radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2021-24-5-22-35radioelectronics-552Research ArticleРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ, ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВRADIO ELECTRONIC FACILITIES FOR SIGNAL TRANSMISSION, RECEPTION AND PROCESSINGКогерентный прием неортогональных спектрально-эффективных многочастотных сигналов при использовании алгоритма с обратной связью по решениюCoherent Detection of Non-Orthogonal Spectrally Efficient Multicarrier Signals Using a Decision Feedback Algorithmhttps://orcid.org/0000-0001-7006-9634МакаровС. Б.MakarovS. B.

Макаров Сергей Борисович – доктор технических наук (1991), профессор (1994) Высшей школы прикладной физики и космических технологий

ул. Политехническая, д. 29, Санкт-Петербург, 195251, Россия

Sergey B. Makarov, Dr Sci. (Eng.) (1991), Professor (1994) of the Higher school of  applied physics and space technologies

29 Polytechnicheskaya St., St Petersburg 195251, Russia

makarov@cee.spbstu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3398-3616ЗавьяловС. В.ZavjalovS. V.

Завьялов Сергей Викторович – кандидат технических наук (2015), доцент (2020) Высшей школы прикладной физики и космических технологий

ул. Политехническая, д. 29, Санкт-Петербург, 195251, Россия

Sergey V. Zavjalov, Cand. Sci. (Eng.) (2015), Associate Professor (2020) of the Higher school of applied physics and space technologies

29 Polytechnicheskaya St., St Petersburg 195251, Russia

zavyalov_sv@spbstu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6395-9492НгуенД. К.NguyenD. C.

Нгуен Дак Кы – аспирант

ул. Кау Гиай, д. 3, р-н Донг Да, Ханой, Вьетнам

Dac Cu Nguyen, post-graduate student

3 Cau Giay St., Dong Da District, Hanoi, Vietnam

daccu91.spb@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-3401-2718ОвсянниковаА. С.OvsyannikovaA. S.

Овсянникова Анна Сергеевна – аспирантка Высшей школы прикладной физики и космических технологий

ул. Политехническая, д. 29, Санкт-Петербург, 195251, Россия

Anna S. Ovsyannikova, post-graduate student of the Higher school of applied physics and space technologies

29 Polytechnicheskaya St., St Petersburg 195251, Russia

ovsyannikova_as@spbstu.ruСанкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great St Petersburg Polytechnic UniversityRussian FederationУниверситет транспорта и коммуникацийВьетнамUniversity of Transport and CommunicationsViet Nam2021281120212452235Copyright © Макаров С.Б., Завьялов С.В., Нгуен Д.К., Овсянникова А.С., 20212021Макаров С.Б., Завьялов С.В., Нгуен Д.К., Овсянникова А.С.Makarov S.B., Zavjalov S.V., Nguyen D.C., Ovsyannikova A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/552Введение

Введение. В настоящее время спектрально-эффективное частотное мультиплексирование (Spectrally efficient frequency division multiplexing – SEFDM) является многообещающей технологией, используемой для повышения спектральной эффективности и скорости передачи информации. Алгоритмы приема SEFDMсигналов можно разделить на 2 класса: поэлементный когерентный прием и прием всей информационной посылки. Первый метод более прост, но обладает низкой помехоустойчивостью. При приеме всей посылки возможно получение высокой энергетической эффективности, но реализация такого приема очень сложна и не позволяет реализовать высокие абсолютные скорости передачи сообщений.

Цель работы

Цель работы. Рассмотрение компромиссного решения задачи когерентного приема SEFDM-сигналов в условиях существенной межканальной интерференции, а именно использование на каждой поднесущей частоте итерационного алгоритма поэлементной обработки с обратной связью по решению.

Материалы и методы

Материалы и методы. Описание работы демодулятора решающего устройства выполнено аналитическим методом. Имитационная модель передачи SEFDM-сигналов с использованием в приемнике алгоритма поэлементной обработки с обратной связью по решению построена в среде MatLab.

Результаты

Результаты. Результаты моделирования показали, что предложенный алгоритм является достаточно эффективным. При допустимой вероятности ошибок p =102…103 энергетический выигрыш достигает значений 0.2…7.5 дБ для различного неортогонального разноса поднесущих частот. В то же время эффективность алгоритма обнаружения с обратной связью по решению оказывается существенно ниже, чем при приеме всей информационной посылки.

Заключение

Заключение. Предложенный алгоритм приема может быть использован в будущих поколениях мобильной связи, в которых требуются высокие скорости передачи. Благодаря снижению вычислительной сложности алгоритма возможно обеспечить меньшее энергопотребление мобильных устройств.

