radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2021-24-6-16-26radioelectronics-575Research ArticleРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ, ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВRADIO ELECTRONIC FACILITIES FOR SIGNAL TRANSMISSION, RECEPTION AND PROCESSINGЭкспериментальное исследование системы передачи на основе FBMC/OQAMExperimental Study of a Transmission System Based on FBMC/OQAMhttps://orcid.org/0000-0002-6688-289XАбеновР. Р.AbenovR. R.

Абенов Ренат Рамазанович – кандидат технических наук (2021), доцент кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники. Сфера научных интересов – цифровая обработка сигналов, информационные и телекоммуникационные системы, цифровая связь.

пр. Ленина, д. 40, Томск, 634050

Renat R. Abenov, Can. Sci. (Eng.) (2021), Associate Professor at the Telecommunications and Basic Principles of Radio Engineering Department. The author of 20 scientific publications. Area of expertise: digital signal processing, information and telecommunication systems, digital communication.

40 Lenina pr., Tomsk 634050

abenov.rr@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-7599-0393РогожниковЕ. В.RogozhnikovE. V.

Рогожников Евгений Васильевич – кандидат технических наук (2016), доцент кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники. Автор 91 научной работы. Сфера научных интересов – телекоммуникации, системы беспроводной связи, интернет вещей.

пр. Ленина, д. 40, Томск, 634050

Evgeny V. Rogozhnikov, Can. Sci. (Eng.) (2016), Associate Professor at the Telecommunications and Basic Principles of Radio Engineering Department. The author of 91 scientific publications. Area of expertise: telecommunication, wireless communication system, internet of things.

40 Lenina pr., Tomsk 634050

udzhon@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4115-9080КрюковЯ. В.KryukovYa. V.

Крюков Яков Владимирович – кандидат технических наук (2018), доцент кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники. Автор более 30 научных работ. Сфера научных интересов – беспроводная многоканальная связь, неортогональный множественный доступ.

пр. Ленина, д. 40, Томск, 634050

Yakov V. Kryukov, Can. Sci. (Eng.) (2018), Associate Professor at the Telecommunications and Basic Principles of Radio Engineering Department. The author of more than 30 scientific publications. Area of expertise: wireless mesh networks, non-ortogonal multiple access.

40 Lenina pr., Tomsk 634050

kryukov.tusur@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-9405-4573ПокаместовД. А.PokamestovD. A.

Покаместов Дмитрий Алексеевич – кандидат технических наук (2018), доцент кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники. Автор 40 научных работ. Сфера научных интересов – методы множественного доступа, помехоустойчивое кодирование, цифровая обработка сигналов.

пр. Ленина, д. 40, Томск, 634050

Dmitriy A. Pokamestov, Can. Sci. (Eng.) (2018), Associate Professor at the Telecommunications and Basic Principles of Radio Engineering Department. The author of 40 scientific publications. Area of expertise: multiple access techniques, noiseless coding, digital signal processing.

40 Lenina pr., Tomsk 634050

dmaltomsk@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3560-0842АбеноваП. А.AbenovaP. A.

Абенова Перизат Аяновна – магистр техники и технологий по направлению "Инфокоммуникационные технологии и системы связи" (2018), аспирант кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники. Автор 3 научных работ. Сфера научных интересов – информационные и телекоммуникационные системы, цифровая связь, цифровая обработка сигналов.

пр. Ленина, д. 40, Томск, 634050

Perizat A. Abenova, Master of Engineering (2018), Post-Graduate Student at the Telecommunications and Basic Principles of Radio Engineering Department. The author of 3 scientific publications. Area of expertise: information and telecommunication systems, digital communication, digital signal processing.

40 Lenina pr., Tomsk 634050

abenova.pa@gmail.comТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникиРоссияTomsk State University of Control Systems and RadioelectronicsRussian Federation2021291220212461626Copyright © Абенов Р.Р., Рогожников Е.В., Крюков Я.В., Покаместов Д.А., Абенова П.А., 20212021Абенов Р.Р., Рогожников Е.В., Крюков Я.В., Покаместов Д.А., Абенова П.А.Abenov R.R., Rogozhnikov E.V., Kryukov Y.V., Pokamestov D.A., Abenova P.A.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/575Введение

Введение. Данная работа посвящена исследованию системы передачи на основе мультиплексирования FBMC/OQAM. Актуальность исследования связана с высокой спектральной эффективностью данной системы, благодаря которой она рассматривается как альтернативный метод передачи в будущих стандартах беспроводной мобильной связи. Однако недостатком системы является высокая сложность обработки сигналов. Среди отечественных и зарубежных публикаций встречается множество работ с теоретическим исследованием системы FBMC/OQAM. В данной статье представлены результаты экспериментального исследования системы передачи на ее основе.

