tuzsutТруды учебных заведений связиProceedings of Telecommunication Universities1813-324X2712-8830СПбГУТ10.31854/1813-324X-2024-10-3-45-58KQSXLRtuzsut-590Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА, ФОТОНИКА, ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И СВЯЗЬELECTRONICS, PHOTONICS, INSTRUMENTATION AND COMMUNICATIONSКодовое разделение на основе двойного расширения спектра сигналаCode Division Based on Double Spread Spectrum Signalhttps://orcid.org/0000-0002-2674-5217КукунинД. С.KukuninD. S.

кандидат технических наук, доцент кафедры сетей связи и передачи данных Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

kukunin.ds@sut.ruСанкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-БруевичаРоссияThe Bonch-Bruevich Saint Petersburg State University of TelecommunicationsRussian Federation2024030720241034558Copyright © Кукунин Д.С., 20242024Кукунин Д.С.Kukunin D.S.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://tuzs.sut.ru/jour/article/view/590Актуальность

Актуальность: работа затрагивает проблемы широкополосной модуляции применительно к задачам множественного доступа. Обозначены преимущества кодового уплотнения в процессе расширения спектра сигнала, которое, как показано в работе, является перспективным методом параллельной передачи данных. Целью настоящей работы является, во-первых, повышение эффективности применения адресных последовательностей для идентификации отправителя и получателя информации; во-вторых, организация параллельного процесса передачи данных от одного узла ко многим, обеспечивающая анонимность получателя; и, в-третьих, сохранение низкого пик-фактора сигнала. В задачи работы входит выбор адресных кодовых конструкций, которые на двух этапах расширения спектра сигнала должны решить вопросы идентификации отправителей и получателей информации в сети на физическом уровне. Требуется построить модель системы, которая обеспечит параллельную передачу данных от одного узла ко многим. Важным требованием в такой сети множественного доступа должна стать возможность использования модуляции с наименьшим пик-фактором сигнала. Методы: в данной работе предлагается двухэтапная широкополосная модуляция методом прямого расширения спектра, где каждый узел-отправитель сначала формирует эквивалентный код Голда как сумму последовательностей максимальной длины, адресованных узлам-получателям, а затем использует идентифицирующую его самого адресную последовательность из набора ортогональных сигналов. В работе предложены методы обработки расширяющих спектр последовательностей на основе двойственного базиса поля Галуа, позволяющие достаточно эффективно выделять информацию, предназначенную для каждого получателя.

Результаты

Результаты: предложена модель системы параллельной передачи данных с множественным доступом на основе двухэтапного расширения спектра. Идентификация отправителей и получателей информации осуществляется механизмами формирования адресных сигнально-кодовых конструкций на физическом уровне. Возможен вариант реализации модели с анонимными получателями, когда любой из узлов-получателей не обладает информацией о данных, адресованных другим узлам. Также данная модель не противоречит использованию наиболее помехоустойчивого типа модуляции BPSK (или QPSK в режиме передачи одного разряда), который призван обеспечить предельно низкий пик-фактор сигнала. Новизна. Предложен принципиально новый метод адресации на физическом уровне для сети с параллельной передачей информации, который повышает эффективность использования частотного диапазона. Теоретическая и практическая значимость. Полученные в работе результаты, в перспективе, могут быть использованы при построении различных высоко помехоустойчивых сетей с множественным доступом, где важным требованием является, прежде всего, предельно низкий пик-фактор сигнала источников данных. К таким сетям можно отнести, в частности, сети, образованные роями БПЛА.

