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Multi-Sensor Integrated Sensing and Communication for Critical Infrastructure Protection

यह शोध पत्र ड्रोन खतरों के विरुद्ध महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचे की सुरक्षा बढ़ाने के लिए सहकारी निष्क्रिय स्निफर्स (cooperative passive sniffers) का उपयोग करते हुए एक वितरित मल्टी-सेंसर इंटीग्रेटेड सेंसिंग एंड कम्युनिकेशन (MS-ISAC) आर्किटेक्चर प्रस्तावित करता है, जो पारंपरिक क्वासी-मोनोस्टैटिक दृष्टिकोणों की तुलना में इसकी बेहतर कवरेज और ज्यामितीय सटीकता को प्रदर्शित करता है।

मूल लेखक: Reiner Thomä, Gerd Sommerkorn, Christian Schneider, Thomas Dallmann

प्रकाशित 2026-06-30

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Reiner Thomä, Gerd Sommerkorn, Christian Schneider, Thomas Dallmann

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

यहाँ सरल भाषा और रोज़मर्रा के उदाहरणों का उपयोग करके शोध पत्र (paper) का स्पष्टीकरण दिया गया है।

बड़ी तस्वीर: चालाक ड्रोन्स से संवेदनशील स्थलों की सुरक्षा

कल्पना कीजिए कि आपके पास एक बहुत ही मूल्यवान बगीचा है (जैसे कि एक सोलर फार्म या पावर प्लांट) जिसे आपको अनधिकृत ड्रोन्स से बचाने की ज़रूरत है। ये ड्रोन्स बहुत चालाक हैं: वे अपने स्वयं के रेडियो सिग्नल चालू नहीं करते हैं, इसलिए आप उन्हें एक मानक रेडियो स्कैनर के साथ "सुन" नहीं सकते। आपको उन्हें देखने का एक ऐसा तरीका चाहिए जिससे उन्हें पता न चले कि उन पर नज़र रखी जा रही है।

यह शोध पत्र इसे करने का एक नया तरीका प्रस्तावित करता है, जिसमें पहले से मौजूद सेल फोन नेटवर्क (4G/5G) का उपयोग किया जाता है जो हर जगह मौजूद है। महंगे, समर्पित रडार टावरों को बनाने के बजाय, लेखक सेल नेटवर्क को एक विशाल, अदृश्य रडार सिस्टम में बदलने का सुझाव देते हैं।

"पुराने" तरीके की समस्या (एक अकेली टॉर्च)

वर्तमान में, कई लोग ऐसा करने के बारे में सोचते हैं कि सेल फोन टावर के ठीक बगल में एक विशेष सुनने वाला उपकरण (listening device) लगाया जाए।

उपमा (Analogy): कल्पना कीजिए कि सेल टावर एक विशाल टॉर्च है जो रोशनी की एक किरण बिखेर रही है। सुनने वाला उपकरण उस टॉर्च के ठीक बगल में रखी एक कैमरा है।
खामी: यदि आप एक अंधा कर देने वाली टॉर्च के बिल्कुल पास खड़े हैं, तो उस रोशनी के बीच किसी और चीज़ को देखना कठिन होता है क्योंकि रोशनी बहुत तेज़ होती है और आपकी आँखों को चौंधिया देती है (इसे "सेल्फ-इंटरफेरेंस" या स्व-हस्तक्षेप कहा जाता है)। साथ ही, टॉर्च के ठीक बगल में रखा कैमरा केवल यह बता सकता है कि कोई वस्तु कितनी दूर है, लेकिन यह बताने में संघर्ष करता है कि वह वास्तव में कहाँ है या कितनी तेज़ी से बगल से गुज़र रही है। यह एक ऐसी कार की गति का अंदाज़ा लगाने जैसा है जो सीधे आपकी ओर आ रही है बनाम वह जो आपके बगल से गुज़र रही है; जब आप हेडलाइट्स के ठीक सामने होते हैं तो यह समझना बहुत कठिन होता है।

नया विचार: "डिस्ट्रीब्यूटेड स्निफर्स" (जासूसों की एक टीम)

लेखक एक अलग सेटअप का प्रस्ताव करते हैं। एक टावर के पास एक अकेले सुनने वाले उपकरण के बजाय, वे सुरक्षित बगीचे के चारों ओर तीन या अधिक छोटे सुनने वाले उपकरण (जिन्हें "स्निफर्स" कहा जाता है) लगाने का सुझाव देते हैं।

