Экспериментальное исследование системы передачи на основе FBMC/OQAM

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

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. 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.

1. Siohan 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: 10.1109/78.995073

2. Bolcskei 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.1999.768001

3. FBMC physical layer: a primer / M. Bellanger, D. LeRuyet, D. Roviras et al. // PHYDYAS. 2010. Vol. 25, no. 4. P. 7–10.

4. Hidalgo Stitz T. Filter Bank Techniques for the Physical Layer in Wireless Communications. Tampere: Tampere University of Technology, 2010. 178 p.

5. 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.2015.7315054

6. Schaich 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.2014.6877912

7. FBMC/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/SIBIRCON48586.2019.8958090

8. Preamble-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.2007.371098

9. Channel 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.1332

10. Preamble-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.2013.01.013

11. Калашников 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.

12. 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.

13. 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.

14. Бочечка Г. С. Методы оценки канала, основанные на встраиваемых пилот сигналах, в системах OFDM // T-Comm – Телекоммуникации и Транспорт. 2009. № 3. C. 38–42.

15. 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.2007.4287350

16. Minimum 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.2003.815387

17. Исследование 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.

18. Andrews J. G., Ghosh A., Muyamed R. Fundamentals of WiMax: understanding broadband wireless networking. Westford: Prentice Hall, 2007. 449 p.