Introduction

Introduction. Spectrally efficient frequency division multiplexing (SEFDM) is a promising technology for improving spectral efficiency. Since SEFDM signals transmitted on subcarriers are not orthogonal, interchannel interference occurs due to the mutual influence of signals transmitted on adjacent subcarriers. Algorithms for receiving SEFDM signals can be distinguished into element-by-element coherent detection and maximum-likelihood sequence estimation (MLSE). The former method, although being simpler, is characterized by a low bit error rate performance. The latter method, although providing for a higher energy efficiency, is more complicated and does not allow high absolute message rates.

Aim

Aim. To consider a trade-off solution to the problem of coherent detection of SEFDM signals under the condition of significant interchannel interference, namely, the use of an iterative algorithm of element-by-element processing with decision feedback at each subcarrier frequency.

Materials and methods

Materials and methods. Analytical expressions for the operation of a demodulator solver were derived. A simulation model for transmission of SEFDM signals was built in the MatLab environment, including element-by-element detection with decision feedback.

Results

Results. The simulation results confirmed the efficiency of the proposed algorithm. For error probabilities p =102…103, the energy gains reach values from 0.2 to 7.5 dB for different values of the non-orthogonal subcarrier spacing. At the same time, the efficiency of the detection algorithm with decision feedback turns out to be significantly lower than that when using the detection algorithm MLSE.

Conclusion

Conclusion. The proposed detection algorithm can be used in future generations of mobile communications, which require high transmission rates. By reducing the computational complexity of the algorithm, it is possible to provide for a lower power consumption of mobile devices.