Цель работы

Цель работы. Верификация модели системы передачи данных на основе FBMC/OQAM в беспроводном канале связи.

Материалы и методы

Материалы и методы. В работе используется метод имитационного компьютерного моделирования в среде Matlab и экспериментальное исследование с использованием сертифицированного измерительного оборудования Keysight и Rohde & Schwarz.

Результаты

Результаты. Была разработана модель формирования и обработки сигнала, а также предложена структура  кадра.  Покадровая  обработка  выполнялась  с  учетом  временной  и  частотной  синхронизации,  поскольку  исследование  проводилось  в  беспроводном  канале  с  частотно-временным  рассеянием.  Временная синхронизация обеспечивалась корреляционным методом во временной области. Для компенсации  рассогласования  опорных  генераторов  применялась  оценка  с  помощью  преамбулы,  состоящей из двух символов. В работе использовалась оценка канала методом Zero Forcing, а также эквалайзер с линейным  интерполятором.  Для  корректной  оценки  канала  в  FBMC/OQAM  использовались  пилотные символы, распределенные по всей частотно-временной сетке, а также метод с дополнительным пилотом для компенсации межканальной интерференции. В результате работы получены зависимости коэффициента битовых ошибок от отношения энергии, приходящейся на бит информации, к энергии шума в различных  каналах.  Достигнут  коэффициент  ошибок  10−4  при  отношениях  энергии,  приходящейся  на  бит информации, к мощности шума, равных 13.4 дБ в первом канале, 15.3 дБ во втором и 20.9 дБ в третьем. Заключение. Система передачи на основе FBMC/OQAM с линейным эквалайзером может работать без циклического  префикса  в  беспроводном  канале  связи  с  многолучевостью,  обеспечивая  сравнимую  с OFDM-CP  помехоустойчивость.  Для  получения  большей  спектральной  эффективности  необходимо  использовать длинные кадры, поскольку в начале и конце кадра FBMC/OQAM имеется переходная зона.

Introduction

Introduction. This paper investigates a transmission system based on FBMC/OQAM multiplexing. This system is characterized by a high spectral efficiency, thereby attracting interest as an alternative transmission method in future wireless mobile communication standards. However, a disadvantage of the system is the high complexity of signal processing. There are numerous publications that study the FBMC/OQAM system from a theoretical perspective. This paper presents an experimental study of a transmission system based on FBMC/OQAM.

Aim

Aim. Verification of a transmission system based on FBMC/OQAM multiplexing in a wireless channel.

Materials and methods

Materials and methods. Computer simulation modeling in Matlab and experimental research using Keysight and Rohde & Schwarz certified measuring instruments.

Results

Results. A model of synthesis and signal processing was developed, and a frame structure was proposed. The processing included synchronization, since the study was carried out in a wireless double-dispersive channel. Time synchronization was provided by the method of time-domain correlation. A preamble consisting of two symbols was used for CFO compensation. Channel estimation in FBMC/OQAM was conducted by pilot symbols spread over the time-frequency domain, a method with an auxiliary pilot to compensate for intrinsic interference, as well as Zero Forcing and a linear interpolator. As a result, dependences of the bit error rate on the Eb/N0 in various channels were obtained. An error rate of 10−4 was achieved under the Eb/N0 equal to 13.4 dB, 15.3 dB and 20.9 dB in the first, second and third channel, respectively.

Conclusion

Conclusion. A FBMC/OQAM-based transmission system with a linear equalizer can operate without a cyclic prefix in a multipath wireless channel, providing comparable noise immunity to OFDM-CP. Long frames should be used to obtain greater spectral efficiency, due to the presence of a transition zone at the beginning and end of the FBMC/OQAM frame.