उपमा: कल्पना कीजिए कि सेल टावर अभी भी एक टॉर्च है, लेकिन एक कैमरे के बजाय, आपके पास बगीचे के अलग-अलग कोनों पर तीन जासूस खड़े हैं।
यह कैसे काम करता है:
1. सेल टावर बगीचे के ऊपर अपना सिग्नल (रोशनी) बिखेरता है।
2. ड्रोन्स इस सिग्नल को परावर्तित (reflect) करते हैं (जैसे दर्पण प्रकाश को परावर्तित करता है)।
3. तीन जासूस अपने अलग-अलग स्थानों से परावर्तित सिग्नल को पकड़ते हैं।
4. वे इस डेटा को वापस टावर पर भेजते हैं ताकि इसे मिलाया जा सके।

यह टीम वाला दृष्टिकोण बेहतर क्यों है

यह पेपर तर्क देता है कि यह "मल्टी-सेंसर" दृष्टिकोण एकल श्रोता (single listener) की तुलना में तीन मुख्य महाशक्तियाँ रखता है:

1. बेहतर सुनना (सिग्नल स्ट्रेंथ)

उपमा: यदि आप एक स्पीकर से दूर खड़े हैं, तो संगीत धीमा सुनाई देता है। लेकिन यदि आपके तीन दोस्त स्टेज के बिल्कुल पास खड़े हैं, तो वे संगीत को तेज़ और स्पष्ट रूप से सुनते हैं।
विज्ञान: क्योंकि स्निफर्स बगीचे (लक्ष्य) के करीब हैं और टावर उनसे दूर है, इसलिए सिग्नल को सुनने वाले तक पहुँचने के लिए बहुत लंबी दूरी तय नहीं करनी पड़ती। इसका मतलब है कि ड्रोन से मिलने वाली "गूँज" (echo) उस स्थिति की तुलना में बहुत अधिक मजबूत और स्पष्ट होती है जब सुनने वाला टावर के पास फँसा हो।

2. कोई चकाचौंध नहीं (कम हस्तक्षेप)

उपमा: जासूस टॉर्च से इतनी दूर हैं कि सीधी रोशनी उनके कैमरों को अंधा नहीं कर पाती। वे स्रोत की चमक के बिना ड्रोन से होने वाले परावर्तन को स्पष्ट रूप से देख सकते हैं।
विज्ञान: यह "सेल्फ-इंटरफेरेंस" की समस्या को दूर करता है। सिस्टम आसानी से टावर से आने वाले सीधे सिग्नल और ड्रोन से टकराकर आने वाले सिग्नल के बीच अंतर कर सकता है।

3. सटीक 3D ट्रैकिंग (ट्रायंगुलेशन)

उपमा: यदि एक व्यक्ति पक्षी को देख रहा है, तो वह अंदाज़ा लगा सकता है कि वह कितनी दूर है, लेकिन वह यह बताने में गलत हो सकता है कि वह किस दिशा में जा रहा है। यदि आपके पास अलग-अलग कोणों पर तीन लोग हैं, तो वे सभी पक्षी की ओर इशारा कर सकते हैं, और जहाँ उनकी उंगलियाँ मिलती हैं, वहीं पक्षी का सटीक स्थान होता है।
विज्ञान: तीन अलग-अलग कोणों से प्राप्त डेटा को मिलाकर, सिस्टम दिशा का अनुमान लगाने के लिए जटिल, महंगे उपकरणों की आवश्यकता के बिना ड्रोन की सटीक 3D स्थिति और गति की गणना कर सकता है। यह लक्ष्य को सटीक रूप से खोजने के लिए गणित (जिसे "मल्टीलेटरेशन" कहा जाता है) का उपयोग करता है।

"पैसिव" (निष्क्रिय) रहस्य

इस प्रणाली का एक मुख्य हिस्सा यह है कि स्निफर्स पैसिव (passive) हैं।

उपमा: स्निफर्स यह देखने के लिए ड्रोन को चिल्लाकर नहीं बताते कि वह वहाँ है या नहीं (क्योंकि इससे उनकी उपस्थिति का पता चल जाएगा)। इसके बजाय, वे बस सेल टावर की अन्य फोन के साथ होने वाली सामान्य बातचीत को सुनते हैं। वे ड्रोन के परावर्तन को पकड़ने के लिए नेटवर्क के मौजूदा "शोर" (noise) का उपयोग करते हैं।
लाभ: इसका मतलब है कि इस प्रणाली को सेल टावरों या फोन को बदलने की आवश्यकता नहीं है। यह केवल संरक्षित स्थल के पास इन छोटे सुनने वाले उपकरणों को जोड़ता है। यह घर को दोबारा बनाए बिना दरवाज़े पर मोशन सेंसर लगाने जैसा है।

