С.В. Завьялов1, А.С. Орлова2, И. Лавренюк3, С.Б. Макаров4, А.А. Кузнецова5, А.А. Чекирева6, С.В. Волвенко7

1-7 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия)

1 zavyalov_sv@spbstu.ru; 2 ovsyannikova_as@spbstu.ru; 3 lavrenyuk_i@spbstu.ru;
4 makarov_sb@spbstu.ru; 5 kuznetsova_aa@spbstu.ru; 6 chekireva_aa@spbstu.ru; 7 svolvenko@spbstu.ru

Постановка проблемы. При широком использовании малых космических аппаратов (МКА) CubeSat требуется максимизировать скорость передачи данных из-за ограниченного времени сеансов связи. При этом необходимо сохранять близкой к теоретически возможной помехоустойчивость приема данных и учитывать технико-экономические ограничения на радиотехническую систему МКА. Миссии на основе МКА, применяющие протокол DVB-S2X для ретрансляции данных с низкой околоземной орбиты, имеют энергетические ограничения, которые определяют возможное аппаратное обеспечение и достижимые скорости передачи данных. В условиях увеличения объёмов информации и ограниченного времени на передачу возникает необходимость увеличения символьной скорости передачи за счёт применения технологии Faster-than-Nyquist (FTN). Однако применение «классических» форм импульсов (например, RRC) приводит к значительным энергетическим потерям при увеличении символьной скорости. В таких условиях одним из способов повышения эффективности систем DVB-S2X является использование оптимальных сигналов. Концепция оптимальных сигналов предполагает использование оптимальных импульсов, синтезированных в соответствии с заданными критериями и ограничениями оптимизации. В данной статье предлагается использовать оптимальные импульсы вместо импульсов RRC для удвоения скорости передачи символов при сохранении высокой помехоустойчивости приёма (BER).

Цель. Оценить возможность повышения скорости передачи сообщений при пакетной работе модема на базе протокола DVB-S2X путем использования оптимальных сигналов, обеспечивающих минимальные энергетические потери и построенных на основе амплитудных импульсов, длительность которых превосходит время передачи бита сообщения.

Результаты. Рассмотрена возможность применения оптимальных сигналов с протяженными амплитудными траекториями в системе передачи данных в соответствии со стандартом DVB-S2X. В ходе имитационного моделирования показано, что с помощью оптимальных сигналов на основе амплитудных импульсов, длительность которых превосходит время передачи бита сообщения, можно минимизировать энергетические потери при увеличении скорости передачи в отведенной полосе частот в два раза. Установлено, что использование оптимальных сигналов позволяет удвоить спектральную эффективность до значений 2,4 (бит/с)/Гц, что выше, чем в случае использования RRC-сигналов, спектральная эффективность которых составляет 1,2 (бит/с)/Гц.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть полезны при разработке модема на основе протокола DVB-S2X для радиотехнической системы передачи МКА, обеспечивающего удвоение скорости передачи информации и спектральной эффективности относительно существующих аналогов при минимальных энергетических потерях.