FBMC/OQAMоценка каналадополнительный пилотвероятность битовой ошибкиэкспериментFBMC-OQAMchannel estimationauxiliary pilotbit error rateexperimentReferencesSiohan P., Siclet C., Lacaille N. Analysis and design of OFDM/OQAM systems based on filterbank theory // IEEE transactions on signal processing. 2002. Vol. 50, № 5. P. 1170–1183. doi: 10.1109/78.995073Siohan P., Siclet C., Lacaille N. Analysis and design of OFDM/OQAM systems based on filterbank theory. IEEE transactions on signal processing. 2002, vol. 50, no. 5, pp. 1170–1183. doi: 10.1109/78.995073Bolcskei H., Duhamel P., Hleiss R. Design of pulse shaping OFDM/OQAM systems for high data-rate transmission over wireless channels // 1999 IEEE Intern. Conf. on Communications. Vancouver, Canada, 6–10 June 1999. Vol. 1. P. 559–564. doi: 10.1109/ICC.1999.768001Bolcskei H., Duhamel P., Hleiss R. Design of pulse shaping OFDM/OQAM systems for high data-rate transmission over wireless channels. 1999 IEEE Intern. Conf. on Communications. Vancouver, Canada, 6–10 June 1999, vol. 1, pp. 559–564. doi: 10.1109/ICC.1999.768001FBMC physical layer: a primer / M. Bellanger, D. LeRuyet, D. Roviras et al. // PHYDYAS. 2010. Vol. 25, no. 4. P. 7–10.Bellanger M., LeRuyet D., Roviras D. et al. FBMC physical layer: a primer. PHYDYAS. 2010, vol. 25, no. 4, pp. 7–10.Hidalgo Stitz T. Filter Bank Techniques for the Physical Layer in Wireless Communications. Tampere: Tampere University of Technology, 2010. 178 p.Hidalgo Stitz T. Filter Bank Techniques for the Physical Layer in Wireless Communications. Tampere, Tampere University of Technology, 2010, 178 p.A survey: Several technologies of non-orthogonal transmission for 5G / T. Yunzheng, L. Long, L. Shang, Zh. Zhi // China communications. 2015. Vol. 12, № 10. P. 1– 15. doi: 10.1109/CC.2015.7315054Yunzheng T., Long L., Shang L., Zhi Zh. A survey: Several technologies of non-orthogonal transmission for 5G. China communications. 2015, vol. 12, no. 10, pp. 1–15. doi: 10.1109/CC.2015.7315054Schaich F., Wild T. Waveform contenders for 5G – OFDM vs. FBMC vs. UFMC // 2014 6th Intern. Symp. on Communications, Control and Signal Processing (ISCCSP). Athens, Greece, 21–23 May 2014. IEEE, 2014. P. 457–460. doi: 10.1109/ISCCSP.2014.6877912Schaich F., Wild T. Waveform contenders for 5G – OFDM vs. FBMC vs. UFMC. 2014 6th Intern. Symp. on Communications, Control and Signal Processing (ISCCSP). Athens, Greece, 21–23 May 2014. IEEE, 2014, pp. 457–460. doi: 10.1109/ISCCSP.2014.6877912FBMC/OQAM Equalization Scheme with Linear Interpolation / R. R. Abenov, D. A. Pokamestov, E. V. Rogozhnikov, Ya. A. Demidov, Ya. V. Kryukov // 2019 Intern. Multi-Conf. on Engineering, Computer and Information Sciences (SIBIRCON), Novosibirsk, 2019. P. 0130– 0133. doi: 10.1109/SIBIRCON48586.2019.8958090Abenov R. R., Pokamestov D. A., Rogozhnikov E. V., Demidov Ya. A., Kryukov Ya. V. FBMC/OQAM Equalization Scheme with Linear Interpolation. 2019 Intern. Multi-Conf. on Engineering, Computer and Information Sciences (SIBIRCON). Novosibirsk, Russia, 2019, pp. 0130–0133. doi: 10.1109/SIBIRCON48586.2019.8958090Preamble-based channel estimation techniques for OFDM/OQAM over the powerline / C. Lele, P. Siohan, R. Legouable, J.-P. Javaudin // 2007 IEEE Intern. Symp. on Power Line Communications and Its Applications. Pisa, Italy, 26–28 March 2007. IEEE, 2007. P. 59–64. doi: 10.1109/ISPLC.2007.371098Lele C., Siohan P., Legouable R., Javaudin J.-P. Preamble-based channel estimation techniques for OFDM/OQAM over the powerline. 2007 IEEE Intern. Symp. on Power Line Communications and Its Applications. Pisa, Italy, 26–28 March 2007. IEEE, 2007, pp. 59–64. doi: 10.1109/ISPLC.2007.371098Channel estimation methods for preamble based OFDM/OQAM modulations / C. Lele, J.-P. Javaudin, R. Legouable, A. Skrzypczak, P. Siohan // European Transactions on Telecommunications. 2008. Vol. 19, № 7. P. 741–750. doi: 10.1002/ett.1332Lele C., Javaudin J.