И.М. Лернер1, Р.Р. Файзуллин2, Д.В. Шушпанов3, В.И. Ильин4, И.В. Рябов5, А.Н. Хайруллин6

1,2,6 Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ
(г. Казань, Россия)

3 Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
(Санкт-Петербург, Россия)

4 Казанский (Приволжский) федеральный университет (г. Казань, Россия)

5 Поволжский государственный технологический университет (г. Йошкар-Ола, Россия)

Постановка проблемы. Повышение удельной пропускной способности является одной из центральных проблем радиотехники и теории связи. Ключевой фактор ее решения – борьба с межсимвольными искажениями, обусловленными частотной селективностью реального составного канала связи. Для преодоления указанного фактора используются радиотехнических систем передачи информации, в которых передача информации осуществляется: 1) параллельным образом, реализуемым по технологии мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов и/или с пространственно-временным кодированием; 2) последовательным образом, а прием – в условиях межсимвольных искажений, в том числе при скоростях передачи информации выше скорости Найквиста. Несмотря на то, что в настоящее время первый класс систем нашел широкое применение в области высокоскоростной передачи информации, он обладает рядом существенных недостатков по отношению ко второму.

Цель. Провести ретроспективный анализ методов приема и обработки информации в фазовых радиотехнических системах передачи информации с последовательной передачей информации в частотно-селективных каналах связи с межсимвольными искажениями для выработки подходов к повышению их удельной пропускной способности.

Результаты. Представлены результаты по решению второй и третьей из поставленных задач в статье 1, связанных с критическим анализом методов оценки пропускной способности в частотно-селективных каналах связи при наличии межсимвольных искажений с целью выбора наилучшего из них для определения длительности символа ФМ-n- и АФМ-N-сигналами для реализации первой формы фазовых радиотехнических систем передачи информации с последовательной передачей информации, а также оценки возможности повышения их удельной пропускной способности за счет комплексно-частотной характеристики канала связи.

Практическая значимость. Определен наилучший метод оценки удельной пропускной способности, длительности символа и сигнального созвездия, позволяющий динамически управлять работой системы связи.