1. Ali Bachir A.-F.B., Zhour M., Ahmed M. Modeling and Design of a DVB-S2X system // 2019 5th International Conference on Optimization and Applications (ICOA). Kenitra. Morocco. 2019. Р. 1-5. DOI: 10.1109/ICOA.2019.8727700.
2. ETSI TR 102 376 (V1.1.1). Digital Video Broadcasting (DVB); User guidelines for the second generation system for Broadcasting Interactive Services News Gathering and other broadband satellite applications (DVB-S2). February 2005.
3. Ткаченко Д.А., Батов Ю.В., Пузько Д.А., Гельгор А.Л. Оценка эффективности использования цифровой предкоррекции в усилителях мощности спутниковых систем вещания DVB-S2/S2X // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 12. С. 48-57. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202212-04.
4. Puzko D., Batov Y., Tkachenko D., Gelgor A., Angueira P., Montalban J. Estimation of AM/PM Characteristics Impact on Performance of DVB-S2/S2X System with Digital Predistortion // 2022 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). St. Petersburg. Russian Federation. 2022. P. 134-138. DOI: 10.1109/EExPolytech56308.2022.9950945.
5. Batov Y., Puzko D., Gelgor A., Tkachenko D., Montalbán J., Angueira P. High Power Amplifier Nonlinearity Models and Digital Predistortion Techniques in DVB-S2X // 2022 IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (BMSB). Bilbao. Spain. 2022. P. 1-6. DOI: 10.1109/BMSB55706.2022.9828608.
6. Li Q., Gao Y., Gong F.-K., Zhao W.-Y., Ding H.-Y., Zhang Y. PAPR Analysis for Faster-Than-Nyquist Signaling in Satellite Communications // 2020 International Conference on Wireless Communications and Signal Processing (WCSP). Nanjing. China. 2020. P. 708-711. DOI: 10.1109/WCSP49889.2020.9299879.
7. Liu D. et al. An LDPC Encoder Architecture with Up to 47.5 Gbps Throughput for DVB-S2/S2X Standards // IEEE Access. 2022.  V. 10. P. 19022-19032. DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3151086.
8. Arnold S.S., Nuzzaci R., Gordon-Ross A. Energy budgeting for CubeSats with an integrated FPGA // 2012 IEEE Aerospace Conference. Big Sky. MT. USA. 2012. P. 1-14. DOI: 10.1109/AERO.2012.6187240.
9. Zeedan A., Khattab T. CubeSat Communication Subsystems: a Review of On-Board Transceiver Architectures, Protocols, and Performance // IEEE Access. 2023. V. 11. P. 88161-88183. DOI: 10.1109/ACCESS.2023.3304419.
10. Leveque K., Carleton L., King J., Cuseo Z., Babb R. Unlocking the Next Generation of Nano-Satellite Missions with 320 Mbps Ka-band Downlink: On-orbit results // 33rd Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, Utah State University. 2019.
11. Нгуен Т.Х.Ф., Гельгор А.Л. Повышение спектральной эффективности DVB-S2 путём применения сигналов с управляемой интерференцией и финитными импульсами // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2019. Т. 12. № 3. С. 37-47.
12. Makarov S.B. et al. Optimizing the Shape of Faster-Than-Nyquist (FTN) Signals with the Constraint on Energy Concentration in the Occupied Fre-quency Bandwidth // IEEE Access. 2020. V. 8. P. 130082-130093. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3009213.
13. Гельгор А.Л., Гельгор Т.Е. Новые формы импульсов для сигналов с частичным откликом, обеспечивающие выигрыш по отношению к сигналам Faster-than-Nyquist // Радиотехника. 2018. № 12. С. 39-48. DOI: 10.18127/j00338486-201812-05.
14. Гельгор А.Л., Тан Н.Ф.Х. Синтез спектрально-эффективных сигналов при наличии ограничения в виде спектральной маски // Радиотехника. 2018. № 12. С. 49-57. DOI: 10.18127/j00338486-201812-06.
15. ETSI EN 302 307-1 V1.4.1. Digital Video Broadcasting (DVB). Second generation framing structure, channel coding and modulation systems for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications. Part 1. DVB-S2.
16. Овсянникова А.С., Макаров С.Б., Завьялов С.В., Волвенко С.В. Оценка степени приближения информационной системы к границам Шеннона путем использования оптимальных по критерию максимальной концентрации энергии в полосе частот сигналов // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 1. С. 5-22. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202301-01.
17. Бексаев А.С., Овсянникова А.С., Завьялов С.В. Имитационная модель системы передачи сообщений с использованием оптимальных сигналов, построенных на основе собственных функций ограниченных по полосе ядер // Радиотехника. 2022.
    Т. 86. № 12. С. 21-32. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202212-02.
18. Макаров С.Б., Завьялов С.В., Овсянникова А.С. Оптимизация формы сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией с использованием критерия заданной скорости спада уровня внеполосных излучений // Известия высших учебных заведений России. Сер. Радиоэлектроника. 2022. Т. 25. № 4. С. 6-22.
19. Школьный Л.А. Оптимизация формы огибающей радиоимпульса // Радиотехника. 1975. Т. 30. № 6. С. 12-15.
20. Liu M., Xue W., Jia P., et al. Research on Spectrum Optimization Technology for a Wireless Communication System // Symmetry. 2019. V. 12. № 1. P. 34. DOI: 10.3390/sym12010034.
21. Орлова А.С., Макаров С.Б., Завьялов С.В., Волвенко С.В. Оптимальные сигналы для многолучевых каналов передачи данных // Радиотехника. 2025. Т. 89. № 3. С. 121-134. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202503-11.
22. Макаров С.Б., Завьялов С.В., Овсянникова А.С. Спектральная и энергетическая эффективность оптимальных АФМ сигналов с увеличенными размерами сигнального созвездия // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. 2022.
    № 2. С. 30-43.
23. Овсянникова А.С. Помехоустойчивость приема оптимальных сигналов с амплитудно-фазовой модуляцией на концентрических окружностях // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. 2024. № 2. С. 3-15.
24. Овсянникова А.С., Завьялов С.В., Макаров С.Б. Особенности решения оптимизационной задачи синтеза спектрально-эффек-тивных сигналов согласно критерию минимизации внеполосных излучений // Труды ежегодной НТК СПбНТОРЭС. 2020. № 1(76). С. 133-136.
25. Petrović V.L., Marković M.M., Mezeni D.M.E., Saranovac L.V., Radošević A. Flexible High Throughput QC-LDPC Decoder with Perfect Pipeline Conflicts Resolution and Efficient Hardware Utilization // IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. Dec. 2020. V. 67. № 12. P. 5454-5467. DOI: 10.1109/TCSI.2020.3018048.