-P., Legouable R., Skrzypczak A., Siohan P. Channel estimation methods for preamble based OFDM/OQAM modulations. European Transactions on Telecommunications. 2008, vol. 19, no. 7, pp. 741–750. doi: 10.1002/ett.1332Preamble-based channel estimation in OFDM/OQAM systems: A review / E. Kofidis, D. Katselis, A. Rontogiannis, S. Theodoridis // Signal processing. 2013. Vol. 93, № 7. P. 2038–2054. doi: 10.1016/j.sigpro.2013.01.013Kofidis E., Katselis D., Rontogiannis A., Theodoridis S. Preamble-based channel estimation in OFDM/OQAM systems: A review. Signal processing. 2013, vol. 93, no. 7, pp. 2038–2054. doi: 10.1016/j.sigpro.2013.01.013Калашников К. С., Шахтарин Б. И. Синхронизация OFDM-сигналов во временной и частотной областях // Вестн. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Приборостроение. 2011. № 1. С. 18–27.Kalashnikov K. S., Shakhtarin B. I. Synchronization of OFDM Signals in Time and Frequency Domains. Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Instrument Engineering. 2011, no. 1, pp. 18–27. (In Russ.)He X., Zhao Z., Zhang H. A pilot-aided channel estimation method for FBMC/OQAM communications system // 2012 Intern. Symp. on Communications and Information Technologies (ISCIT). Gold Coast, Australia, 2–5 Oct. 2012. IEEE, 2012. P. 175–180. doi: 10.1109/ISCIT.2012.6380885.He X., Zhao Z., Zhang H. A pilot-aided channel estimation method for FBMC/OQAM communications system. 2012 International Symposium on Communications and Information Technologies (ISCIT). Gold Coast, Australia, 2–5 Oct. 2012. IEEE, 2012, pp. 175–180. doi: 10.1109/ISCIT.2012.6380885.Проблемы оценки канала в системе с частотным мультиплексированием с использованием банка фильтров / Р. Р. Абенов, Е. В. Рогожников, Д. А. Покаместов, Я. В. Крюков, А. Я. Демидов // Вестн. СибГУТИ. 2018. № 1. С. 72–78.Abenov R. R., Rogozhnikov E. V., Pokamestov D. A., Kryukov Ya. V., Demidov A. Ya. Channel estimation problems in FBMC systems. Vestnik SibGUTI. 2018, no. 1, pp. 72–78. (In Russ.)Бочечка Г. С. Методы оценки канала, основанные на встраиваемых пилот сигналах, в системах OFDM // T-Comm – Телекоммуникации и Транспорт. 2009. № 3. C. 38–42.Bochechka G. S. Embedded Pilot Channel Estimation Techniques in OFDM Systems // T-Comm – Telecommunica tions and Transport. 2009, no. 3, pp. 38–42. (In Russ.)Farrukh F., Baig S., Mughal M. J. Performance comparison of DFT-OFDM and wavelet-OFDM with zero-forcing equalizer for FIR channel equalization // 2007 Intern. Conf. on Electrical Engineering. Lahore, Pakistan, 11–12 Apr. 2007. IEEE, 2007. P. 1–5. doi: 10.1109/ICEE.2007.4287350Farrukh F., Baig S., Mughal M. J. Performance comparison of DFT-OFDM and wavelet-OFDM with zero-forcing equalizer for FIR channel equalization. 2007 International Conf. on Electrical Engineering. Lahore, Pakistan, 11–12 April 2007. IEEE, 2007, pp. 1–5. doi: 10.1109/ICEE.2007.4287350Minimum BER block precoders for zero-forcing equalization / Y. Ding, T. N. Davidson, Z.-Q. Luo, K. M. Wong // IEEE Transactions on Signal Processing. 2003. Vol. 51, № 9. P. 2410–2423. doi: 10.1109/TSP.2003.815387Ding Y., Davidson T. N., Luo Z.-Q., Wong K. M. Minimum BER block precoders for zero-forcing equalization. IEEE Transactions on Signal Processing. 2003, vol. 51, no. 9, pp. 2410–2423. doi: 10.1109/TSP.2003.815387Исследование методов эквалайзирования для систем связи с использованием OFDM-сигналов / Р. Р. Абенов, А. С. Вершинин, Е. П. Ворошилин, Е. В. Рогожников // Вестн. СибГУТИ. 2013. № 1. С. 50–56.Abenov R. R., Rogozhnikov E. V., Vershinin A. S., Voroshilin E. P. Research of equalization methods for the communication systems using OFDM signals. Vestnik SibGUTI. 2013, no. 1, pp. 50–56.Andrews J. G., Ghosh A., Muyamed R. Fundamentals of WiMax: understanding broadband wireless networking. Westford: Prentice Hall, 2007. 449 p.Andrews J. G., Ghosh A., Muyamed R. Fundamentals of WiMax: understanding broadband wireless networking. Westford, USA, Prentice Hall, 2007, 449 p.

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