Beamforming and Filter Design for Bistatic ISAC under Known and Unknown Transmit Symbols

आधुनिक वायरलेस नेटवर्क के भीड़भाड़ वाले परिदृश्य में, रेडियो स्पेक्ट्रम का हर एक हिस्सा एक बहुमूल्य संसाधन है। दशकों से, इंजीनियरों ने दो महत्वपूर्ण कार्यों—फ़ोनों को डेटा भेजने और कारों या ड्रोन जैसे ऑब्जेक्ट्स का पता लगाने—को अलग-अलग कार्यों के रूप में माना है, जिनमें से प्रत्येक के लिए अपने स्वयं के हार्डवेयर और रेडियो फ्रीक्वेंसी स्पेक्ट्रम के अपने स्वयं के हिस्से की आवश्यकता होती है। यह अलगाव तब अक्षम होता जा रहा है जब तेज़ इंटरनेट और अधिक सटीक सेंसिंग दोनों की मांग बढ़ रही है। एक नया दृष्टिकोण, जिसे एकीकृत सेंसिंग और संचार (इंटीग्रेटेड सेंसिंग एंड कम्युनिकेशंस) के रूप में जाना जाता है, इन दोनों दुनियाओं को मिलाने का प्रयास करता है। बात करने और सुनने के लिए अलग-अलग संकेतों का उपयोग करने के बजाय, यह तकनीक दोनों कार्य एक साथ करने के लिए एक ही साझा सिग्नल का उपयोग करती है। चुनौती इस साझा सिग्नल को इस तरह से डिजाइन करने में है कि वह उपयोगकर्ता के डिवाइस तक जानकारी स्पष्ट रूप से पहुँचा सके और साथ ही दूर स्थित वस्तुओं से इतनी स्पष्टता के साथ टकराकर वापस आए कि उसे रडार सिस्टम द्वारा पहचाना जा सके।

इस अध्ययन के पीछे के शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट और व्यावहारिक व्यवस्था पर ध्यान केंद्रित किया जिसे बाइस्टैटिक सिस्टम (बाइस्टेटिक सिस्टम) कहा जाता है। एक पारंपरिक रडार सेटअप में, ट्रांसमीटर और रिसीवर एक ही स्थान पर होते हैं, जो एक कठिन समस्या पैदा करता है: भेजा गया शक्तिशाली सिग्नल रिसीवर को अभिभूत कर सकता है, ठीक वैसे ही जैसे एक गरजते हुए जेट इंजन के बगल में खड़े होकर फुसफुसाहट सुनने की कोशिश करना। इससे बचने के लिए, एक बाइस्टैटिक सिस्टम ट्रांसमीटर और रिसीवर को एक-दूसरे से दूर रखता है। ट्रांसमीटर, जो आमतौर पर एक सेलुलर बेस स्टेशन होता है, एक ऐसा सिग्नल भेजता है जो दो उद्देश्यों की पूर्ति करता है: यह कई उपयोगकर्ताओं को डेटा प्रदान करता है और वातावरण में लक्ष्यों को प्रकाशित (इल्यूमिनेट) भी करता है। रिसीवर, जो एक अलग स्थान पर स्थित होता है, उन लक्ष्यों से टकराकर वापस आने वाली हल्की गूँज (इकोज़) को पकड़ता है। इस कार्य का लक्ष्य यह पता लगाना था कि बेस स्टेशन से भेजे जाने वाले सिग्नल को कैसे आकार दिया जाए और रिसीवर में सिग्नल को कैसे प्रोसेस किया जाए ताकि संचार की गुणवत्ता और रडार डिटेक्शन प्रदर्शन दोनों यथासंभव बेहतर हों, भले ही सिस्टम सख्त पावर सीमाओं के अधीन हो।

टीम ने दो बहुत ही अलग वास्तविक दुनिया के परिदृश्यों पर विचार करके एक जटिल डिजाइन समस्या का समाधान किया, जो इस बात पर आधारित थे कि रडार रिसीवर को उस सिग्नल के बारे में क्या जानकारी है जिसे वह सुन रहा है। पहले परिदृश्य में, रिसीवर के पास प्रसारित किए जा रहे डेटा सिम्बल्स का पूर्ण ज्ञान होता है; उसे पता होता है कि वास्तव में कौन सा संदेश भेजा गया था। दूसरे, अधिक कठिन परिदृश्य में, रिसीवर को सिम्बल्स के बारे में कोई जानकारी नहीं होती है, जो शायद गोपनीयता प्रतिबंधों या सिस्टमों के बीच समन्वय की कमी के कारण हो सकता है। शोधकर्ताओं ने दोनों मामलों के लिए सिग्नल शेपिंग और फिल्टरिंग प्रक्रिया को अनुकूलित करने के लिए गणितीय विधियों को विकसित किया। उनका लक्ष्य रडार की गूँज की स्पष्टता को अधिकतम करना था, विशेष रूप से सिग्नल-टू-इंटरफेरेंस-प्लस-नॉइज़ रेश्यो (सिग्नल-टू-इंटरफेरेंस-प्लस-नॉइज़ रेशियो) को, जो यह मापता है कि किसी लक्ष्य की गूँज बैकग्राउंड शोर और अन्य हस्तक्षेप वाले सिग्नलों से कितनी अलग है, जबकि यह सुनिश्चित करना भी था कि प्रत्येक संचार उपयोगकर्ता को एक स्पष्ट कनेक्शन प्राप्त हो।