निष्कर्ष

शोध पत्र यह निष्कर्ष निकालता है कि विशिष्ट, महत्वपूर्ण क्षेत्रों (जैसे सोलर फील्ड या पावर प्लांट) की सुरक्षा के लिए, यह "डिस्ट्रीब्यूटेड मल्टी-सेंसर" दृष्टिकोण पारंपरिक "सिंगल सेंसर" दृष्टिकोण की तुलना में बहुत बेहतर है।

यह अधिक दूर और स्पष्ट रूप से देखता है।
यह गति को अधिक सटीकता से ट्रैक करता है।
यह टावरों के लिए महंगे हार्डवेयर अपग्रेड की आवश्यकता के बिना मौजूदा सेल नेटवर्क का उपयोग करता है।

लेखक सुझाव देते हैं कि हालांकि यह एक साथ पूरे देश को कवर नहीं कर सकता है, लेकिन यह महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचे के चारों ओर एक सुरक्षित "बाड़" (fence) बनाने के लिए एकदम सही समाधान है, और बाद में अधिक सेल साइटों को सुनने वाले पोस्ट के रूप में उपयोग करके इसे विस्तारित किया जा सकता है।

तकनीकी सारांश: महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचे के संरक्षण के लिए मल्टी-सेंसर इंटीग्रेटेड सेंसिंग एंड कम्युनिकेशन

समस्या विवरण
अनमैन्ड एरियल व्हीकल्स (UAVs) का प्रसार महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचे (CI), जिसमें ऊर्जा, परिवहन और रक्षा सुविधाएं शामिल हैं, के लिए एक सुप्त खतरा प्रस्तुत करता है। रिमोट-नियंत्रित ड्रोन को रेडियो निगरानी के माध्यम से पता लगाया जा सकता है, लेकिन दुर्भावनापूर्ण "पैसिव" (passive) ड्रोन जो कोई सक्रिय सिग्नल प्रसारित नहीं करते हैं, उन्हें रडार-आधारित पहचान की आवश्यकता होती है। हालांकि, मौजूदा सरकारी एयर-ट्रैफिक कंट्रोल सिस्टम में निचले वायुमंडल (U-Space) की व्यापक निगरानी के लिए आवश्यक सर्वव्यापी, स्केलेबल और लागत प्रभावी कवरेज का अभाव है। समर्पित रडार प्रणालियाँ फ्रीक्वेंसी स्पेक्ट्रम की उपलब्धता, नियामक बाधाओं और आर्थिक व्यवहार्यता जैसी सीमाओं का सामना करती हैं। जबकि इंटीग्रेटेड सेंसिंग एंड कम्युनिकेशन (ISAC) मोबाइल नेटवर्क इंफ्रास्ट्रक्चर का पुन: उपयोग करके एक समाधान प्रदान करता है, वर्तमान प्रस्ताव अक्सर एक 'क्वासी-मोनोस्टैटिक' (quasi-monostatic) आर्किटेक्चर पर निर्भर करते हैं। इस सेटअप में, एक एकल "स्निफर" (sniffer) सेंसर बेस स्टेशन (BS) के पास स्थित होता है। यह दृष्टिकोण महत्वपूर्ण कमियां झेलता है: मजबूत सेल्फ-इंटरफेरेंस (डायरेक्ट फीड-थ्रू), सीमित बीमफॉर्मिंग रेजोल्यूशन के कारण खराब डायरेक्शन ऑफ अराइवल (DoA) अनुमान, क्रॉस-रेंज डॉप्लर शिफ्ट को मापने में असमर्थता, और विश्वसनीय 3D लोकलाइजेशन के लिए ज्यामितीय डिग्री ऑफ फ्रीडम की कमी।

कार्यप्रणाली
लेखक एक वितरित मल्टी-सेंसर ISAC (MS-ISAC) आर्किटेक्चर का प्रस्ताव करते हैं, जिसे विशेष रूप से मल्टी-सेंसर यूजिंग यूजर इक्विपमेंट (MSUE)-ISAC कहा जाता है। सेंसर को BS के पास रखने के बजाय, यह दृष्टिकोण प्रोटेक्टेड साइट (PS) के आसपास रणनीतिक स्थानों पर तीन या अधिक समर्पित पैसिव "स्निफर" सेंसर (जो मानक यूजर इक्विपमेंट के रूप में कार्य करते हैं) तैनात करता है।