когерентныйнеортогональныйSEFDMBERитерационный алгоритмобратная связьcoherentnon-orthogonalSEFDMBERiterative algorithmfeedbackРабота выполнена при поддержке стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики на 2021–2023 гг. (СП-1577.2021.3)The results of the work were obtained with the support of the scholarship of the President of the Russian Federation to young scientists and graduate students carrying out promising research and development in priority areas of modernization of the Russian economy for 20212023 (СП-1577.2021.3).ReferencesModulation formats and waveforms for 5G networks: Who will be the heir of OFDM?: An overview of alternative modulation schemes for improved spectral efficiency / P. Banelli, S. Buzzi, G. Colavolpe, A. Modenini, F. Rusek, A. Ugolini // IEEE Signal Processing Magazine. 2014. Vol. 31, iss. 6. P. 80–93. doi: 10.1109/MSP.2014.2337391Banelli P., Buzzi S., Colavolpe G., Modenini A., Rusek F., Ugolini A. Modulation formats and waveforms for 5G networks: Who will be the heir of OFDM?: An overview of alternative modulation schemes for improved spectral efficiency. IEEE Signal Processing Magazine. 2014, vol. 31, iss. 6, pp. 80–93. doi: 10.1109/MSP.2014.2337391Макаров С. Б., Рашич А. В. Метод формирования спектрально-эффективных OFDM-сигналов на основе неортогональных базисных функций // Науч.- техн. ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического ун-та. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2009. № 2. С. 94–98.Makarov S. B., Rashich A. V. Method of forming spectral-effective OFDM signals based on non-orthogonal basis functions. Scientific and Technical Bulletin of the St Petersburg State Polytechnic University. Computer science. Telecommunications. Management. 2009, no. 2, pp. 94–98.Гельгор А. Л., Горлов А. И., Нгуен В. Ф. Повышение спектральной и энергетической эффективности сигналов SEFDM путем использования оптимальных импульсов в качестве формы спектров поднесущих // Радиотехника. 2018. № 1. С. 49–56.Gelgor A. L., Gorlov A. I., Nguyen Van. PheImproving bandwidth and energy efficiencies of sefdm-signals by introducing optimal subcarriers spectrum shapes. Radio engineering. 2018, no. 1, pp. 49–56.Шалагин С. В. Распределенное вычисление быстрого преобразования Фурье в архитектуре FPGA // Вестн. технологического ун-та. 2019. Т. 22, № 2. С. 155–158.Shalagin S. V. Distributed computing of fast fourier transform in the fpga architecture. Vestn. tehnologitheskogo un-ta. 2019, vol. 22, no. 2, pp. 155–158.Rashich V. O., Rashich A. V. Asymptotically optimal algorithm for OFDM-signal reception under AWGN and OFDM interference shifted in frequency // IEEE Intern. Black Sea Conf. on Communications and Networking (BlackSeaCom), Constanta, Romania, 18–21 May 2015. Piscataway: IEEE, 2015. P. 5–8. doi: 10.1109/BlackSeaCom. 2015.7185075Rashich V. O., Rashich A. V. Asymptotically optimal algorithm for OFDM-signal reception under AWGN and OFDM interference shifted in frequency. IEEE Intern. Black Sea Conf. on Communications and Networking (BlackSeaCom). 18–21 May 2015, Constanta, Romania. Piscataway, IEEE, 2015, pp. 5–8. doi: 10.1109/BlackSeaCom. 2015.7185075Spectrally Efficient FDM Signals: Bandwidth Gain at the Expense of Receiver Complexity / I. Kanaras, A. Chorti, M. R. D. Rodrigues, I. Darwazeh // IEEE Intern. Conf. on Communications (ICC 2009), Dresden, Germany, 14–18 June 2009. Piscataway: IEEE, 2009. INSPEC Acc. № 10815423. P. 1-6. doi: 10.1109/ICC.2009.5199477Kanaras I., Chorti A., Rodrigues M. R. D., Darwazeh I. Spectrally Efficient FDM Signals: Bandwidth Gain at the Expense of Receiver Complexity. IEEE Intern. Conf. on Communications (ICC 2009). 14–18 June 2009, Dresden, Germany. Piscataway, IEEE, 2009. INSPEC acc. no. 10815423, pp. 1-6. doi: 10.1109/ICC.2009.5199477Darwazeh I., Ghannam H., Xu T. The first 15 years of SEFDM: A brief survey // 11th Intern. Symp. on Commu nication Systems, Networks & Digital Signal Processing (CSNDSP), Budapest, Hungary, 18–20 July 2018. Pisca taway: IEEE, 2018. INSPEC Acc. № 18130860. P. 1-7. doi: 10.1109/CSNDSP.2018.8471886Darwazeh I., Ghannam H., Xu T. The first 15 years of SEFDM: A brief survey. 11th Intern. Symp. on Communication Systems, Networks & Digital Signal Processing (CSNDSP). 18–20 July 2018, Budapest, Hungary. Piscataway, IEEE, 2018. INSPEC acc. no. 18130860, pp. 1-7. doi: 10.1109/CSNDSP.2018.8471886Zavjalov S. V., Volvenko S. V., Makarov S. B. A method for increasing the spectral and energy efficiency SEFDM sig nals // IEEE Communications Lett. 2016. Vol. 20, № 12. P. 2382–2385. doi: 10.1109/LCOMM.2016.2607742Zavjalov S. V., Volvenko S. V., Makarov S. B. A method for increasing the spectral and energy efficiency SEFDM signals. IEEE Communications Lett. 2016, vol. 20, no. 12, pp. 2382–2385. doi: 10.1109/LCOMM.2016.2607742Гельгор А. Л., Горлов А. И., Нгуен В. Ф. Повыше ние эффективности сигналов SEFDM путем использо вания RRC-импульсов в качестве формы спектра под несущих // DSPA: Вопр. применения цифровой обра ботки сигналов. 2017. Т. 7, № 1. С. 34–39.Gelgor A. L., Gorlov A. I., Van Nguyen Phe. Improvement of SEFDM spectral and energy efficiency by replacing spectral SINC-pulse by RRC-pulses. DSPA: Issues of digital signal processing application. 