Т.Б. Хук1, А.Л. Гельгор2, Т.Е. Гельгор3, В.А. Варгаузин4, С.В. Розов5

1–5 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия)

1 huk.tb@edu.spbstu.ru; 2 agelgor@spbstu.ru; 3 tanya.gelgor@yandex.ru; 4 vargauzinhn@gmail.com; 5 svroz@ya.ru

Постановка проблемы. В системах мобильной связи 5-го (5G New Radio, 5G NR) и 4-го (Long Term Evolution, LTE) поколений предусмотрено использование сигналов с ортогональным частотным мультиплексированием и циклическим префиксом (Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing, CP-OFDM), а также зарезервирована возможность применения новых передовых технологий, в числе которых могут рассматриваться различные модификации и/или обобщения OFDM-сигналов, а именно: многочастотные сигналы с квадратурной амплитудной модуляцией со сдвигом и предварительной фильтрацией (Filter-Bank Multi-Carrier with Offset QAM, FBMC/OQAM) [1-6], фильтрованные OFDM-сигналы (Filtered-Orthogonal Frequency Division Multiplexing,
F-OFDM) [7, 8], обобщенные сигналы с частотным мультиплексированием (Generalized Frequency Division Multiplexing, GFDM) [8, 9], а также ортогональные сигналы с модуляций в двумерной плоскости «время - частота» (Orthogonal Time Frequency Space, OTFS) - так называемые сигналы с предварительной обработкой OTFS [4]. У FBMC/OQAM-, GFDM- и F-OFDM-сигналов наблюдается существенно более низкий уровень внеполосных излучений (Out-of-Band Emission, OOBE) по сравнению с OFDM-сигналами. При этом FBMC/OQAM-сигналы имеют наименьший уровень OOBE [1]. Тем не менее, аналогично OFDM-сигналам, в сценариях с высоко динамичными каналами эффективность их применения значительно снижается из-за увеличения интерференции между соседними поднесущими (Inter-Carrier Interference, ICI). В отличие от OFDM-сигналов и FBMC/OQAM-сигналов, сигналы с предварительной обработкой OTFS в условиях высоко динамичных каналов обеспечивают высокую эффективность передачи данных, хотя также, как и OFDM-сигналы имеют высокий уровень OOBE. Следовательно, совместное использование методов FBMC/OQAM-модуляции и предварительной обработки OTFS может быть эффективно при одновременном решении задачи снижения уровня OOBE и обеспечении устойчивости в сценариях с высоко динамичными каналами.

Цель. Выполнить оценку эффективности использования FBMC/OQAM-сигналов с предварительной обработкой OTFS в сценариях с высоко динамичными каналами на примере физического уровня системы мобильной связи 5G NR с помощью имитационного моделирования.

Результаты. Разработана имитационная модель физического уровня системы 5G NR, включающая в себя метод FBMC/OQAM-модуляции с предварительной обработкой OTFS (FBMC/OQAM-OTFS). На основе разработанной модели в среде MATLAB проведено имитационное моделирование для исследования зависимости помехоустойчивости приема FBMC/OQAM-OTFS-сигналов от параметров динамики каналов. Выполнена оценка вычислительной сложности алгоритмов обработки FBMC/OQAM-OTFS-сигналов и определены уровни OOBE. Проведен сравнительный анализ полученных данных с аналогичными результатами для CP-OFDM-сигналов. Показано, что по сравнению с использованием CP-OFDM-сигналов применение FBMC/OQAM-OTFS-сигналов позволяет существенно (от 12,2 до 112,3 дБ) снизить уровень OOBE и обеспечивает энергетический выигрыш от 0,7 до 5,6 дБ в зависимости от параметров канала. Установлено, что вычислительная сложность реализации метода FBMC/OQAM-OTFS-модуляции от 4 до 14 раз более вычислительно затратна, чем остальные методы модуляции (OFDM и OTFS). Показано, что уменьшить вычислительную сложность реализации FBMC/OQAM-OTFS-схемы можно за счет применения полифазной структуры.

Практическая значимость. Представленные результаты свидетельствуют о целесообразности применения FBMC/OQAM-OTFS-сигналов в системах мобильной связи 5G NR и выше при работе в специфических условиях высоко динамичных каналов.

