И.М. Лернер1, А.Н. Хайруллин2, В.И. Ильин3, Г.А. Гарифуллина4

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

3 Казанский федеральный университет (г. Казань, Россия)

4 Казанский национальный исследовательский технологический университет (г. Казань, Россия)

1 aviap@mail.ru, 2 mr.khayrullin.a@gmail.com, 3 vilin43@mail.ru, 4 gulnarakdrv03@mail.ru

Постановка проблемы. Проблема обеспечения высокой удельной пропускной способности перспективных проводных телекоммуникационных систем является одной из ключевых последнего десятилетия. При этом, несмотря на существующие спектрально эффективные методы модуляции, которые применяются в существующих системах связи, дальнейшее решение данного вопроса большинство ведущих исследователей связывает с переходом к режиму передачи информации со скоростью «выше скорости Найквиста» (ВСН), при котором съем информации о канальном символе происходит при ярко выраженной межсимвольной интерференции. В свою очередь, это обуславливает трудности при практической реализации приемника, который при использовании оптимальных алгоритмов обработки сигналов имеет неполиномиальную вычислительную сложность, а в случае субоптимальных методов демодуляции, реализующих различные виды канального выравнивания, из-за концептуальных ограничений не могут обеспечить широкий охват скоростей в данном режиме. В этой связи исследования альтернативного подхода обработки сигналов с многопозиционной амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ-n-сигналы) в частотно-селективных каналах связи (ЧСКС) основной полосы в режиме ВСН является актуальным.

Цель. Исследовать возможности, предлагаемые теорией разрешающего времени для ЧСКС основной полосы, в которых передача информации осуществляется с помощью АИМ-n-сигнала, в режиме ВСН.

Результаты. Представлена модифицированная математическая модель ЧСКС, благодаря которой получены аналитические выражения для оценки удельной пропускной способности в терминах наименьшей оценки удельной пропускной способности, введённой Ш. Шамаем, выражения для оценки вероятности ошибки на бит, в том числе при действии дестабилизирующих факторов на систему символьной синхронизации. Введены дополнительные оценки пропускной способности и правила определения условий их достижения, удобные для проведения инженерного анализа. Посредством численного моделирования для наиболее типичных условий, свойственных проводным ЧСКС, которые моделируются в данной работе фильтрами Чебышева с неравномерностью в полосе пропускания 3 дБ и Баттеровота, показано, что в режиме ВСН при соотношении С/Ш не более 40 дБ и нестабильности работы системы символьной синхронизации в 2,5% от длительности канального символа при вероятности ошибки на бит, равной 10–12, можно ожидать достижения удельной пропускной способности в 5,7–8 бит/Гц·с. Показано, что данные результаты достигаются за счёт применения гибридных форм парциальных импульсов.

Практическая значимость. На основе проведенных исследований представлены рекомендации по выбору формы парциального импульса и рассмотрены их основные свойства с точки зрения инженерного применения.

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. Т. 77. № 1. С. 37–50. DOI 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 10.18127/j20700784-202302-02.
3. Лернер И.М., Файзуллин Р.Р., Шушпанов Д.В., Ильин В.И., Рябов И.В., Хайруллин А.Н. Повышение удельной пропускной способности как фундаментальная проблема теории связи. Стратегия развития в постшенноновскую эпоху. Часть 3. Ретроспективный обзор методов оценки пропускной способности частотно-селективных каналов связи при наличии при наличии межсимвольных искажений и использовании ФМн-n и АФМн-N-сигнала // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. T. 77. № 3. С. 24–33. DOI 10.18127/j20700784-202303-02.
4. Лернер И.М., Файзулин Р.Р. Рябов И.В. Оптимизированный алгоритм оценки пропускной способности каналов связи, функционирующих на базе теории разрешающего времени // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 4. С. 91–109. DOI 10.18127/ j00338486-202204-13.
5. Ishihara T., Sugiura S., Hanzo L. The Evolution of Faster-Than-Nyquist Signaling // IEEE Access. 2021. V. 9. P. 86535-86564. DOI 10.1109/ACCESS.2021.3088997.
6. Махьюб Х.Е.А., Кисель Н.Н., Грищенко С.Г. Повышение спектральной эффективности канала в беспроводных системах связи пятого поколения на основе системы массив-MIMO // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. № 11(172). С. 63–72.
7. Lender A. The duobinary technique for high-speed data transmission // IEEE Transactions on Communication and Electronics. 1963. V. 83. № 2. P. 214–218. DOI 10.1109/TCE.1963.6373379.
8. Tufts D.W. Nyquist's problem – The joint optimization of transmitter and receiver in pulse amplitude modulation // Proceedings of the IEEE. 1965. V. 53. № 3. P. 248–259. DOI 10.1109/PROC.1965.3682.
9. Marko Н. Kann man ueber die Nyquistrate hinaus uebertragen. Moeglichkeiten und grenzen der digitalen uebertragung mit und ohne quanttisierte rueckkopplung // AEU. 1982. V. 36. № 6. P. 238–244.
10. Mazo J.E. Faster than Nyquist-Signaling // The Bell System Technical Journal. 1975. V. 54. № 8. P. 1451–1462. DOI 10.1002/ j.1538-7305.1975.tb02043.x.
11. Ishihara T., Sugiura S. Iterative Frequency-Domain Joint Channel Estimation and Data Detection of Faster-Than-Nyquist Signaling // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2017. V. 16. № 9. P. 6221–6231. DOI 10.1109/TWC.2017.2721367.
12. Lerner I.M., Khairullin A.M. Resolution time theory in the topic of broadband communications. Algorithm for data dependent jitter and capacity estimations with polynomial time execution // T-Comm. 2023. V. 17. № 5. P. 48–57. DOI 10.36724/2072-8735-2023-17-5-48-57.
13. Хайруллин А.Н., Лернер И.М., Аюпов Т.А. Алгоритм оценки пропускной способности на базе теории разрешающего времени с линейной вычислительной сложностью для частотно-селективных каналов связи и АИМ-n-сигналов // Радиотехника. 2024. Т. 88. № 1. С. 31−43. DOI 10.18127/j00338486-202401-04.
14. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. Изд. 2-е. М.: Радио и связь. 1982. 624 с.
15. Лернер И.М. Методы оценки пропускной способности с учётом требуемой помехоустойчивости фазовой радиотехнической системы с последовательной передачей информации в среднеширотных узкополосных КВ-каналах связи // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2023. № 1(57). С. 24–40. DOI 10.25686/2306-2819.2023.1.24.
16. Лернер И.М. Способ повышения пропускной способности радиотехнической системы с последовательной передачей информации в узкополосных КВ-каналах связи на базе теории разрешающего времени // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2023. № 1(57). С. 6–23. DOI 10.25686/2306-2819.2023.1.6.
17. Shamai S., Ozarow L.H., Wyner A.D. Information rates for a discrete-time Gaussian channel with intersymbol interference and stationary inputs // IEEE Transactions on Information Theory. 1991. V. 37. № 6. P. 1527–1539. DOI 10.1109/18.104314.
18. Филиппов Е.А., Вольсков А.А. Проектирование и расчёт усилителей и активных фильтров: учеб. пособие. Пенза: ПГУ. 2013. 108 c.