星基AIS信號解調(diào)算法性能分析*

吳川隆，初翠強，王 翔，姜文利，柳 征

（1.國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410073；2.中國人民解放軍61541部隊，北京100094）

星基AIS信號解調(diào)算法性能分析*

吳川隆1，初翠強2，王 翔1，姜文利1，柳 征1

（1.國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410073；2.中國人民解放軍61541部隊，北京100094）

星基AIS采用非合作式通信方式，具有覆蓋范圍廣、通信距離遠等特點。為了考察現(xiàn)有算法對星基AIS低信噪比、強干擾信號等復(fù)雜工作環(huán)境的適應(yīng)能力，從低信噪比環(huán)境、抗干擾能力等四個方面對1比特差分（1D）解調(diào)算法、2比特差分（2D）解調(diào)算法、1+2比特聯(lián)合差分反饋（1+2DF）解調(diào)算法、1+2+3比特聯(lián)合差分反饋（1+2+3DF）解調(diào)算法以及基于PSP的最大似然序列估計（PSP-MLSE）算法進行了性能分析。分析結(jié)果表明，PSP-MLSE算法抗干能力較強，能夠更好地適應(yīng)低信噪比和強干擾環(huán)境；1+2DF解調(diào)算法和1+2+3DF解調(diào)算法雖然抗干擾能力及適應(yīng)低信噪比環(huán)境的能力相對較弱，但是能夠容忍更大的中心頻率估計誤差，并且算法復(fù)雜度較低。分析結(jié)論對于不同的應(yīng)用場合選用不同的解調(diào)算法有較好的指導(dǎo)意義。

星基AIS；GMSK；差分解調(diào)；AMP；逐留存處理

0 引言

為便于船舶之間的通信，國際海事組織（IMO）、國際航標協(xié)會（IALA）和國際電信聯(lián)盟（ITU-R）等聯(lián)合推廣了自動識別系統(tǒng)（AIS），該系統(tǒng)是一個具有船舶識別、通信和導(dǎo)航等功能的協(xié)航電子系統(tǒng)，通過TDMA方式實現(xiàn)自組織通信。然而，由于AIS系統(tǒng)通信距離僅為20海里［1］，該系統(tǒng)只能用于臨近船舶之間的通信。為實現(xiàn)大區(qū)域內(nèi)船舶的監(jiān)管、避免船舶發(fā)生安全事故，星基AIS平臺逐漸被廣泛應(yīng)用。星基AIS覆蓋范圍可達到1000km以上，能同時監(jiān)控多個自組織小區(qū)內(nèi)的船舶。星基AIS采用非合作式的通信并且工作在具有多普勒效應(yīng)、法拉第偏轉(zhuǎn)等復(fù)雜的空間環(huán)境中，這使得接收到的AIS信號具有信噪比低、多信號相互干擾的特點。因此，尋找能適應(yīng)低信噪比、抗干擾能力強、算法復(fù)雜度低的解調(diào)算法就具有實際意義。

當前的星基AIS解調(diào)算法主要包括：1比特差分（1D）解調(diào)算法［2］；2比特差分（2D）解調(diào)算法［3］；1+2比特聯(lián)合差分反饋（1+2DF）解調(diào)算法［2-3］；1+2+3比特聯(lián)合差分反饋（1+2+3DF）解調(diào)算法［4］；基于逐留存處理［5-6］（PSP）的最大似然序列估計（PSPMLSE）算法。本文將從不同的信噪比環(huán)境、中心頻率估計誤差、信干比環(huán)境及算法復(fù)雜度等方面考察以上算法對星基AIS單信號的解調(diào)能力。

1 AIS信號模型

AIS系統(tǒng)采用GMSK調(diào)制方式。與MSK調(diào)制系統(tǒng)相比，GMSK調(diào)制系統(tǒng)是在MSK調(diào)制系統(tǒng)前端添加入一個高斯低通濾波器。這使得GMSK信號不但具有MSK信號相位連續(xù)、功率譜在主瓣外衰減較快的特點，還具有緊湊的功率譜密度等優(yōu)點。GMSK

的表達式可寫為：

式中，an∈｛1，-1｝表示預(yù)調(diào)制序列，r（t）表示高斯濾波器對寬度為T的矩形脈沖響應(yīng)，可寫為：r（x）=T-1（Q（2πB（ln2）-1/2（x-T/2））-

式中，Q函數(shù)定義為：

設(shè)GMSK信號的記憶長度M為4，由AMP［7］分解理論可知，GMSK信號99%以上的能量都集中在主脈沖g（t）內(nèi)，因此，GMSK可近似寫為：

含噪情況下AIS信號可表示為：

式中，h表示信號x（t）的幅度，θ0分別表示初始相位，Δf分別表示殘余中心頻率，s（t）分別表示AIS發(fā)射機發(fā)出的GMSK基帶信號，n（t）表示加性高斯白噪聲。