1. Лернер И.М., Файзуллин Р.Р., Хайруллин А.Н., Шушпанов Д.В., Ильин В.И., Рябов И.В. Повышение удельной пропускной способности как фундаментальная проблема теории связи. Стратегия развития в постшенноновскую эпоху. Часть 1. Ретроспективный обзор методов приема и обработки сигналов в частотно-селективных каналах связи при скоростях передачи информации выше скорости Найквиста // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. T. 77. № 1. С. 37–50. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202301-02.
2. Лернер И.М., Файзуллин Р.Р., Хайруллин А.Н., Шушпанов Д.В., Ильин В.И., Рябов И.В. Повышение удельной пропускной способности как фундаментальная проблема теории связи. Стратегия развития в постшенноновскую эпоху. Часть 2. Ретроспективный обзор методов приема и обработки сигналов в частотно-селективных каналах связи при наличии межсимвольных искажений // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. T. 77. № 2. С. 16–33. DOI: https://doi.org/10.18127/ j20700784-202302-02.
3. Лернер И.М. Метод оценки пропускной способности реальных каналов связи с многопозиционными фазоманипулированными сигналами при наличии межсимвольных искажений и его применение // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Т. 11. № 8. С. 52–58.
4. Лернер И.М. Аналитическая оценка пропускной способности канала связи с частотной характеристикой резонансного фильтра при наличии межсимвольных искажений и использовании многопозиционного фазоманипулированного сигнала // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Т. 11. № 9. С. 65–73.
5. Лернер И.М., Чернявский С.М. Оценка пропускной способности реальных каналов связи с АФМн-N-сигналами при наличии МСИ // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Т. 12. № 4. С. 48–55.
6. Лернер И.М., Файзуллин Р.Р., Рябов И.В. Высокопроизводительный алгоритм оценки пропускной способности каналов связи, функционирующих на базе теории разрешающего времени // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 4. С. 91–109. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202204-13.
7. Лернер И.М., Ильин Г.И., Ильин А.Г. К вопросу о циклостационарности АФМн-N-сигналов, наблюдаемых на выходе канала связи с межсимвольными искажениями // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2018. № 3. С. 107–117.
8. Лернер И.М., Ильин Г.И. Численный метод оценки потенциальной пропускной способности при использовании ФМн-n-сигнала в канале связи с межсимвольными искажениями // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, 2018. № 4. С. 138–149.
9. Ильин Г.И., Польский Ю.Е. Динамический диапазон и точность радиотехнических и оптоэлектронных измерительных систем // Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. 1989. Т. 39. С. 67–114.
10. Hartley R.V.L. Transmission of Information // BSTJ. 1928. V. 7. № 3. P. 535–563.
11. Shannon C.E. A Mathematical Theory of Communication // Bell System Technical J. 1948 V. 27. № 3. P. 379–423.
12. Shannon C.E. A Mathematical Theory of Communication // Bell System Technical J. 1948. V. 27. № 4. P. 623–656.
13. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. М.: Изд-во иностранной литературы. 1963.
14. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Ч. 1. М.: Сов. радио. 1967.
15. Ильин Г.И. Информационные потери при прохождении сигналов через систему с ограниченной полосой пропускания // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 1997. № 1. С. 83–85.
16. Хинчин А.Я. Об основных теоремах теории информации // УМН. 1956. Т. 11. № 1. С. 17–75.
17. Добрушин Р.Л. Общая формулировка основной теоремы Шеннона в теории информации // УМН. 1959. Т. 14. № 6. С. 3–104.
18. Feinstein A. On the coding theorem and its converse for finite-memory channels // Il Nuovo Cimento. 1959. V. 13. 560–575.
19. Proakis J.G. Digital Communications. 4th ed. N.Y.: McGraw-Hill. 2001.
20. Digital communication over fixed time-continuous channel with memory with special application to telephone channels: Tech. Rep. 430 / Mit Res. Lab. Electron. Cambridge, МА. 1964.
21. Ермолаев В.Т., Флаксман А.Г. Теоретические основы обработки сигналов в системах мобильной радиосвязи. Нижний Новгород: Изд-во ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 2010.
22. Sunde E.D. Theoretical Fundamentals of Pulse Transmission – I // The Bell System Technical Journal. 1954. May. P. 721–788.
23. Sunde E.D. Theoretical Fundamentals of Pulse Transmission – II // The Bell System Technical Journal. 1954. July. P. 987–1010.
24. Овсеевич И.А., Пинскер М.С. Оценка пропускной способности некоторых реальных каналов связи // Радиотехника. 1958. Т. 13. № 4. С. 15–25.
25. Овсеевич И.А., Пинскер М.С. Оценка пропускной способности канала связи, параметры которого являются случайной функцией времени некоторых реальных каналов связи // Радиотехника. 1957. Т. 12. № 10. С. 40–46.
26. Сифоров В.И. Об условиях получения высокой пропускной способности каналов связи со случайными изменяемыми параметрами // Электросвязь. 1958. № 1. С. 30–35.
27. Кловский Д.Д. Передача дискретных сообщений по радиоканалам. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Радио и связь. 1982.
28. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. радио. 1970.
29. Цыбаков Б.С. О пропускной способности дискретного по времени гауссовского канала с фильтром // ППИ. 1970. Т. 6. Вып. 3. С. 78–82.
30. Gallager R.G. Information Theory and Reliable Communication. New York, NY, USA: Wiley. 1968.
31. Hirt W., Massey J.L. Capacity of Discrete-Time Gaussian Channel with Intersymbol Interference // IEEE Transactions on Information Theory. 1988. V. 34. № 3. P. 380–388.
32. Xiang W., Pietrobon S.S. On the capacity and normalization of ISI channels // IEEE Trans. Inf. Theory. 2003. V. 49. № 9. P. 2263–2268.
33. Barry J.R., Lee E.A., Messerschmitt D.G. Capacity Penalty Due to Ideal Zero-Forcing Decision-Feedback Equalization // IEEE Transactions on Information Theory. 1996. V. 42. № 4. P. 1062–1071.
34. Shamai S., Ozarow L.H., Wyner A.D. Information rates for a discrete-time Gaussian channel with intersymbol interference and stationary inputs // IEEE Trans. Inf. Theory. 1991. V. 37. № 6. P. 1527–1539.
35. Shamai S., Laroia R. The Intersymbol Interference Channel: Lower Bounds on Capacity and Channel Precoding Loss // IEEE Transactions on Information Theory. 1996. V. 42. № 5. P. 1388–1404.
36. Arnold D., Loeliger H.-A. On the information rate of binary-input channels with memory // In Conference Record of. IEEE International Conference on Communications. (ICC 2001) (Helsinki, Finland. 11-14 June 2001). N.Y.: IEEE. V. 9. P. 2692–2695.
37. Shamai S., Ozarow L.H., Wyner A.D. Information rates for a discrete-time Gaussian channel with intersymbol interference and stationary inputs // IEEE Trans. Inf. Theory. 1991. V. 37. № 6. P. 1527–1539.
38. Shamai S., Laroia R. The Intersymbol Interference Channel: Lower Bounds on Capacity and Channel Precoding Loss // IEEE Transactions on Information Theory. 1996. V. 42. № 5. P. 1388–1404.
39. Arnold D., Loeliger H.-A. On the information rate of binary-input channels with memory // In Conference Record of. IEEE International Conference on Communications. (ICC 2001) (Helsinki, Finland. - 11-14 June 2001). N.Y.: IEEE. 2001. V. 9. P. 2692–2695.
40. Arnold D., Loeliger H.-A., Vontobel P.O., Kavˇcic´ A., Zeng W. Simulation-based computation of information rates for channels with memory // IEEE Trans. Inf. Theory. 2006. V. 52. № 8. P. 3498–3508.
41. Pfister H.D., Soriaga J.B., Siegel P.H. On the achievable information rates of finite-state ISI channels // In Proc. IEEE GLOBECOM, (25-29 November 2001 – San Antonio, TX). N.Y. 2001. P. 2992–2996.
42. Vontobel P.O., Kavˇcic´ A., Arnold D.M., Loeliger H.-A. A generalization of the Blahut-Arimoto algorithm to finite-state channels // IEEE Trans. Inf. Theory 2008. V. 54. № 5. P. 1887–1917.
43. Yang S. The Capacity of Communication Channels with Memory. A thesis on Doctor of Philosophy in the subject of Engineering Sciences. Harvard University. 2004.
44. Золотарев И.Д., Миллер Я.Э. Переходные процессы в колебательных системах и цепях. М.: Радиотехника. 2010.
45. Рытов С.М. Введение в статистическую радиофизику. Часть 1. Случайные процессы. М.: Наука, Гл. ред. физ-мат. литературы. 1976.
46. Gardner W.A., Napolitano A., Luigi P. Cyclostationarity: Half a century of research // Signal Processing. 2006. V. 86. № 4. P. 639–697.
47. Proakis J.G. Miller J. An adaptive receiver for digital signaling through channels with intersymbol interference // IEEE Transactions on Information Theory. 1969. V. 15. № 4. P. 484–497.
48. Proakis J.G. Digital Communications. 4th ed. N.Y.: McGraw-Hill. 2001.
49. Мордвинов А.Е. Исследование возможности повышения частотной эффективности линий связи за счет использования сигналов с взаимной интерференцией символов: дис. … канд. техн. наук: 05.12.04: дата защ. 12.10.08, дата утв. 21.05.09. МЭИ(ТУ).
50. Verdú S. Fifty Years of Shannon Theory // IEEE Trans. 1998. V.IT-44. № 6. P. 2057–2078.
51. Лернер И.М. К вопросу оптимизации амплитудно-частотных характеристик каналов связи с ФМН-n-сигналами, построенных на основе теории разрешающего времени // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Т. 13. № 9. С. 36–49.
52. Лернер И.М. О влиянии формы амплитудно-частотной характеристики на пропускную способность канала связи с памятью, использующего принципы теории разрешающего времени, с АФМн-N-сигналами // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Т. 13. № 10. С. 45–59.
53. Лернер И.М., Файзуллин Р.Р., Яушев С.Т. О повышении пропускной способности беспроводных систем связи с ФМн-n-сигналами в каналах связи с межсимвольными искажениями // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2019. № 3. С. 159–168.
54. Лернер И.М. Оценка пропускной способности беспроводных систем связи на основе выбора оптимальной комплексной частотной характеристики канала // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2019. № 4. С. 142–151.
55. Лернер И.М., Ильин Г.И. Ограничение пропускной способности избирательными системами при воздействии ФМн-n-сигнала // Нелинейный мир. 2017. Т. 15. № 1. С. 8–12.