढांचा है जो सीधे KL डाइवर्जेंस गोपनीयता मानदंड को संवेदन प्रोब वेवफॉर्म पर लागू करता है, जिससे यह गारंटी मिलती है कि संवेदन की प्रक्रिया ही पता लगाने योग्य नहीं है, न कि केवल डेटा पेलोड।
$N_{sc}$ -फोल्ड स्प्रेडिंग गेन: शोध पत्र पिछले वाइडबैंड विश्लेषणों में अनुपस्थित $N_{sc}$ (FFT आकार) के स्प्रेडिंग गेन की पहचान करता है। प्रोब को सभी सबकैरियर्स पर समान रूप से वितरित करके, KL डाइवर्जेंस को $N_{sc}$ के कारक से दबा दिया जाता है, जिससे विशिष्ट 5G NR कॉन्फ़िगरेशन में $10^6$ से अधिक का करेक्शन फैक्टर प्राप्त होता है।
क्लोज्ड-फॉर्म ट्रेड-ऑफ विश्लेषण: लेखक लक्षित क्रैमर-राओ बाउंड (CRB) प्राप्त करने के लिए आवश्यक न्यूनतम एकीकरण लंबाई ( $N^*$ ) के लिए एक क्लोज्ड-फॉर्म अभिव्यक्ति व्युत्पन्न करते हैं। वे प्रोबिंग पावर ( $\Delta_p$ ), एकीकरण लंबाई ( $N^*$ ), और डॉप्लर रेजोल्यूशन ( $\delta_v$ ) के बीच एक त्रिपक्षीय संबंध स्थापित करते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, वे सिद्ध करते हैं कि आवश्यक एकीकरण लंबाई पर प्रभावी संवेदन SNR, $\Delta_p$ के प्रति अपरिवर्तित (invariant) रहता है; प्रोबिंग पावर को कम करने से गोपनीयता गहरी होती है, लेकिन इसके लिए आनुपातिक रूप से लंबी एकीकरण अवधि की आवश्यकता होती है, जिससे मौलिक अनुमान सटीकता में कोई गिरावट नहीं आती है।

सिमुलेशन परिणाम
सिमुलेशन 5G NR न्यूमरोलॉजी ( $\mu=0$ , 3-3.5 GHz बैंड, n78) का उपयोग करके 0.5 मीटर रेंज सटीकता और 0.5 m/s वेलोसिटी सटीकता के लक्ष्य के साथ किए गए।

व्यवहार्यता (Feasibility): सिस्टम $\Delta_p = -12$ dB और $-15$ dB की प्रोबिंग पावर पर संयुक्त रूप से व्यवहार्य (दोनों संवेदन लक्ष्यों और गोपनीयता बाधाओं को पूरा करना) है। इन स्तरों पर, KL डाइवर्जेंस थ्रेशोल्ड $\epsilon = 0.01$ से काफी नीचे है (जैसे, $-12$ dB पर थ्रेशोल्ड से $5.8 \times$ नीचे)।
प्रदर्शन: $\Delta_p = -12$ dB पर, आवश्यक एकीकरण लंबाई 191 सबफ्रेम (191 ms) है, जो एक पैदल यात्री लक्ष्य (pedestrian target) के कोहेरेंस टाइम के भीतर व्यवहार्य है। यह कॉन्फ़िगरेशन 0.43 मीटर का रेंज CRB और 0.11 m/s का वेलोसिटी CRB प्राप्त करता है।
मोंटे कार्लो सत्यापन: एक संदर्भ ऑपरेटिंग पॉइंट ( $\Delta_p = -9$ dB, 16 सबफ्रेम) पर, रेंज एस्टीमेटर ने 500 परीक्षणों में शून्य RMSE और शून्य बायस प्राप्त किया, जो सही डिले बिन तक नियत लॉकिंग (deterministic locking) की पुष्टि करता है। वेलोसिटी एस्टीमेटर ने फ्रैक्शनल-बिन राउंडिंग के कारण मामूली बायस दिखाया, जो इंटरपोलेशन के माध्यम से सुधारा जा योग्य है।
तुलना: बीम नलिंग या सीक्रेसी रेट्स (जो सिद्धांत रूप में प्रोब को पता लगाने योग्य छोड़ देते हैं) पर निर्भर पिछले कार्यों के विपरीत, SNF-PRP वेवफॉर्म को परिवेशी शोर (ambient noise) से सांख्यिकीय रूप से अविभेद्य बना देता है, जबकि तुलनीय या बेहतर संवेदन सटीकता (पिछले कार्यों के 2–8 मीटर के मुकाबले 0.43 मीटर रेंज) प्राप्त करता है।

महत्व और दावे
शोध पत्र का दावा है कि SNF-PRP इस खुले प्रश्न का उत्तर देता है कि क्या भौतिक परत (physical layer) पर संवेदन को प्रमाणित रूप से अदेखा (undetectable) बनाया जा सकता है। इसका महत्व इस बात में निहित है कि यह सुरक्षा प्रतिमान (paradigm) को क्या सेंस किया जा रहा है, उसे सुरक्षित करने से बदलकर यह छिपाने में स्थानांतरित करता है कि संवेदन हो रहा है। लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि इस प्रमाणित गोपनीयता के लिए एकमात्र समझौता एकीकरण विलंबता (integration latency) में वृद्धि है, न कि संवेदन गुणवत्ता में गिरावट। प्रभावी SNR अपरिवर्तित रहता है, जिसका अर्थ है कि एक बार आवश्यक एकीकरण समय प्राप्त हो जाने के बाद, संवेदन अनुमान की गुणवत्ता बनी रहती है चाहे सिग्नल को कितना भी गहरा दबाया गया हो। यह ढांचा उन प्रणालियों के लिए एक क्वांटिफाइड डिज़ाइन विकल्प प्रदान करता है जिन्हें गुप्त पर्यावरणीय धारणा की आवश्यकता होती है, जो मौजूदा PLS विधियों से अलग है जो केवल संचार गोपनीयता पर ध्यान केंद्रित करते हैं।