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。

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。

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°。

海上VHF无线信号传播模型测试验证研究

以甚高频数据交换系统(VHF Data Exchange System,VDES)为研究对象,合理选用有效可行的海上传播模型,并通过两次海上航行试验,验证VDES系统中各信道在不同距离下的通信能力,判断影响VDES系统通信距离的主要因素,为VDES系统的建设提供技术支撑。

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。

VDES系统基于TDMA方案的通信协议应用

VDES系统是第二代海上窄带通信系统,旨在实现全球范围内水上VHF频段提供更多、更快的数据交换能力。通过介绍通信协议构架和VDE-SAT半双工TDMA设计方案,给出了VDE通信的链路层设计。

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.

船舶通信与导航现代化发展趋势研究

追溯船舶通信与导航发展历史,针对国际海事组织提出的"全球海上遇险与安全系统(GMDSS)现代化"和"e-Navigation"战略,分析未来船舶通信与导航现代化采用的主要技术和业务,指出:1 VDES将在水上移动通信业务和卫星移动通信业务中广泛使用;2卫星通信将在未来船舶通信现代化中扮演更重要角色;3 VDES将助力AIS的升级;4 e-navigation战略目标就是实现船舶导航与信息交换现代化;5海上安全信息播发与接收技术将全面升级;6国际海事组织推进的GMDSS现代化和e-Navigation战略具有里程碑意义,对航运界诸多领域将产生广泛和深远的影响。

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CRC的ASM信号维特比纠错算法

为提高甚高频数据交换系统(very high frequency data exchange system,VDES)中应用特定消息(application-specific messages,ASM)的解码性能,提出一种基于循环冗余校验(cyclic redundancy check,CRC)的改进维特比纠错算法。通过合理降低符号状态数和使用部分CRC参与纠错,使该算法平衡了纠错性能和计算量,同时提出了新的分支度量以解决过于理想化的传统分支度量导致的性能损失。仿真表明,新分支度量相比传统分支度量提升了1dB的误帧率(packet error rate,PER)性能,在用12个CRC寄存器参与纠错的条件下,该方法比相干解调算法提升了1dB的PER性能,同时通过合理的符号状态数降低策略将计算量降为传统算法的1/4。

一种基于CRDSA的VDE-SAT随机接入方法

甚高频数据交换-卫星部分(VHF Data Exchange-Satellite,VDE-SAT)是下一代海事通讯系统甚高频数据交换系统(VHF Data Exchange System,VDES)的关键组成部分,用于实现航海船站与海事卫星以及航海船站间的相互通信和数据传输,其链路层接入性能对于VDES的实际应用效果有着重要影响。针对当前实际应用中航海船站随机接入VDES系统容易出现峰值吞吐量较低和线性工作区较短的问题,该文在深入分析国际电信联盟制定的ITU-R M.2092标准规范和航海船站接入VDE-SAT的技术特性,以及现有无线网络随机接入协议的基础上,提出一种适用于VDE-SAT的基于功率分集和直接序列扩频的竞争解决分集时隙ALOHA(Power Diversity and Direct Sequence Spread Spectrum CRDSA,PD-DS-CRDSA)方法。该方法在传统无线网络竞争解决分集时隙ALOHA(Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA,CRDSA)算法的基础上,通过采用多副本技术和连续干扰消除技术提高数据包成功解码率,同时引入功率分集和直接序列扩频技术,在一定程度上消除了传统CRDSA算法容易出现的“环路”问题。实验仿真结果表明,该方法在提高VDE-SAT随机接入的峰值吞吐量,延长线性工作区和降低数据包碰撞率等方面有较好表现。