一种基于海上甚高频数据交换系统(VDEs)的自适应QAM改进算法

由于传输速率较低的低阶调制能够保障可靠传输,而传输速率较高的高阶调制能够提升系统容量,对于海上甚高频时变衰落的无线信道,我们需要折中考虑数据传输速率和误码率,因此本文提出一种自适应子带划分的多进制QAM算法(ASD-MQAM),根据当前信道的状态自适应地选择合适的不同进制QAM调制方式,以适应信道动态变化、优化发射功率,提高海上VDEs通信系统的性能。

海上甚高频数据交换系统(VDES)建设与思考

党的十九大报告提出"加快建设海洋强国"战略发展要求。建立安全、高效、自主可控的海上信息服务保障体系迫在眉睫。甚高频数据交换系统(VDES)作为下一代海事通信系统,可提供全天时、全天候的甚高频数据通信、数据采集和海上物联等信息管控及服务,应用前景极为广阔。本文在对VDES系统国内外发展现状与趋势进行梳理的基础上,研究提出了VDES系统建设的对策建议。

基于甚高频数据交换系统(VDES)的航行警告信息播发研究

基于甚高频数据交换系统(VDES),并结合2020年天津港水域航行警告信息的播发情况,对航行警告信息的通信信道使用特性、报文格式、播发形式展开研究,在ASM信道播发的基础上,增加VDE信道播发功能,使航行警告信息的播发效果得到大幅提升。

基于甚高频数据交换系统的船舶编队通信网络最优路由方案

甚高频数据交换系统(VHF data exchange system,VDES)是国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)主导的e-航海战略与水面自主航行船舶的基本通信方式之一,计划2021年左右发布正式技术标准;其可提供船-船之间自组织高速数据交换,将有效推进船舶编队通信联网技术发展。为此,在分析海上真实船舶运动特征基础上,提出了一种船舶编队群组移动模型。以此为基础,研究了船舶编队通信网络特征,重点对基于VDES联网编队的自组织网络路由协议性能进行了仿真分析。结果表明,相对DSR(dynamic source routing)协议及DSDV(destination-sequenced distance-vector)协议,AODV(Ad Hoc on-demand distance vector)协议在路由开销及分组投递率方面具有显著的性能优势,能更好地适应基于VDES的船舶编队通信网络,满足船舶编队通信应用需求。

基于判决反馈的VDES解调系统设计与FPGA实现

甚高频数据交换系统(Very high frequency Data Exchange System,VDES)作为新一代船舶通信系统,具有广阔的应用前景。由于卫星相对船舶的高速运动,VDES中上行应用特定消息(Application-specific Message,ASM)链路会产生较大的多普勒频移,在接收端仅依靠已知训练序列估计的频偏等信道参数无法满足正确解调的性能要求。为此提出一种基于判决反馈的解调方法,通过分段解调,缩短每次解调的数据长度,提高解调时对频偏的容忍度,并利用每段解调的结果作为下一段未解调数据的导频,估计出当前数据中的信道参数。仿真结果表明,所提算法相较于无反馈相干解调算法性能大大提升。在上述研究的基础上,在可编程逻辑器件上实现了对ASM无导频上行链路的正确解调。

基于专利分析的星地一体化甚高频数据交换系统技术发展研究

甚高频数据交换系统(VDES),属于第三代海事通信系统,其主要针对传统船舶自动识别系统(AIS)进行加强和升级,可以在全球范围内的海事甚高频移动波段上提供更强的数据交换能力。

海上甚高频数据通信系统中的多径时延

为改进传统的海上甚高频(Very High Frequency,VHF)的模拟通信方式,实现海上通信现代化,针对国际灯塔与航标协会(International Association of Lighthouse Authorities,IALA)和国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)提出的VHF数据通信系统(VHF Data Exchange System,VDES)研究计划,建立基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)的数据传输模型.海上无线信道的多径时延的确定是建立OFDM系统的关键,因此通过建立海上无线信道的多径传播模型分析和计算海上无线信道的多径时延.通过实验证明,该方法能够获得较低的误码率,有效实现海上VHF数据通信.