Relevance: The work addresses the problems of broadband modulation in relation to multiple access problems. The advantages of code multiplexing in the process of expanding the signal spectrum are indicated, which, as shown in the work, is a promising method of parallel data transmission. Purpose: The purpose of this work is, firstly, to increase the efficiency of using address sequences to identify the sender and recipient of information; secondly, to organize a parallel data transmission process from one node to many, ensuring the anonymity of the recipient and, thirdly, maintaining a low peak signal factor. Statement of the problem: The objectives of the work include the selection of address code structures, which, at two stages of expanding the signal spectrum, should solve the issues of identifying senders and recipients of information in the network at the physical level. It is required to build a system model that will ensure parallel data transfer from one node to many. An important requirement in such a multiple access network should be the ability to use modulation with the lowest signal crest factor. Methods: This work proposes two-stage wideband modulation using the direct spread spectrum method, where each sending node first generates an equivalent Gold code as the sum of sequences of maximum length addressed to recipient nodes, and then uses an address sequence identifying itself from set of orthogonal signals. The paper proposes methods for processing spectrum-expanding sequences based on the dual basis of the Galois field, which make it possible to quite effectively isolate information intended for each recipient. Results: A model of a parallel data transmission system with multiple access based on two-stage spectrum expansion is proposed. Identification of senders and recipients of information is carried out by mechanisms for the formation of address signal-code structures at the physical level. It is possible to implement a model with anonymous recipients, when any of the recipient nodes does not have information about the data addressed to other nodes. Also, this model does not contradict the use of the most noise-resistant type of modulation BPSK (or QPSK in single-bit transmission mode), which is designed to provide an extremely low signal crest factor. Novelty: A fundamentally new method of addressing at the physical level for a network with parallel information transmission is proposed, which increases the efficiency of using the frequency range. Theoretical and practical significance: The results obtained in the work, in the future, can be used in the construction of various highly noise-resistant networks with multiple access, where an important requirement is, first of all, an extremely low crest factor of the data source signal. Such networks include, in particular, networks formed by swarms of UAVs.

