On the dual-orthogonality condition for integrated sensing and communication waveform

Integrated Sensing and Communication (ISAC) is an emerging trend in waveform design that unifies environmental sensing and data transfer within a single architecture, posi- tioning it as a key technology for next-generation wireless systems. These waveforms require careful design, as they must simultaneously meet the performance demands of sensing, as range-Doppler resolution, ambiguity-function shaping, sidelobe suppression, as well as communications, spectral efficiency, reliability, latency, all under shared spec- tral and hardware constraints. In this thesis, a design based on the principle of dual orthogonality is presented, aiming to provide a competitive alternative to state-of-the- art ISAC solutions. The proposed waveform is constructed by enforcing orthogonality across transmitting antennas through null-space projections, so that each signal remains orthogonal not only at zero delay but also across a window of time shifts. This prop- erty, referred to as dual orthogonality, ensures separation both among different users and among delayed replicas of the same waveform, thereby enabling simultaneous communi- cation and radar sensing without mutual interference. Its performance is benchmarked against state-of-the-art 5G waveforms, most notably Orthogonal Frequency-Division Mul- tiplexing (OFDM). Special attention is devoted to how multipath degrades orthogonality and to its implications for both imaging and decoding; accordingly, mitigation strategies for these effects are presented. In simulation, the resulting orthogonal waveforms attain up to ≈ 85% throughput ratio in line-of-sight (LOS) conditions and ≈ 76% throughput ratio in Non-line-of-sight (NLOS), while achieving ≈ -10 dB Integrated Sidelobe Level Ratio (ISLR) and SAR (Synthetic Aperture Radar)-based ghost suppression of 15 dB, yielding cleaner mainlobe and reduced sidelobes in the radar image. Overall, this study contributes to the understanding of ISAC waveform design under realistic channels and outlines practical directions for 6G implementations.

L’ Integrated Sensing and Communication (ISAC) è una tecnica emergente nella proget- tazione di forme d’onda che unifica il rilevamento ambientale e la comunicazione all’interno di un’unica architettura, configurandosi come tecnologia chiave dei sistemi wireless fu- turi. Queste forme d’onda richiedono una progettazione accurata, dovendo soddisfare contemporaneamente le esigenze del rilevamento, come risoluzione range-Doppler, model- lamento della funzione di ambiguità, soppressione dei lobi laterali, e quelle della comu- nicazione, come efficienza spettrale, affidabilità, latenza, il tutto sotto vincoli comuni di spettro e hardware. In questa tesi viene presentato un progetto basato sul principio della doppia ortogonalità, volto a fornire un’alternativa competitiva alle soluzioni ISAC allo stato dell’arte. La forma d’onda proposta viene costruita imponendo ortogonalità tra le antenne trasmittenti tramite proiezioni nello spazio nullo, in modo che ciascun segnale resti ortogonale non solo a ritardo zero, ma anche entro una finestra di ritardi temporali. Questa proprietà, detta doppia ortogonalità, garantisce la separazione sia tra diverse an- tenne sia tra repliche ritardate della stessa forma d’onda, permettendo comunicazione e rilevamento radar simultanei senza interferenze. Le prestazioni vengono confrontate con le forme d’onda 5G allo stato dell’arte, in par- ticolare l’Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM). Particolare attenzione è dedicata a come il multipath degradi l’ortogonalità e alle sue implicazioni per imaging e decodifica; vengono quindi presentate strategie di mitigazione di tali effetti. In simulazione, le forme d’onda ottenute raggiungono fino a ≈ 85% di rapporto di through- put in condizioni Line-of-sight (LOS) e ≈76% in Non-line-of-sight (NLOS), con Integrated Sidelobe Level Ratio (ISLR) di ≈-10 dB e soppressione dei bersagli fantasma nell’SAR (Radar ad apertura Sintetica) di ≈ 15 dB, producendo lobi principali più puliti e lobi laterali ridotti. Complessivamente, questo studio contribuisce alla comprensione della progettazione di forme d’onda ISAC in canali realistici e delinea direzioni pratiche verso implementazioni 6G.