Хук Т.Б., Гельгор А.Л., Гельгор Т.Е., Варгаузин В.А., Розов С.В. Оценка эффективности использования в мобильных сетях 5-го поколения сигналов с модуляцией FBMC/OQAM и предварительной обработкой OTFS для сценариев с высоко динамичными каналами // Радиотехника. 2024. Т. 88. № 3. С. 78−91. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202403-08

1. Phuoc Nguyen T. H., Khuc B., Petrov I., Lavrukhin T., Gelgor A. Improvement in Data Transmission Efficiency in Mobile 5G New Radio System using Filter Bank Multicarrier Signals // 2022 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). St. Petersburg, Russian Federation, 2022. P. 63-66. DOI: 10.1109/EExPolytech56308.2022.9950816.
2. Gelgor A., Gorlov A., Nguyen V.P. Performance analysis of SEFDM with optimal subcarriers spectrum shapes // 2017 IEEE Inter-national Black Sea Conference on Communications and Networking (BlackSeaCom). Istanbul, Turkey. 2017. P. 1-5.
   DOI: 10.1109/BlackSeaCom.2017.8277680.
3. Petrov I., Lavrukhin T., Khuc B., Gelgor A., Nguyen P.T.H. Possible Use of Simple TOFDM and SEFDM Signals in 5G NR // 2022 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). St. Petersburg, Russian Federation. 2022.
   P. 162-165. DOI: 10.1109/EExPolytech56308.2022.9950743.
4. Hadani R., Rakib S., Tsatsanis M., Monk A., Goldsmith A.J., Molisch A.F., Calderbank R. Orthogonal Time Space Modulation // 2017 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC). DOI: 10.1109/WCNC.2017.7925924.
5. Makarov S.B., et al. Optimizing the Shape of Faster-Than-Nyquist (FTN) Signals with the Constraint on Energy Concentration in the Occupied Frequency Bandwidth // in IEEE Access. V. 8. P. 130082-130093, 2020. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3009213.
6. Khuc B., et al. Channel Estimation and Equalization for OTFS Systems Over High-Mobility Channels // 2023 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). St. Petersburg, Russian Federation. 2023. P. 205-208.
   DOI: 10.1109/EExPolytech58658.2023.10318693.
7. Abdoli J., Jia M., Ma J. Filtered OFDM: A New Waveform for Future Wireless Systems // 2015 IEEE® 16th International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC). Stockholm. 2015. P. 66-70.
8. Hammoodi A., Audah L. Green Coexistence for 5G Waveform Candidates: A Review // in IEEE Access. 2019. V. 7. P. 10103–10126. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2891312.
9. Wu J., Ma X., Qi X., Babar Z., Zheng W. Influence of Pulse Shaping Filters on PAPR Performance of Underwater 5G Communication System Technique: GFDM // Wireless Communications and Mobile Computing. 2017. V. 2017. DOI: 10.1155/2017/4361589.
10. Filters M.D., Banks F., Networks P. Multirate Digital Filters, Filter Banks // Polyphase Networks. 1990. V. 78. № 1.
11. Nissel R., Schwarz S., Rupp M. Filter Bank Multicarrier Modulation Schemes for Future Mobile Communications // in IEEE Journal on Selected Areas in Communications. P(99): 1-1. DOI: 10.1109/JSAC 2017.2710022, 2017.
12. 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. Т. 82. № 1.
    С. 49-56.
13. Гельгор А.Л., Тан Н.Ф.Х. Синтез спектрально-эффективных сигналов при наличии ограничения в виде спектральной маски // Радиотехника. 2018. Т. 82. № 12, С. 49-57. DOI: 10.18127/j00338486-201812-06.
14. Макаров С.Б., Завьялов С.В. Оптимизация спектрально-эффективных многочастотных неортогональных сигналов // Радиотехника. 2016. Т. 80. № 12. С. 121-133.
15. Ван Н.Ф., Гельгор А.Л., Тан Н.Ф.Х. Преодоление спектральной эффективности сигналов OFDM путем использования оптимальных импульсов и применения алгоритма демодуляции M-BCJR // Радиотехника. 2018. Т. 82. № 12. С. 95-102. DOI: 10.18127/j00338486-201812-12.
16. Рашич А.В., Горбунов С.В., Урванцев А.С. Помехоустойчивость приема SEFDM-сигналов в канале с частотно-селек-тивными рэлеевскими замираниями // Радиотехника. 2018. № 1. С. 57-62.
17. Hashimoto N., Osawa N., Yamazaki K., Ibi S. Channel Estimation and Equalization for CP-OFDM-based OTFS in Fractional Doppler Channels // 2021 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC Workshops). Montreal, QC, Canada. 2021. P. 1-7. DOI: 10.1109/ICCWorkshops50388.2021.9473532.
18. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; NR; Base Station (BS) radio transmission and reception. 3GPP TS38.104 Release 17. March 2021.
19. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; NR; Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz. 3GPP TS38.901 Release 16. Nov 2020.