кодовое разделениепоследовательность максимальной длиныпоследовательность Голдаполе Галуадвойственный базисcode divisionmaximum length sequenceGold sequenceGalois fielddual basisстатья подготовлена в рамках прикладных научных исследований СПбГУТ, регистрационный номер 1023031600087-9-2.2.4;2.2.5;2.2.6;1.2.1;2.2.3 в ЕГИСУ НИОКТР.the article was prepared within the framework of applied scientific research of St. Petersburg State University, registration number 1023031600087-9-2.2.4;2.2.5;2.2.6;1.2.1;2.2.3 in the USISU of R&D.ReferencesБабков В.Ю., Никитин А.Н., Осенний К.Н., Сиверс М.А. Системы связи с кодовым разделением каналов. СПб.: TPMADA, 2003. 239 с.Babkov V.Yu., Nikitin A.N., Osenniy K.N., Sievers M.A. Code Division Communication Systems. St Petersburg: TPMADA Publ.; 2003. 239 p. (in Russ.)Бобровский В.И. Многопользовательское детектирование. Ульяновск: Вектор-С, 2007. 346 с.Bobrovsky V. N.I. Multiuser detection. Ulyanovsk: Vector-C, 2007. 346 p. (in Russ.)Бобровский В.И. Фрактальные алгоритмы многопользовательского детектирования «плотных» ансамблей сигналов // Техника средств связи. 2019. № 4(148). С. 15–28. EDN:YFHTZYBobrovsky V.I. Fractal algorithms for multiple user detectoring of “dense” signal assemblies. Means of communication equipment. 2019;4(148):15–28. (in Russ.) EDN:YFHTZY).Шахнович И.В. Современные технологии беспроводной связи. М.: Техносфера, 2006. 288 с. EDN:QMPRPTShakhnovich I.V. Modern Wireless Communication Technology. Moscow: Tekhnosfera Publ.; 2006. 288 с. p. (in Russ.) EDN:QMPRPTHajar A., Hamamreh J.M., Abewa M., Belallou Y. A Spectrally Efficient OFDM-Based Modulation Scheme for Future Wireless Systems // Proceedings of Scientific Meeting on Electrical-Electronics & Biomedical Engineering and Computer Science (EBBT, Istanbul, Turkey, 24‒26 April 2019). IEEE, 2019. DOI:10.1109/EBBT.2019.8742049Hajar A., Hamamreh J.M., Abewa M., Belallou Y. A Spectrally Efficient OFDM-Based Modulation Scheme for Future Wireless Systems. Proceedings of Scientific Meeting on Electrical-Electronics & Biomedical Engineering and Computer Science, EBBT, 24‒26 April 2019, Istanbul, Turkey. IEEE; 2019. DOI:10.1109/EBBT.2019.8742049Du Y., Liu J., Chen Y. Performance Analysis of Nonlinear SFBC OFDM Systems Over TWDP Fading Channel // IEEE Access. 2019. Vol. 7. PP. 101981‒101991. DOI:10.1109/ACCESS.2019.2927753Du Y., Liu J., Chen Y. Performance Analysis of Nonlinear SFBC OFDM Systems Over TWDP Fading Channel. IEEE Access. 2019;7:101981‒101991. DOI:10.1109/ACCESS.2019.2927753Кукунин Д.С., Когновицкий О.С., Березкин А.А., Киричек Р.В. Перспективы использования рекуррентных последовательностей в современной телекоммуникационной среде. СПб.: СПбГУТ, 2023. 289 с.Kukunin D.S., Kognovitsky O.S., Berezkin A.A., Kirichek R.V. Prospects for the use of recurrent sequences in the modern telecommunications environment. St Petersburg: The Bonch-Bruevich Saint Petersburg State University of Telecommunications Publ.; 2023. 289 p. (in Russ.)Когновицкий О.С. Широкополосные сигналы данных с расширением спектра прямой последовательностью и их характеристика // Труды учебных заведений связи. 2016. Т. 2. № 1. С. 82‒89. EDN:XCGQHPKognovitzkiy O. Wideband Data Signals with Direct Sequence Spread Spectrum and Their Properties. Proceedings of Telecommunication Universities. 2016;2(1):82‒89. EDN:XCGQHPKhudhair A.Y., Abd Khalid R.A. Reduction of the Noise Effect to Detect the DSSS Signal using the Artificial Neural Network // Proceedings of the 1st Babylon International Conference on Information Technology and Science (BICITS, Babil, Iraq, 28-29 April 2021). IEEE, 2021. PP. 185‒188. DOI:10.1109/BICITS51482.2021.9509880Khudhair A.Y., Abd Khalid R.A. Reduction of the Noise Effect to Detect the DSSS Signal using the Artificial Neural Network. Proceedings of the 1st Babylon International Conference on Information Technology and Science, BICITS, 28‒29 April 2021, Babil, Iraq. IEEE; 2021. p.185‒188. DOI:10.1109/BICITS51482.2021.9509880Visan D.A., Jurian M., Lita I., Ionescu L.M., Mazare A.G. Direct Sequence Spread Spectrum Communication Module for Efficient Wireless Sensor Networks // Proceedings of the 11th International Conference on Electronics Computers and Artificial