Оптимізація картезіанської петлі зворотного зв’язку для систем широкосмугових SDR-передавачів у мережах мобільного зв’язку 5G
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2025.100.%25pКлючові слова:
5G, програмно-конфігуроване радіо (SDR), величина вектору помилки (EVM), картезіанський зворотний зв'язок (CF), цифрова передкорекція (DPD), квазіциклічні коди низької щільності перевірок на парність (QC-LDPC), коефіцієнт помилки модуляції (MER), ортогональне частотне мультиплексування (OFDM), інтернет речей (IoT)Анотація
У статті досліджується застосування картезіанської петлі зворотного зв'язку (Cartesian Feedback, CF) для компенсації спотворень у широкосмугових системах радіозв’язку з програмно-конфігурованою архітектурою (Software-defined radio, SDR), зокрема в контексті мобільних мереж п’ятого покоління (5G), які включають технології ортогонального частотного мультиплексування (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM) та підтримують застосування Інтернету речей (Internet of Things, IoT). Метою дослідження є мінімізація нелінійних спотворень, таких як дисбаланс I/Q-складових і фазовий шум, за допомогою комбінованого аналого-цифрового підходу до компенсації, який передбачає використання цифрового передспотворення (Digital Predistortion, DPD) у поєднанні з петлею CF. Крім того, у межах дослідження проаналізовано вплив цих спотворень на завадостійкість систем 5G, зокрема на нестабільність величини вектора помилки (Error Vector Magnitude, EVM), із застосуванням сигнально-кодових конструкцій (Signal-Code Constructions, SCC), побудованих на основі квазіциклічних кодів з низькою щільністю перевірок парності (Quasi-Cyclic Low-Density Parity-Check Code, QC-LDPC) та полярних кодів при застосуванні модуляції 256-QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Такий подвійний акцент дає змогу всебічно оцінити як механізми корекції сигналу, так і їхній вплив на надійність передавання інформації. Запропонований підхід дозволяє суттєво зменшити обчислювальні витрати та затримки, що є критично важливим для практичного використання у системах 5G та додатках IoT. Об’єктом дослідження є ефективність петлі CF у поєднанні з DPD, проаналізована в середовищі Simulink Matlab із врахуванням впливу на величину вектора помилки (EVM), коефіцієнт похибки модуляції (Modulation Error Ratio, MER) та ймовірність бітової помилки (Bit Error Ratio, BER). У результаті дослідження показано, що петля CF у комбінації з DPD суттєво покращує якість сигналу, зменшуючи EVM та підвищуючи спектральну чистоту порівняно з традиційними методами компенсації, такими як цифрова еквалізація та передспотворення. Предметом дослідження є оптимізація петлі картезіанської петлі зворотного зв'язку для широкосмугових SDR-передавачів у мобільних мережах 5G з метою підвищення ефективності, зменшення затримок та забезпечення високої якості передавання сигналу в системах, що використовують технології OFDM і підтримують IoT-додатки. Запропонований підхід підвищує надійність і стабільність передавання даних у сучасних бездротових мережах, що особливо актуально з огляду на зростаючі вимоги до швидкості та якості обслуговування. Результати дослідження можуть бути корисними для розробників телекомунікаційного обладнання та інженерів, які займаються впровадженням передових технологій у сфері бездротового зв’язку.
Посилання
References
1. Marey, M. & Mostafa, H. (2021). Turbo Modulation Identification Algorithm for OFDM Software-Defined Radios. IEEE Communications Letters, Vol. 25, No. 5, pp. 1707–1711. doi:10.1109/LCOMM.2021.3054590.
2. Ghosh, A., Maeder, A., Baker, M., & Chandramouli, D. (2019). 5G Evolution: A View on 5G Cellular Technology Beyond 3GPP Release 15. IEEE Access, Vol. 7, pp. 127639–127651. doi:10.1109/ACCESS.2019.2939938.
3. Singh, B. K., Khatri, N. (2024). Enhancing IoT connectivity through spectrum sharing in 5G networks. International Journal of System Assurance Engineering and Management, Vol. 15, No. 10, pp. 5018–5029. doi:10.1007/s13198-024-02515-4.
4. Boiko, J., Pyatin, I., Eromenko, O., & Karpova, L. (2024). Evaluation of the Capabilities of LDPC Codes for Network Applications in the 802.11ax Standard. IoT Based Control Networks and Intelligent Systems. Lecture Notes in Networks and Systems, Springer: Singapore, Vol. 789, pp. 369–383. doi:10.1007/978-981-99-6586-1_25.