利用實部能量最大的方法對信號y（t）進行碼速率采樣抽取，那么（5）式可寫為：

式中，M=M1+M2表示GMSK信號的記憶長度，k= 0，1，2，3，…。于是可得：

那么接收信號的表達式可以表示為：

PSP-MLSE信號解調(diào)算法就是從觀測序列y（k T）中估計出最優(yōu)碼序列。

2 解調(diào)算法

2.1 差分解調(diào)算法

1D解調(diào)算法和2D解調(diào)算法是GMSK信號解調(diào)算法中最常見的也是最易實現(xiàn)的算法。然而，1D解調(diào)算法解調(diào)能力弱，算法適應(yīng)能力差。相比于1D解調(diào)算法，2D解調(diào)算法有更高的正確判斷率，但具有錯判連帶性。因此，文獻［2］充分利用1D解調(diào)算法和2D解調(diào)算法的優(yōu)點，將兩種算法并行用于AIS信號的解調(diào)，并利用解調(diào)結(jié)果修正當前解調(diào)碼元的判決門限，使得處理GMSK信號的能力有了大幅度的提升。文獻［4］在文獻［2～3］的基礎(chǔ)上，通過擴大判決距離，提出了1+2+3DF解調(diào)算法，使得解調(diào)星基AIS信號的能力有了進一步提升。

2.2 基于PSP的序列估計算法

PSP算法是由Riccardo等人在未知信道參數(shù)的最大似然序列估計算法的結(jié)構(gòu)之上提出的一種能夠自適應(yīng)追蹤信道參數(shù)的符號序列估計算法。該算法將基于數(shù)據(jù)輔助的未知信道參數(shù)估計方法嵌入到經(jīng)典的Viterbi算法結(jié)構(gòu)中，能夠在不需要知道信號參數(shù)的前提下，利用LMS算法、RLS或者卡爾曼濾波追蹤信道參數(shù)以實現(xiàn)信號的解調(diào)。同時，Riccardo也指出，相比于傳統(tǒng)的跟蹤時變信道算法，PSP技術(shù)更為穩(wěn)健。

定義k時刻狀態(tài)為［ak-M1+1，ak-M1+2，…，ak+M2］。當輸入ak+M2時，狀態(tài)將會從μk-1轉(zhuǎn)移到μk，并且輸出yk，狀態(tài)轉(zhuǎn)移記為：

定義k-1時刻的分支路徑度量為：

式中，ck（μk-1→μk）表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移μk-1→μk對應(yīng)的向量，g＇k=h exp（j2πΔfk T+θ0）gk。

對于下一狀態(tài)μk，累計路徑度量為：

PSP算法對每條幸存路徑上對應(yīng)的符號序列進行參數(shù)估計，并將參數(shù)估計值用于下一時刻分支路徑度量的計算。信道參數(shù)估計的方法使用LMS算法，如下所示：

式中，β表示步長參數(shù)，（·）*表示取共軛。

3 性能分析

星基AIS作為一種非合作式的通信系統(tǒng)，具有通信距離遠、覆蓋范圍廣及衛(wèi)星飛行速度快等特點，這使得接收到的AIS信號信噪比較低，信號時域和頻域混疊及存在多普勒頻差。為了充分評估算法的性能，本節(jié)將從以下四個方面對算法進行性能對比分析：1）在平坦信道衰落條件下低信噪比（SNR）適應(yīng)能力分析；2）對中心頻率估計誤差的適應(yīng)能力分析；3）在AIS信號混疊條件下抗干擾能力分析；4）算法復(fù)雜度分析。

3.1 低信噪比條件下適應(yīng)能力分析

為測試在低信噪比條件下的適應(yīng)能力，設(shè)蒙特卡洛仿真次數(shù)為500，AIS信號中心頻率為0Hz，不同解調(diào)算法在低信噪比條件下的解調(diào)性能如圖1所示?？梢钥闯?，在信噪比為0dB的條件下，PSP-MLSE解調(diào)算法達到100%解包率，而1+2DF和1+2+3DF解調(diào)算法僅僅能達到80%的解包率。在信噪比為-4～0dB范圍內(nèi)，PSP-MLSE解調(diào)算法較1+2+3DF解調(diào)算法有了20%以上的性能提升?？梢姡琍SP-MLSE解調(diào)算法在低信噪比的條件下解調(diào)性能遠遠優(yōu)于其他四種算法。

圖1 低信噪比條件下算法性能分析

3.2 頻率估計誤差的影響

星基AIS工作環(huán)境復(fù)雜，在估計信號中心頻率時，存在一定的估計誤差，本小節(jié)將通過仿真分析來評估算法對頻率估計誤差的適應(yīng)能力。設(shè)AIS信號的信噪比分別為0dB、5dB，蒙特卡洛仿真次數(shù)為500。從圖2（a）中可以看出，當信噪比為0dB時，中心頻率估計誤差在-60～60 Hz范圍時PSP-MLSE解調(diào)算法的解包率大于差分解調(diào)算法。中心頻率估計誤差超出-60～60 Hz時，PSP-MLSE解調(diào)算法性能明顯下降。從圖2（b）中可以看出，當信噪比為5dB，中心頻率估計誤差在-60～60 Hz之間時，PSP-MLSE解包率曲線與1+2DF解調(diào)算法和1+2+3DF解調(diào)算法的解包率曲線基本重合并接近100%。當頻率誤差超出-60～60 Hz后，PSP-MLSE解調(diào)算法的解包率曲線迅速下降。通過以上分析可知，1+2DF解調(diào)算法和1+ 2+3DF解調(diào)算法的性能較優(yōu)且抗頻偏能力較強；PSP-MLSE解調(diào)算法對頻率估計誤差適應(yīng)范圍較小，但是，在-60～60Hz內(nèi)的頻率估計誤差范圍內(nèi)解調(diào)性能優(yōu)于其他算法。