VDES技术在海事管理中的应用研究

通过政企研学共同助力,推动VDES技术的行业标准、设备管理规范以及应用场景开发等相关领域研究,有效推进我国E航海建设的进一步实施。

IALA正式发布VDES VDL完整性监测指南(G1181)

近日,首个由我国提出并牵头的IALA数字技术委员会任务,也是首个由我国牵头制定的VDES国际指南——《甚高频数据交换系统(VDES)数据链路(VDL)完整性监测指南(G1181)》获得国际航标协会(IALA)理事会批准并于2023年12月14日正式发布。该指南由交通运输部海事局、北海航海保障中心、大连海事大学和相关企业组成的团队经过为期两年的努力,完成了主体内容的编制,并于2023年IALA数字技术委员会(原E航海委员会)第1次会议上完成了全部章节的编制。

基于OFDM的VDES地面子系统设计

为解决海上远距离通信给甚高频数据交换系统(VDES)地面子系统带来的严重多径干扰,将正交频分复用(OFDM)技术融入VDES地面子系统,在协议框架下完成对系统物理层时隙结构的设计,利用OFDM技术优越的抗多径性能解决VDES地面子系统存在的严重多径干扰问题。首先,在VDES地面子系统基础框架下,设计融合了OFDM技术的VDES地面子系统完整底层链路系统,并确保各子模块基础性能不差于建议书提供的需求指标。然后,利用MATLAB软件对系统开展了在逼近循环前缀(CP)大小的极限时延下多径信道环境的仿真测试,结果表明在大时延多径信道环境下系统仍具有很好的抗多径性能,且传输速率略高于当前VDES标准协议参数。最后,完成了系统的硬件设计并于大连海域完成海上实测,系统最大极限空口速率可达312.7 kbit/s。研究表明,把OFDM技术引入到VDES系统,对于帮助VDES系统对抗多径干扰,提升系统稳健性有相当重要的作用,这也是VDES系统发展需要探索的方向之一。

军民融合创新产业化商业模式探究——以VDES系统为例

随着e–航海进入全面实施阶段,海上通信导航领域核心技术的自主可控是摆在我国面前需要迫切解决的重要课题。甚高频数据交换系统VDES作为一种新型的数字通信系统,不仅有助于提高现有海上甚高频频段的通信速率,还将改变现有海上甚高频的通信方式,市场前景十分广阔。航天企业在卫星通信、飞行器测控通信领域积累了丰富的系统工程经验,将其应用于航海导航领域有利于加速VDES系统关键技术的攻克。本文对VDES系统进行了系统概述,全面分析了该系统的市场环境与发展前景,从中得出VDES系统商业模式的发展建议与启示,为后续市场发展提供参考决策,也为军民融合产业发展提供了蓝本。

VDES系统中π/4-OQPSK调制方式仿真研究

随着船舶自动识别系统(AIS)交换能力及链路负载与用户数量之间矛盾的日益凸显,甚高频数据交换系统(VDES)未来必将替代AIS系统。以VDES为研究背景,在对其工作机理及关键技术分析的基础上,针对该系统中的调制解调技术进行了深入研究,并以π/4-OQPSK调制方式为研究对象,对其通信过程进行仿真分析。仿真结果表明:在无信道干扰且信噪比15d B时系统误码性能在10-4以下;在莱斯信道下,当信噪比大于30d B时,系统误码性能在10-3以下。

基于VDES的船联网移动自组织路由协议研究

基于甚高频数据交换系统(VHF Data Exchange System,VDES),通过分析海上真实船舶运动特征,提出一种符合船舶移动特征的移动模型——船舶平滑转向的高斯马尔可夫移动模型。针对性地研究了不同船舶节点密度环境中的自组织网络路由协议,仿真分析了不同自组织网络路由协议应用于VDES时的数据传输性能。结果表明,按需距离矢量(Ad Hoc on-demand Distance Vector,AODV)路由协议明显优于其他路由协议,可将其作为VDES下船联网系统最优路由选择方案。

天地一体VDES发展现状及应用展望

一、前言甚高频数据交换系统(VHF Data Exchange System,VDES)集成了现有船舶自动识别系统(AIS)功能,并增加了特殊应用报文(ASM)和甚高频数据交换(VDE)双向数据通信功能,是新一代国际海事通信系统的重要组成之一,是未来船舶航行标配的通导设备和国际海事组织(IMO)认定的E-航海数字基础支撑系统。VDES系统是天基和岸基系统有机融合的天地一体化系统,随着技术和标准体系的不断发展与完善,VDES系统通过适用任何天气状况的VHF频段,在近岸和港口地区满足大规模、密集船船、船岸之间的双向数据交换(也将包括高压缩比的IP语音),在广阔海空领域,通过覆盖全球的低轨卫星网实现全球范围信息播报和双向数据交换,满足海上安全通信、全球立体观测、能源勘探、环境监测互联网应用场景下所需的天地一体化通信和万物感知的信息传输需求,并可以为“一带一路”、南北极等全球提供公共服务产品和服务平台,未来应用空间将极为广阔。本文在对VDES发展现状和系统构成进行全面梳理的基础上,结合当前我国海上数字通信相关业务需求,对未来天地一体VDES系统应用进行展望。