आर्किटेक्चर: स्निफर्स एक दूरस्थ इल्यूमिनेशन बेस स्टेशन (gNB) के माध्यम से मानक डाउनलिंक (DL) और अपलिंक (UL) चैनलों से जुड़ते हैं। gNB मौजूदा 4G/5G सिग्नलिंग (PDSCH डेटा स्ट्रीम और रेफरेंस सिग्नल) का उपयोग करके क्षेत्र को इल्यूमिनेट करता है।
सेंसिंग सिद्धांत: सिस्टम कोऑपरेटिव पैसिव कोहेरेंट लोकेशन (CPCL) के सिद्धांत पर कार्य करता है। स्निफर्स DL सिग्नल और टारगेट इकोज (target echoes) प्राप्त करते हैं। वे BS से डायरेक्ट लाइन-ऑफ-साइट (LOS) पथ के सापेक्ष अतिरिक्त टाइम ऑफ फ्लाइट (eToF) और अतिरिक्त डॉप्लर (eDoppler) का अनुमान लगाने के लिए स्थानीय प्रसंस्करण (local processing) करते हैं।
डेटा फ्यूजन: स्थानीय अनुमानों को UL के माध्यम से gNB (या एज क्लाउड) को ट्रांसमिट किया जाता है, जहाँ सभी स्निफर्स के डेटा को फ्यूज किया जाता है। यह मल्टीलेटरेशन प्रक्रिया बिना DoA अनुमान के पूर्ण 3D डायनेमिक टारगेट स्टेट वेक्टर (स्थिति और वेग) की गणना करने की अनुमति देती है।
सिग्नल प्रोसेसिंग: सेंसिंग के डायनेमिक रेंज आवश्यकताओं को संभालने के लिए, पेपर एक "टर्बो CPCL" रिट्रीवल प्रक्रिया का प्रस्ताव करता है। इसमें दो-चरणीय इक्वलाइज़ेशन प्रक्रिया शामिल है: पहले मानक चैनल स्टेट इंफॉर्मेशन (CSI) का उपयोग करके प्रारंभिक सिग्नल रिकवरी, और दूसरा, अनुमानित कम्युनिकेशन डेटा का उपयोग करके कोरिलेशन रेफरेंस को परिष्कृत करना, जिससे सिग्नल-टू-नॉइज़ रेशियो (SNR) को अधिकतम किया जा सके।

प्रमुख योगदान

आर्किटेक्चरल शिफ्ट: पेपर एक वितरित मल्टी-स्टैटिक आर्किटेक्चर के पक्ष में वकालत करता है, यह प्रदर्शित करते हुए कि स्निफर्स को टारगेट एरिया के पास रखने से (बजाय BS के) प्रदर्शन में मौलिक सुधार होता है।
प्रदर्शन विश्लेषण: लेखक कवरेज और ज्योमेट्रिक डाइल्यूशन ऑफ प्रिसिजन (GDoP) का तुलनात्मक विश्लेषण प्रदान करते हैं। वे दिखाते हैं कि वितरित दृष्टिकोण मोनोस्टैटिक सेटअप के सेल्फ-इंटरफेरेंस मुद्दों से बचता है और मल्टीलेटरेशन के माध्यम से पूर्ण 3D लोकलाइजेशन सक्षम करता है।
संसाधन दक्षता: प्रस्ताव मौजूदा 4G/5G रेडियो सिग्नलिंग स्कीमों और मानक UE हार्डवेयर का उपयोग करता है, जिसके लिए BS हार्डवेयर या आंतरिक रेडियो एक्सेस नेटवर्क (RAN) प्रोटोकॉल में किसी संशोधन की आवश्यकता नहीं है।
स्केलेबिलिटी अवधारणाएं: पेपर एक पदानुक्रमित विस्तार रणनीति को रेखांकित करता है, जो स्थानीय हॉटस्पॉट से लेकर वाइड-एरिया मॉनिटरिंग तक कवरेज का विस्तार करने के लिए "अम्ब्रेला सेल्स" और कोऑपरेटिव मल्टी-पॉइंट (CoMP) नेटवर्क (MSRU-ISAC) के अनुकूलन का सुझाव देता है।

