《电子技术应用》

水上宽带甚高频(B-VHF)无线通信系统的性能分析

2016年电子技术应用第11期 作者:刘 侠,金东日,胡勤友
2016/12/19 16:25:00

刘  侠,金东日,胡勤友

(上海海事大学 商船学院,上海201306)


    摘  要: 水上宽带甚高频无线通信系统作为GMDSS现代化的发展重点,通过分析《ITU-R M.2092-0建议书》的地面部分通信技术特性和《ITU-R M.1842-1建议书》附件4的系统性能,得出如下结论:在达到307.2 kb/s传输速率的条件下,发射机信噪比应至少达到7.41;选择合适的发射机、接收机天线高度能够实现宽带VHF信号25海里的覆盖范围;接收机误码率信道容量都随着多阶QAM的阶数增加而增加,则阶数为16时,即16QAM可作为满足低误码率、高信道容量的优化选择。

    关键词: 宽带甚高频;信道容量;传输距离;误码率

    中图分类号: TN929.5;U675.75

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.024


    中文引用格式: 刘侠,金东日,胡勤友. 水上宽带甚高频(B-VHF)无线通信系统的性能分析[J].电子技术应用,2016,42(11):92-94,98.

    英文引用格式: Liu Xia,Jin Dongri,Hu Qinyou. Performance analysis of B-VHF wireless communication system[J].Application of Electronic Technique,2016,42(11):92-94,98.

0 引言

    随着我国海上运输及港口物流事业的迅速发展,数据通信逐渐成为支撑现代航运业的重要通信手段,甚高频(VHF)频段是沿海和内河航运的通信频段[1]。工作频率范围为156~174 MHz的传统VHF通信技术作为近距离海上通信的主要手段,发挥了巨大的作用,可用于专门的遇险呼叫、DSC通信和AIS通信,发射功率不大于50 W。目前我国沿海共有VHF岸台210座,其中有14个操作中心。但传统VHF系统存在频带窄、通信容量小等缺陷,无法满足日益增长的现代通信业务的需求[2]

    GMDSS复审和现代化作为国际海事组织(IMO)制定的未来海事通信重点发展内容之一,甚高频数据交换系统(VDES)是其主要研究方向,部分国家已经开展VHF 海上数据通信试验[3]。新一代的水上宽带甚高频通信系统(Broadband Very High Frequency,B-VHF)对海上信息交换带来新的革命,将为海上运输安全提供有力保障。本文旨在验证和分析新一代的水上宽带VHF通信系统可以实现的性能。

1 水上宽带甚高频(B-VHF)通信系统

    2008年初国际电联(ITU)正式发布水上VHF频段无线电数字通信新技术的研究成果ITU-R M.1842号技术建议书《水上移动业务频道交换数据和电子邮件的VHF无线电系统和设备的特性》,为VHF频段水上移动业务数字系统的开发提供指南[4]。2015年10月国际电信联盟发布《水上移动频段内的VHF数据交换系统的技术特性》,即《ITU-R M.2092-0建议书》[5],通过业务类型的不同,划分为VDES的应用特定消息、VDES的地面部分通信、VDES的卫星下行链路三方面的技术特性要求和建议。由于现有的技术条件的限制和AIS数字信道面临的压力,地面VDES计划被首先实施,甚至早于卫星设备资源获取之前。通过运用现代高速宽带数字通信的技术,可以提供一个高速的拥有更广阔运用前景的高速VHF通信系统,如图1所示。

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    综合《ITU-R M.2092-0建议书》的地面部分通信技术特性和《ITU-R M.1842-1建议书》附件4的要求,可以获得用于水上移动业务数据和电子邮件交换的宽带VHF无线电系统特性为:

    (1)发射类别应为100K0F1DDN。

    (2)频段应满足《无线电规则》(RR)附录18脚注)规定的两个相邻频道100 kHz的频道要求,每频道带宽为25 kHz。

    (3)如ETSI标准EN 300 392-2 v.3.2.1(2007-09年)所述,系统应在100 kHz带宽内包含32个功率相等的子载频,每一个子载频采用16-QAM调制,其数据速率(空中)为307.2 kb/s。

    本文按照上述水上B-VHF无线电系统特性要求,分析信道容量与发射机信噪比的关系、影响VHF信号传输距离的因素,以及误码率与接收机信噪比的关系。  2 水上B-VHF通信系统的性能分析

2.1 信道容量

    在评价无线信道时,信道容量是最重要的性能指标之一。信道容量描述的是在给定的信噪比和带宽条件下,某一信道能可靠传输的信息速率极限。根据香农有噪信道编码定理,系统传输速率只有在小于信道容量的前提下,才能实现无失真传输。根据香农公式,连续信道的信道容量为:

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其中,C代表信道容量(bit/s),N表示信道的加性高斯白噪声功率,S表示信号的功率,ρ=S/N是信道的信噪比。式(1)表示的是单位时间内传输信息量的理论最大值。

    《ITU-R M.1842-1建议书》附件4建立的水上B-VHF通信系统的信道容量,即传输速率为307.2 kbit/s,信道带宽为100 kHz,由此可得达到理论最大信道容量需要的无线信道的信噪比为:

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2.2 传输距离

    传播路径损耗是决定无线电波传输距离的主要因素。考虑到水上甚高频无线电波的频率范围是157~174 MHz、海岸电台天线高度为20 m~60 m、船舶电台天线高度为2 m~5 m,相当于工作在大蜂窝基站覆盖开阔区域。因此本文选择适用于基站天线高度高于其周围建筑物、信号频率范围150~1 500 MHz 、基站天线高度为30 m~200 m、移动台天线高度为1 m~10 m、收发天线间距离为1 km~20 km的Okumura—Hata模型,作为预测水上VHF频段无线电波的传播路径损耗模型。由于水上甚高频无线通信系统的工作环境在开阔水域区域,因此本文采用开阔水域的Okumura—Hata模型[6],则该模型的传播路径损耗公式为:

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2.3 误码率

    最小距离d是表征系统抗误码率性能强弱的重要参数[7],d与抗误码率能力成正比例关系,即最小距离越大,误码率越低。在宽带甚高频通信系统中,发射机采用正交幅度调制(QAM)。不同阶数(M)的正交幅度调制(MQAM)采用星座图表示,最小距离表示为:

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    由式(5)可以看出,随着阶数M的增加,虽然可以增加信息的传输速率,但是最小距离逐渐减少,抗误码性能下降,噪声容限随之减少,即误码率要求逐渐难以保证。在宽带甚高频通信系统中,发射机采用MQAM调制方式,在加性高斯白噪声信道中传输,接收机采用相干解调,则信号的平均误码率为:

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其中,E表示传输信号的平均能量,E/N0表示接收机信噪比。

3 仿真分析

    本文根据《ITU-R M.2092-0建议书》的地面部分通信技术特性和《ITU-R M.1842-1建议书》附件4的相关技术参数建立的宽带水上VHF无线通信系统,分析了系统中信道容量与输入信噪比的关系、通信传输距离与收发天线高度的关系、信号差错概率与接收机信噪比的关系。

3.1 信道容量

    图2表明,当输入信噪比较小时,信道容量与输入信噪比成正比关系;当信道条件较好时,即输入信噪比较大时,信道容量达到饱和状态,此时信道容量不受输入信噪比的影响。

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    此外可以看到,当输入信噪比为7.41左右时,采用4QAM和8QAM调制方式的发射机几乎达到信道容量的最大值,采用16QAM和32QAM调制方式的发射机处于较高的信道容量阶段,而采用64QAM调制方式的发射机还有较多的空余信道容量。可见,水上B-VHF通信系统采用16QAM调制达到307.2 kb/s的空中信道速率,能够适应实际通信条件,具有较高的信道利用率。

3.2 路径损耗

    根据国际电信联盟对水上VHF移动通信系统分配的频段,水上B-VHF通信系统使用频段157.200 MHz~ 157.300 MHz,本文性能分析中选取工作频率157 MHz。首先研究传输路径损耗与发射天线、接收天线的关系,选取通信方向为岸上基站发射、船上基站接收信号,船站与岸站之间的距离为20 km。

    当船站接收天线为3 m时,由图3可以看出,随着岸站发射天线的不断增高,传输路径损耗单调下降。同样,当岸站发射天线为34 m时,由图4可以看出,随着船站接收天线的不断增高,传输路径损耗单调下降。当实际通信环境、工作频率、最大通信距离确定时,可根据路径损耗的估算值选取岸站天线、船站天线的恰当高度。

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    在分析传输路径损耗与传输距离的关系中,同样选取工作频率157 MHz,通信方向为岸上基站发射、船上基站接收信号,岸站发射天线为34 m,船站接收天线为3 m。由图5可以看出,传输路径损耗随着传输距离的不断增加而增大;达到水上甚高频电波要求覆盖的最大距离25海里(约45 km)时,路径损耗大约是105 dB。

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3.3 接收机误码率

    由图6直观地看出,不同阶数(M)的QAM接收机随着接收机信噪比的增加,误码率非线性下降;而随着M的增大,最小距离d不断减小,接收机误码率有一定的增加;但在接收机信噪比小于10时,不同阶数QAM接收机的误码率差别不明显。因此采用16-QAM调制的水上B-VHF通信系统在实际信道环境下,能够满足较高的误码率要求,同时保证较高的数据传输速率。

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4 结论

    水上宽带VHF数据通信技术能够提供强大的通信传输功能,从而提高海上通信、执法、搜救的能力。本文通过对水上B-VHF无线通信系统的通信容量、通信距离、误码率的分析得出,传输容量、传输距离以及系统误码率三者之间相互矛盾,所以选择调制方式时要综合考虑,根据系统的具体要求来取舍,由此设计出合理的通信系统。因此水上B-VHF无线通信系统按照《ITU-R M.2092-0建议书》的地面部分通信技术特性和《ITU-R M.1842-1建议书》附件4给出的技术参数来实现,可以满足水上甚高频数据传输的有效性和可靠性。

参考文献

[1] 刘国良.船用甚高频(VHF)通信及使用注意事项[J].航海技术,2009(4):45-46.

[2] 华夏.对用宽带无线网取代VHF实现海上通信的研究[J].青岛远洋船员学院学报,2010,31(2):6-10.

[3] BOLAS E D,CARVALHO N B,VIEIRA J N,et al.Opportunistic usage of maritime VHF band-deployment challenges for a new regulatory framework[J].Wireless Engineering and Technology,2014(1):1.

[4] ITU-R M.1842-1(06/2009)建议书:在《无线电规则》附录18水上移动业务频道交换数据和电子邮件的VHF无线电系统和设备的特性[R].2009.

[5] ITU-R M.2092-0建议书(10/2015):VHF水上移动频段内的VHF数据交换系统的技术特性[R].2015.

[6] 陈能卿.海上超短波的通信计算[Z].2002.

[7] 张卫华,谢小芳,童峥嵘,等.CO-OFDM系统不同调制方式的性能分析[J].光通信技术,2011(6):36-38.

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