一种星载VDES接收机多通道碰撞信号分离算法

为了解决星载甚高频数据交换系统(Very-high-frequency data exchange system,VDES)接收的碰撞信号在欠定情况下的分离问题,提出一种基于随机近端梯度张量分解的多通道碰撞信号分离算法。该算法根据分离模型对预处理后的信号建立广义协方差矩阵集,堆叠形成张量模型,利用Tucker分解进行压缩得到核张量,减少计算复杂度,并采用随机近端梯度算法优化核张量分解过程,提高了分解精度,最终求得分离矩阵,估计出碰撞的多路源信号。仿真结果表明,该算法在欠定和适定情况下均取得了很好的碰撞信号分离效果。

基于数字多波束星载多通道VDES设计

阐述了甚高频数据交换系统(VDES)系统产生背景,针对目前普遍存在的系统通信速率受限以及自动识别系统(AIS)时隙冲突问题,提出一种全双工射频通信频段设计方法和时隙冲突解决途径。通过采用多个射频通道以及多个波束合成,利用阵列天线和数字波束合成(DBF)技术,将卫星大覆盖范围划分为多个相互独立区域,缩小单个天线波束视场覆盖范围,减少单波束范围内船舶数量,能有效降低AIS信号时隙冲突。以600 km卫星轨道为例,介绍了8通道及8个波束DBF设计方法,对波束视场和天线增益等进行了仿真计算。结果表明:多波束可覆盖±42°视场角范围,单波束视场角最大为±14°。

基于软件无线电的船用VDES调制解调的研究

船舶数据交换量的增加导致现有的船用自动识别系统(AIS)87B/88B VHF通信信道堵塞严重,数据的完整性传输受到现实的考验。为解决严峻的通信信道压力,甚高频数据交换系统(VDES)应运而生。文章基于软件无线电(SDR)技术,搭建基于Gnuradio软件及2块HackRF One硬件的软件无线电开发平台,进行16位正交幅度调制解调(16QAM),实现信号收发与处理,为船用VDES地面系统研究提出了一种可行性方案。

应用VDE的QPSK-CPM扩频系统多用户检测算法

连续相位调制扩频信号因为扩频序列随机变化,可以适应多用户通信,逐渐被应用到卫星通信中。甚高频数据交换系统随机接入信道采用了QPSK-CPM扩频调制方案,针对QPSK-CPM扩频系统的多用户检测问题,提出一种基于干扰消除检测的新型多用户检测算法,该算法通过对接收用户信息进行串行干扰消除级联一次迭代消除的方法来对多用户信息进行检测,且该算法能够有效消除用户的多普勒频偏及减小用户功率差带来的性能损失。通过对新算法仿真验证,结果表明,新算法比传统干扰消除检测算法具有更好的检测性能,在实时通信船舶数量达到800艘时,8个用户以内的混叠信息解帧率可达90%。

基于随机森林算法的VDES星船信道调度技术

为解决目前船舶通信系统AIS的信道拥塞问题,ITU、IMO及IALA等国际海事组织提出了VDES的概念。根据目前所颁布的ITU-R M.2092-0等相关国际标准,VDES主要采用SOTDMA的多址方式。SOTDMA可以有效缓解船-船与船-岸之间的时隙冲突,但是在远距离和大范围的星船通信中,时隙冲突仍旧存在。文章拟从天基VDE的角度出发,在船舶时隙预约的基础上,提出一种基于随机森林算法的VDES星船信道调度技术。该技术以当前时刻的业务集作为训练子集,采用随机森林算法进行预测,并把时隙预测结果作为下一时刻信道时隙的划分参考,以此增加在TDMA多址方式下的通信效率,且减少时隙冲突。同时,为了保证紧急业务的有效接入,提出了一种紧急业务的信道分配方法。

基于插值DFT相位差的VDES信号频偏估计算法

针对VDES系统中存在大范围多普勒频偏的问题,提出了一种基于插值DFT相位差的VDES信号频偏估计算法。首先在理论上分析了DFT相位差算法的估计误差,仿真发现其性能受频偏相对偏差影响严重,针对此缺点提出在计算相位差之前设置频偏相对偏差门限值,在门限值前后综合利用Quinn插值和Rife插值两方法对频偏相对偏差进行预估计,以此消除频偏相对偏差对估计性能的影响。仿真实验结果表明:该算法的频偏估计性能稳定,且精度接近克拉美罗界,可用于VDES接收机。