Когерентный прием неортогональных спектрально-эффективных многочастотных сигналов при использовании алгоритма с обратной связью по решению

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. 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. 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 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. 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.

1. Modulation 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.2014.2337391

2. Макаров 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.

3. 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.

4. Шалагин С. В. Распределенное вычисление быстрого преобразования Фурье в архитектуре FPGA // Вестн. технологического ун-та. 2019. Т. 22, № 2. С. 155–158.

5. 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. 2015.7185075

6. Spectrally 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.2009.5199477

7. Darwazeh 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.2018.8471886

8. Zavjalov 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.2016.2607742

9. Гельгор 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.

10. 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.2017.8277680

11. Кислицын 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.

12. 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.

13. 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/CSNDSP16145.2010.5580468

14. Ahmed 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.

15. 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.

16. 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. 2009.5341206

17. Макаров 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.

18. 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_66