圖2 不同頻率估計誤差下的算法性能分析

3.3 抗干擾能力分析

在船舶密度較大的區(qū)域，星基AIS信號碰撞概率較大，即可能接收到多個時頻域混疊的AIS信號，這就增加了從混疊信號中提取碼序列的難度。為便于分析，本小節(jié)僅考慮兩信號混疊條件下對強信號的提取能力。

星基AIS收到來自不同小區(qū)內(nèi)船舶發(fā)出的AIS信號，使得接收到的混疊的信號具有不同的頻率和幅度。經(jīng)過計算，星基AIS混疊信號的CFD（載頻差，即接收的兩個AIS信號間的頻率差）在0～7k Hz范圍內(nèi)，SIR（信干比，本文將幅度較小的AIS信號定義為干擾信號）一般在0～10dB。由圖3可知，當CFD分別取0 Hz、3000 Hz、6000 Hz時，不同SIR下，PSPMLSE解調(diào)算法的解調(diào)能力均優(yōu)于差分算法，而且CFD越大，算法的解調(diào)能力就越強，這主要是由于濾波預(yù)處理可將部分干擾信號濾除。

圖3 不同SIR下的算法性能分析

3.4 算法復(fù)雜度分析

以解調(diào)一條AIS消息為例，經(jīng)過最優(yōu)碼速率采樣后，有n個采樣點。對于1D解調(diào)算法和2D解調(diào)算法，都需要做n次乘法運算和n次加法運算；對于1+2DF解調(diào)算法，需要進行4n次乘法運算和8n次加法運算；對于1+2+3DF解調(diào)算法，需要進行11n次乘法運算和12n次加法。對于PSP-MLSE解調(diào)算法而言，由于涉及到路徑追蹤以及信道參數(shù)的更新，相比于以上算法，復(fù)雜度比較高，假設(shè)LMS算法迭代次數(shù)取10，那么乘法次數(shù)約為120n次乘法運算和150n次加法。通過以上分析可知，基于PSP的序列估計算法的復(fù)雜度遠遠超過了差分解調(diào)算法的運算次數(shù)，算法復(fù)雜度較高，要求星基AIS載荷具有較強的運算能力。

4 結(jié)束語

本文對1D解調(diào)算法、2D解調(diào)算法、1+2DF解調(diào)算法、1+2+3DF解調(diào)算法以及PSP-MLSE解調(diào)算法等五種AIS信號解調(diào)算法進行了性能對比分析。從分析結(jié)果可知，1+2DF解調(diào)算法和1+2+3DF解調(diào)算法適應(yīng)低信噪比環(huán)境和抗干擾能力相對較弱，但是能夠適應(yīng)較大的中心頻率估計誤差且算法復(fù)雜度遠低于PSP-MLSE解調(diào)算法，適合實時解調(diào)；PSP-MLSE解調(diào)算法能夠很好地適應(yīng)低信噪比環(huán)境，抗干擾能力強，但算法復(fù)雜度遠高于其他算法，如果星際AIS載荷運算能力較強或者要求在地面系統(tǒng)處理星基AIS信號，則可以采用該算法?！?/p>

［1］ Eriksen T，H?ye G，Narheim B，et al．Maritime traffic monitoring using a space-based AIS receiver［J］.Acta Astronautica，2006，58（10）：537-549.

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Performance analysis of demodulation algorithms for satellite-based AISsignals

Wu Chuanlong1，Chu Cuiqiang2，Wang Xiang1，Jiang Wenli1，Liu Zheng1
（1.College of Electronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，Hunan，China；2.Unit 61541 of PLA，Beijng 100094，China）

Satellite-based AIS，adopting the non-cooperative communication mode，has the characteristics of wide coverage and long communication distance.In order to adapt to the complicated space environments，demodulation algorithms for satellite-based AIS signals are discussed from different aspects，including low SNR，frequency estimation error，anti-interference ability，and so on.Simulation results show that the ratio of correct demodulation packages with PSP-MLSE is obviously higher than the differential demodulation algorithms，but has the higher complexity；1+2DF demodulation algorithm and 1+2+3DF demodulation algorithm have lower complexity and endure the greater center frequency error.The conclusions have a good guidance significance to select corresponding demodulation algorithms for different applications.

satellite-based AIS；GMSK；differential demodulation；AMP；per-survivor processing

TN975；TN927

A

國家自然科學(xué)基金資助項目（61401490）

2015-04-22；2015-06-08修回。

吳川?。?989-），男，碩士研究生，主要研究方向為通信信號處理。