5. Abdulwahhab Mohammed, A. & Abdulwahhab, A.H. (2024). Analysis of potential 5G transmission methods concerning Bit Error Rate. AEU - International Journal of Electronics and Communications, Vol. 184, pp. 155407. doi:10.1016/j.aeue.2024.155407.
6. Li, J., Xu, Z., Hong, W., & Gu, Q. J. (2018). A Cartesian Error Feedback Architecture. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, Vol. 65, No. 3, pp. 1133–1142. doi:10.1109/TCSI.2017.2761394.
7. Chung S., Holloway, J. W., & Dawson, J. L. (2008). Energy-Efficient Digital Predistortion With Lookup Table Training Using Analog Cartesian Feedback. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 56, No. 10, pp. 2248–2258. doi:10.1109/TMTT.2008.2003139.
8. Falcon III RF-7800V-HH Handheld VHF Tactical Radio. Product details. L3Harris Technologies, last accessed Apr. 16, 2025.
9. Al-Rubaye, G. A. (2023). Performance of 5G NR-polar QAM-OFDM in nonlinear distortion plus Non-Gaussian noise over Rayleigh fading channel. AEU - International Journal of Electronics and Communications, Vol. 171, pp. 154929. doi:10.1016/j.aeue.2023.154929.
10. Anandkumar, D., & Sangeetha, R. G. (2022). Performance Evaluation of LDPC-Coded Power Series Based Málaga (Ḿ) Distributed MIMO/FSO LinkWith M-QAM and Pointing Error. IEEE Access, Vol. 10, pp. 62037–62055. doi:10.1109/access.2022.3180835.
11. Pyatin, I., Boiko, J., & Eromenko, O. (2024). Algorithmization and Hardware Implementation of Polar Coding for 5G Telecommunications. Transport and Telecommunication Journal, Vol. 25, Iss. 3, pp. 300–310. doi:10.2478/ttj-2024-0022.
12. Sun, H., Viterbo, E., Dai, B., & Liu, R. (2024). Fast Decoding of Polar Codes for Digital Broadcasting Services in 5G. IEEE Transactions on Broadcasting, Vol. 70, Iss. 2, pp. 731–738. doi:10.1109/tbc.2023.3345642.
13. Faulkner, M. (2000). An automatic phase adjustment scheme for RF and Cartesian feedback linearizers. IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 49, Iss. 3, pp. 956–964. doi:10.1109/25.845112.
14. Kerhervé, E., & Belot, D. (2015). Linearization and Efficiency Enhancement Techniques for Silicon Power Amplifiers. Academic Press (Elsevier), 154 p. doi:10.1016/c2013-0-00513-0.
15. Rawat, K., Roblin, P., & Koul, S. K. (2020). Digital Techniques for Broadband and Linearized Transmitters. Analog Circuits and Signal Processing, Springer International Publishing, pp. 301–350. doi:10.1007/978-3-030-38866-9_5.
16. Li, J., & Gu, Q. J. (2017). A low-noise cartesian error feedback architecture. 2017 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), pp. 1-4. doi:10.1109/iscas.2017.8050253.
17. Ock, S., Song, H., & Gharpurey, R. (2015). A Cartesian feedback-feedforward transmitter IC in 130nm CMOS. 2015 IEEE Custom Integrated Circuits Conference (CICC), pp. 1-4. doi:10.1109/cicc.2015.7338483.
18. Cavers, J. K., Mehrotra, K., & Woodward, G. K. (2019). Advantages of Second-Order Cartesian Feedback Linearizers for Radio Amplifiers. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, Vol. 66, Iss. 11, pp. 4134–4146. doi:10.1109/tcsi.2019.2926387.
19. Vaskovic, M., Kodogiannis, V. S., & Budimir, D. (2018). An adaptive fuzzy logic system for the compensation of nonlinear distortion in wireless power amplifiers. Neural Computing and Applications, Vol. 30, pp. 2539–2554. doi:10.1007/s00521-017-2849-3.
20. Cárdenas-Valdez, J. R., Núñez-Pérez, J. C., Galaviz-Aguilar, J. A., Calvillo-Téllez, A., Gontrand, C., et al. (2015). Modeling memory effects in RF power amplifiers applied to a digital pre-distortion algorithm and emulated on a DSP-FPGA board. Integration, Vol. 49, pp. 49–64. doi:10.1016/j.vlsi.2014.12.005.
21. Chettri, L., & Bera, R. (2020). A Comprehensive Survey on Internet of Things (IoT) Toward 5G Wireless Systems. IEEE Internet of Things Journal, Vol. 7, No. 1, pp. 16-32. doi:10.1109/jiot.2019.2948888.
22. Boiko, J., Druzhynin, V., Buchyk, S., Pyatin, I., & Kulko, A. (2024). Methodology of FPGA Implementation and Performance Evaluation of Polar Coding for 5G Communications. CEUR Workshop Proceedings, Vol. 3654, pp. 15-24.