Intelligence (ECAI, Pitesti, Romania, 27‒29 June 2019). IEEE, 2019. DOI:10.1109/ECAI46879.2019.9041979Visan D.A., Jurian M., Lita I., Ionescu L.M., Mazare A.G. Direct Sequence Spread Spectrum Communication Module for Efficient Wireless Sensor Networks. Proceedings of the 11th International Conference on Electronics Computers and Artificial Intelligence, ECAI, 27‒29 June 2019, Pitesti, Romania. IEEE; 2019. DOI:10.1109/ECAI46879.2019.9041979Dmitriyev E.M., Rogozhnikov E.V., Movchan A.K., Mukhamadiev S.M., Krukov Y.V., Duplishcheva N.V. Spread spectrum technology research and its application in power line communication systems // T-Comm. 2020. Vol. 14. Iss. 10. PP. 45‒52. DOI:10.36724/2072-8735-2020-14-10-45-52. EDN:VZDBDQDmitriyev E.M., Rogozhnikov E.V., Movchan A.K., Mukhamadiev S.M., Krukov Y.V., Duplishcheva N.V. Spread spectrum technology research and its application in power line communication systems. T-Comm. 2020;14(10):45‒52. DOI:10.36724/2072-8735-2020-14-10-45-52. EDN:VZDBDQQiu Z., Peng H., Li T. A Blind Despreading and Demodulation Method for QPSK-DSSS Signal With Unknown Carrier Offset Based on Matrix Subspace Analysis // IEEE Access. 2019. Vol. 7. PP. 125700‒125710. DOI:10.1109/ACCESS.2019.2938785Qiu Z., Peng H., Li T. A Blind Despreading and Demodulation Method for QPSK-DSSS Signal With Unknown Carrier Offset Based on Matrix Subspace Analysis. IEEE Access. 2019;7:125700‒125710. DOI:10.1109/ACCESS.2019.2938785Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. 384 c.Varakin L.E. Communication Systems with Noise-Like Signals. Moscow: Radio i svyaz' Publ.; 1985. 384 p. (in Russ.)Деев В.В. Методы модуляции и кодирования в современных системах связи. СПб.: Наука, 2007. 268 с.Deev V.V. Modulation and Coding Methods in Modern Communication Systems. St Petersburg: Nauka Publ.; 2007. 268 p. (in Russ.)Прокис Дж. Цифровая связь. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 2000. 797 с.Proakis J. Digital Communication. Translated from English. Moscow: Radio and Communications Publ.; 2000. 797 p. (in Russ.)Никитин Г.И. Применение функций Уолша в сотовых системах связи с кодовым разделением каналов: учебное пособие. СПб.: ГУАП, 2003. 86 с.Nikitin G.I. Application of Walsh Functions in Cellular Communication Systems with Code Division of Channels. St Petersburg: Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation Publ.; 2003. 86 p. (in Russ.)Кукунин Д.С., Березкин А.А., Киричек Р.В. Многослойные ортогональные структуры на основе последовательностей максимальной длины // Инфокоммуникационные технологии, 2022. Т. 20. № 2(78). С. 42‒50. DOI:10.18469/ikt.2022.20.2.05. EDN:DOLLWEKukunin D.S., Berezkin A.A., Kirichek R.V. Multilayer Orthogonal Structures Based on Maximum Length Sequences. Infokommunikacionnye Texnologii. 2022;20(2-78):42‒50. (in Russ.) DOI:10.18469/ikt.2022.20.2.05. EDN:DOLLWEKukunin D., Berezkin A., Kirichek R. Asynchronous Address System Using Code Division Based on Maximum Length Sequences // Proceedings of International Conference on Information, Control, and Communication Technologies (ICCT, Astrakhan, Russian Federation, 03‒07 October 2022). IEEE, 2022. DOI:10.1109/ICCT56057.2022.9976772Kukunin D., Berezkin A., Kirichek R. Asynchronous Address System Using Code Division Based on Maximum Length Sequences. Proceedings of International Conference on Information, Control, and Communication Technologies, ICCT, 03‒07 October 2022, Astrakhan, Russian Federation. IEEE; 2022. DOI:10.1109/ICCT56057.2022.9976772Кукунин Д.С., Березкин А.А., Киричек Р.В., Елисеева К.А. Асинхронная передача данных с использованием многослойных ортогональных структур в системах с кодовым разделением каналов // Электросвязь. 2023. № 1. С. 26‒35. DOI:10.34832/ELSV2023.38.1.003. EDN:HNTXNDKukunin D.S., Berezkin A.A., Kirichek R.V., Eliseeva K.A. Asynchronous data transfer using multilayer orthogonal structures in CDMA systems. Elektrosvyaz. 2023;1:26‒35. (in Russ.) DOI:10.34832/ELSV2023.38.1.003. EDN:HNTXNDКогновицкий О.С. Двойственный базис и его применение в телекоммуникациях. СПб.: Линк, 2009.Kognovitsky O.S. Dual basis and its application in telecommunications. St Petersburg: Link Publ.; 2009. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.