जब सिम्बल्स ज्ञात होते हैं, तो शोधकर्ताओं ने एक प्रत्यक्ष, क्लोज्ड-फॉर्म समाधान में रिसीवर के लिए सर्वोत्तम संभव फ़िल्टर की गणना करने का एक तरीका खोजा। इसके बाद उन्होंने ट्रांसमीटर से भेजे जाने वाले सिग्नल को परिष्कृत करने के लिए एक पुनरावृत्ति (इटरेटिव) प्रक्रिया का उपयोग किया, जिससे संचार लिंक की गुणवत्ता को गिराए बिना रडार की लक्ष्यों को देखने की क्षमता में धीरे-धीरे सुधार हुआ। जब सिम्बल्स अज्ञात होते हैं, तो समस्या काफी कठिन हो जाती है क्योंकि रिसीवर केवल ज्ञात सिग्नल को घटाकर गूँज का पता नहीं लगा सकता है। इस मामले में, टीम ने एक चरण-दर-चरण दृष्टिकोण अपनाया, जिसमें ट्रांसमीटर के सिग्नल और रिसीवर के फ़िल्टर को बारी-बारी से अनुकूलित किया गया। वे एक हिस्से को स्थिर करते, दूसरे के सर्वोत्तम संस्करण के लिए समाधान निकालते और फिर वापस स्विच करते, और इस चक्र को तब तक दोहराते जब तक कि सिस्टम एक स्थिर, उच्च-प्रदर्शन वाली स्थिति में न पहुँच जाए।

उनके सिमुलेशन के परिणाम, जो सोलह एंटेना से लैस एक बेस स्टेशन और एक रिसीवर के साथ संचालित किए गए थे, ने यह स्पष्ट किया कि सिस्टम के पास लक्ष्यों को देखने के लिए कितना समय है, इसके आधार पर दोनों परिदृश्यों में स्पष्ट अंतर है। जब सिस्टम केवल एक क्षण में देखता है, तो प्रदर्शन आश्चर्यजनक रूप से समान रहता है चाहे रिसीवर को सिम्बल्स का पता हो या न हो। हालांकि, जब सिस्टम लक्ष्यों को लंबे समय तक, विशेष रूप से कई टाइम स्लॉट्स में देखता है, तो सिम्बल्स जानने का लाभ नाटकीय हो जाता है। इन मल्टी-स्लॉट अवलोकनों में, ज्ञात सिम्बल्स होने से रिसीवर गूँज को सुसंगत रूप से (कोहेरेंटली) संयोजित कर सकता है, जिससे प्रभावी रूप से सिग्नल को स्टैक करके उसे शोर के विरुद्ध बहुत मजबूत बनाया जा सकता है। इस जानकारी के बिना, अवलोकन असंरचित रहते हैं, और सिस्टम लंबे समय तक देखने से मिलने वाले समान लाभ प्राप्त नहीं कर पाता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि चार टाइम स्लॉट्स के अवलोकन के साथ, ज्ञात सिम्बल्स वाले सिस्टम ने अज्ञात सिम्बल्स वाले सिस्टम की तुलना में काफी बेहतर रडार प्रदर्शन हासिल किया, जबकि दोनों दृष्टिकोण मध्यम संचार आवश्यकताओं के दौरान समर्पित रडार सिस्टम के प्रदर्शन के करीब रहे।

अंततः, यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि हालांकि एकीकृत सिस्टम प्रभावी ढंग से कार्य कर सकते हैं भले ही उनके पास प्रसारित डेटा का पूर्ण ज्ञान न हो, लेकिन उस जानकारी को साझा करने की क्षमता लंबी अवधि की सेंसिंग के लिए एक शक्तिशाली क्षमता को अनलॉक करती है। प्रस्तावित डिज़ाइन एक ही नेटवर्क को कई उपयोगकर्ताओं को सेवा देने और कई लक्ष्यों का एक साथ पता लगाने की अनुमति देते हैं, बशर्ते संचार की आवश्यकताएं अत्यधिक कठिन न हों, रडार प्रदर्शन एक समर्पित रडार सिस्टम द्वारा प्राप्त किए जाने वाले प्रदर्शन के उल्लेखनीय रूप से करीब रहता है। यह कार्य भविष्य के नेटवर्क बनाने के लिए एक व्यावहारिक रोडमैप प्रदान करता है जो न केवल तेज़ होंगे बल्कि स्वाभाविक रूप से अपने भौतिक वातावरण के प्रति जागरूक भी होंगे।