23. Wang, X., Wang, J., Shen, Y., Shen, B., & Zhao, M. (2024). Low-Dimensional Post-Distortion for Nonlinear Power Amplifier in MIMO Systems. Wireless Personal Communications, Vol. 139, Iss. 3, pp. 1593–1605. doi:10.1007/s11277-024-11675-2.
24. Pyatin, I., Boiko, J., Eromenko, O., & Parkhomey, I. (2023). Implementation and analysis of 5G network identification operations at low signal-to-noise ratio. TELKOMNIKA (Telecommunication Computing Electronics and Control), Vol. 21, Iss. 3, pp. 496-505. doi:10.12928/telkomnika.v21i3.22893.
25. Babalola, A. H., Abdulkarim, O. A., Salihu, S. A., & Adebakin, T. O. (2024). Performance Analysis of MIMO-OFDM Systems in 5G Wireless Networks. In: Florez, H., Astudillo, H. (eds) Applied Informatics. ICAI 2024. Communications in Computer and Information Science, Vol 2237, pp. 278–291. doi:10.1007/978-3-031-75147-9_19.
26. Boiko, J., Eromenko, O., Kovtun, I., & Petrashchuk, S. (2019). Quality Assessment of Synchronization Devices in Telecommunication. 2019 IEEE 39th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), pp. 694-699. doi:10.1109/ELNANO.2019.8783438.
27. Oladimeji, T. T., Kumar, P., & Oyie, N. O. (2022). Propagation path loss prediction modelling in enclosed environments for 5G networks: A review. Heliyon, Vol. 8, Iss. 11, ph. e11581. doi:10.1016/j.heliyon.2022.e11581.
28. Kim, J., & Konstantinou, K. (2001). Digital predistortion of wideband signals based on power amplifier model with memory. Electronics Letters, Vol. 37, No. 23, pp. 1417-1418. doi:10.1049/el:20010940.
29. Morgan, D. R., Ma, Z., Kim, J., Zierdt M. G., & Pastalan, J.(2006). A Generalized Memory Polynomial Model for Digital Predistortion of RF Power Amplifiers. IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 54, No. 10, pp. 3852-3860. doi:10.1109/TSP.2006.879264.
30. Boiko, J., Kovtun, I., & Petrashchuk, S. (2017). Productivity of telecommunication systems with modified signal-code constructions. 2017 4th International Scientific-Practical Conference Problems of Infocommunications. Science and Technology (PIC S&T), pp. 173-178. doi:10.1109/INFOCOMMST.2017.8246374.
31. Mohamed, K. S. (2021). Hardware Realization of DPSK-Based Bluetooth Modem. Bluetooth 5.0 Modem Design for IoT Devices, Springer International Publishing, pp. 75–92. doi:10.1007/978-3-030-88626-4_4.
32. Zhang, Y., & Jiang, M. (2023). Genetic optimization of 5G-NR LDPC codes for lowering the error floor of BICM systems. Physical Communication, Vol. 58, pp. 102009. doi:10.1016/j.phycom.2023.102009.
33. Boiko, J., Pyatin, I., & Eromenko, O. (2024). Development of SC Polar Decoder Design Scenario for 5G/6G Telecommunications Applications. 2024 IEEE 17th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET), pp. 1-6. doi:10.1109/TCSET64720.2024.10755649.
34. Jan, Q., Hussain, S., Pan, Z., Liu, N., Ali, Z., Liu, Z., & You, X. (2023). Parity-check and G-matrix based intelligent early stopping criterion for belief propagation decoder for polar codes. Digital Communications and Networks, Vol. 9, Iss. 5, pp. 1148-1156. doi:10.1016/j.dcan.2022.12.011.
35. Boiko, J., Pyatin, I., & Eromenko, O. (2022). Analysis of Signal Synchronization Conditions in 5G Mobile Information Technologies. 2022 IEEE 16th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET), pp. 01-06, doi:10.1109/TCSET55632.2022.9766899.
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Ю. М. Бойко, І. С. Пятін , О. І. Єрьоменко , Л. В. Карпова
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у нашому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована нашим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у нашому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення рукопису роботи авторами в мережі Інтернет (наприклад, на arXiv.org або на особистих веб-сайтах). Причому рукописи статей можуть бути розміщенні у відкритих архівах як до подання рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання. Це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії, позитивно позначається на оперативності ознайомлення наукової спільноти з результатами Ваших досліджень і як наслідок на динаміці цитування вже опублікованої у журналі роботи. Детальніше про це: The Effect of Open Access.