परिणाम
एक यथार्थवादी परिदृश्य (एक 500 मीटर के सोलर फील्ड की सुरक्षा करना जहाँ BS ~800 मीटर दूर स्थित है) पर किए गए सिमुलेशन निम्नलिखित निष्कर्ष देते हैं:

प्राप्त शक्ति (Received Power): मल्टीस्टैटिक कॉन्फ़िगरेशन वितरित सेटअप में मोनोस्टैटिक केस की तुलना में संरक्षित क्षेत्र के भीतर लगातार उच्च प्राप्त शक्ति ( $P_r$ ) प्रदान करता है। यह वितरित सेटअप में छोटे टारगेट-टू-रिसीवर दूरियों ( $R_{s \to r}$ ) के कारण है, जो मोनोस्टैटिक रडार समीकरणों में निहित $R^4$ पाथ लॉस पेनल्टी को कम करता है।
रेंज रेशियो: ज्यामितीय लाभ को रेंज रेशियो $a = R_{t \to s} / R_{s \to r}$ द्वारा क्वांटिफाई किया गया है। वितरित सेटअप में, $a > 1$ है, जो प्राप्त शक्ति समीकरण में $+20 \log_{10}(a)$ का गेन टर्म प्रदान करता है।
लोकलाइजेशन सटीकता: वितरित ज्यामिति हॉरिजॉन्टल डाइल्यूशन ऑफ प्रिसिजन (HDoP) को काफी कम कर देती है। कई कोणों से माप को फ्यूज करके, सिस्टम स्थिति और गति के लिए कम अनुमान विचरण (estimation variance) प्राप्त करता है, जो क्रैमर-राओ लोअर बाउंड (CRLB) का पालन करता है।
फ्रीक्वेंसी बैंड्स: परिणाम बताते हैं कि FR1 लो/मिड-बैंड में कम ऑपरेटिंग फ्रीक्वेंसी भी ISAC के लिए व्यवहार्य है। हालांकि वे कम बैंडविड्थ प्रदान करती हैं, लेकिन अनुकूलित स्निफर प्लेसमेंट के माध्यम से प्राप्त उच्च SNR, कम रेजोल्यूशन की भरपाई करता है, और कम एंटीना डायरेक्टिविटी सटीक टारगेट बीम सर्च की आवश्यकता को कम करती है।

महत्व और दावे
पेपर का दावा है कि वितरित MSUE-ISAC दृष्टिकोण कवरेज और लोकलाइजेशन सटीकता में पारंपरिक क्वासी-मोनोस्टैटिक ISAC की तुलना में बेहतर प्रदर्शन करते हुए, CI संरक्षण के लिए एक व्यावहारिक, स्केलेबल समाधान प्रदान करता है। इसका महत्व निम्नलिखित में निहित है:

एक "सेंसिंग एज़ अ सर्विस" मॉडल प्रदान करना जहाँ मोबाइल नेटवर्क ऑपरेटर्स (MNOs) मौजूदा इंफ्रास्ट्रक्चर को बदले बिना सेंसिंग गुणवत्ता का प्रबंधन कर सकते हैं।
कई सेंसरों के डायवर्सिटी गेन और अनुकूलित बाइस्टैटिक ज्यामिति के उच्च SNR का लाभ उठाकर पैसिव ड्रोन की "स्टील्थ" समस्या को हल करना।
स्थानीय ISAC क्लस्टर्स से संकुचित डेटा को एकत्रित करके व्यापक स्थितिजन्य जागरूकता (situational awareness) सक्षम करना, जिसे संभावित रूप से बाहरी स्रोतों के साथ फ्यूज किया जा सकता है।

लेखक वाइड-एरिया कवरेज के संबंध में विनम्र रहते हैं, यह स्वीकार करते हुए कि समर्पित स्निफर्स परिभाषित, सीमित क्षेत्रों के लिए सबसे उपयुक्त हैं। वे प्रस्तावित करते हैं कि व्यापक कवरेज के लिए, अवधारणा को मौजूदा स्मॉल-सेल साइटों और CoMP आर्किटेक्चर का उपयोग करने वाले एक पदानुक्रमित नेटवर्क में विकसित होना चाहिए, न कि केवल यह दावा करना कि वर्तमान वितरित स्निफर सेटअप अकेले वाइड-एरिया मॉनिटरिंग चुनौतियों को हल करता है।