2017, vol. 7, no. 1, pp. 34–39.Gelgor A., Gorlov A., Nguyen V. P. Performance analy sis of SEFDM with optimal subcarriers spectrum shapes // IEEE Intern. Black Sea Conf. on Communications and Networking (BlackSeaCom), Istanbul, Turkey, 5–8 June 2017. Piscataway: IEEE, 2017. INSPEC Acc. № 17559180. P. 1-5. doi: 10.1109/BlackSeaCom.2017.8277680Gelgor A., Gorlov A., Nguyen V. P. Performance analysis of SEFDM with optimal subcarriers spectrum shapes. IEEE Intern. Black Sea Conf. on Communications and Networking (BlackSeaCom). 5–8 June, 2017, Istanbul, Turkey. Piscataway, IEEE, 2017. INSPEC acc. no. 17559180. P. 1-5. doi: 10.1109/BlackSeaCom.2017.8277680Кислицын А. Б., Рашич А. В. Формирование и прием спектрально-эффективных многочастотных сигналов с неортогональным частотным уплотнением на основе БПФ/ОБПФ уменьшенной размерности // Электромагнитные волны и электронные системы. 2014. Т. 19, № 7. С. 46–53.Kislitsyn A. B., Rashich A. V. Generation and reception of SEFDM-signals based on reduced size FFT/IFFT. Electromagnetic waves and electronic systems. 2014, vol. 19, no. 7, pp. 46–53.Kislitsyn A. B., Rashich A. V., Tan N. N. Generation of SEFDM-signals using FFT/IFFT // Intern. Conf. on Next Generation Wired/Wireless Networking. Cham: Springer, 2014. P. 488–501.Kislitsyn A. B., Rashich A. V., Tan N. N. Generation of SEFDM-signals using FFT/IFFT. Intern. Conf. on Next Generation Wired/Wireless Networking. Cham, Springer, 2014, pp. 488–501.Isam S., Darwazeh I. Simple DSP-IDFT techniques for generating spectrally efficient FDM signals // 7th In tern. Symp. on Communication Systems, Networks & Dig ital Signal Processing (CSNDSP 2010), Newcastle Upon Tyne, UK, 21–23 July 2010. Piscataway: IEEE, 2010. P. 20–24. doi: 10.1109/CSNDSP16145.2010.5580468Isam S., Darwazeh I. Simple DSP-IDFT techniques for generating spectrally efficient FDM signals. 7th Intern. Symp. on Communication Systems, Networks & Digital Signal Processing (CSNDSP 2010). 21–23 July 2010, Newcastle Upon Tyne, UK. Piscataway, IEEE, 2010, pp. 20–24. doi: 10.1109/CSNDSP16145.2010.5580468Ahmed S., Darwazeh I. Inverse discrete Fourier transform-discrete Fourier transform techniques for gen erating and receiving spectrally efficient frequency divi sion multiplexing signals // American J. of Engineering and Applied Sciences. 2011. Vol. 4, № 4. P. 598–606.Ahmed S., Darwazeh I. Inverse discrete Fourier transform-discrete Fourier transform techniques for generating and receiving spectrally efficient frequency division multiplexing signals. American J. of Engineering and Applied Sciences. 2011, vol. 4, no. 4, pp. 598–606.Analysis of Sub-optimum detection techniques for a bandwidth efficient multi-carrier communication system / I. Kanaras, A. Chorti, M. R. D. Rodrigues, I. Darwazeh // Proc. of the Cranfield Multi-Strand Conf., Cranfield, UK, 6–7 May 2008. Cranfield: Cranfield University, 2008. P. 505–510.Kanaras I., Chorti A., Rodrigues M. R. D., Darwazeh I. Analysis of Sub-optimum detection techniques for a bandwidth efficient multi-carrier communication system. Proc. of the Cranfield Multi-Strand Conf. 6–7 May 2008, Cranfield, UK. Cranfield, Cranfield University, 2008, pp. 505–510.A New quasi-optimal detection algorithm for a non orthogonal spectrally efficient FDM / I. Kanaras, A. Chorti, M. R. D. Rodrigues, I. Darwazeh // 9th Intern. Symp. on Communications and Information Technology, Icheon, Korea (South), 28–30 Sept. 2009. Piscataway: IEEE, 2009. INSPEC Acc. № 10999975. P. 460–465. doi: 10.1109/ISCIT. 2009.5341206Kanaras I., Chorti A., Rodrigues M. R. D., Darwazeh I. A New quasi-optimal detection algorithm for a non orthogonal spectrally efficient FDM. 9th Intern. Symp. on Communications and Information Technology. 28–30 Sept. 2009, Icheon, Korea (South). Piscataway, IEEE, 2009, INSPEC acc. no. 10999975, pp. 460–465. doi: 10.1109/ISCIT. 2009.5341206Макаров С. Б., Завьялов С. В. Повышение по мехоустойчивости когерентного приема неортогональных многочастотных сигналов // Науч.-техн. ве домости Санкт-Петербургского государственного по литехнического ун-та. Информатика. Телекоммуника ции. Управление. 2014. № 2. С. 45–54.Makarov S. B., Zavjalov S. V. Improving ber performance for coherent detection of nonorthogonal multifrequency signals. Scientific and Technical Bulletin of the St Petersburg State Polytechnic University. Computer science. Telecommunications. Management. 2014, no. 2, pp. 45–54.Zavjalov S. V., Makarov S. B., Volvenko S. V. Non linear coherent detection algorithms of nonorthogonal multifrequency signals // Intern. Conf. on Next Genera tion Wired/Wireless Networking, St Petersburg, Russia, 27–29 Aug. 2014. Cham: Springer, 2014. P. 703–713. doi: 10.1007/978-3-319-10353-2_66Zavjalov S. V., Makarov S. B., Volvenko S. V. Nonlinear coherent detection algorithms of nonorthogonal multifrequency signals. Intern. Conf. on Next Generation Wired/Wireless Networking. 27–29 Aug. 2014, St Petersburg, Russia. Cham, Springer, 2014, pp. 703–713. doi: 10.1007/978-3-319-10353-2_66

The authors declare that there are no conflicts of interest present.