船舶物聯(lián)網(wǎng)中基于萊斯信道的導(dǎo)頻插值估計(jì)算法

魏文武,李洪星,李 屹,方 莉,陳 萍

(1.北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,北京 100876； 2.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是指以對物理世界的數(shù)據(jù)采集和信息處理為主要任務(wù)，以網(wǎng)絡(luò)為信息載體，可實(shí)現(xiàn)人-人、人-物、物-物之間信息交互的分布式復(fù)雜系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對萬事萬物進(jìn)行智能識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)大體可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層包括各種傳感設(shè)備，負(fù)責(zé)采集實(shí)時數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)層連接感知層和應(yīng)用層，將感知層獲得的數(shù)據(jù)及時傳送或共享給用戶。對面向船舶應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)而言，由于海域遼闊，船船和船岸距離往往很大，需要借助衛(wèi)星作為信息傳遞的中繼，為船舶物聯(lián)網(wǎng)提供更大的空間。通過衛(wèi)星上下行鏈路實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與船舶、地面間的雙向數(shù)據(jù)交互是甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)(VHF Data Exchange System，VDES)的一個重要功能。VDES是對船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)加強(qiáng)和升級的系統(tǒng)，在國際電信聯(lián)盟2012年世界無線電通信大會(WRC-12)上提出，并于2017年世界無線電通信大會(WRC-15)上由162個成員國及136個國際組織和團(tuán)體共同審議確定[1]。VDES在集成了現(xiàn)有AIS功能的基礎(chǔ)上，增加了特殊應(yīng)用報(bào)文(ASM)和寬帶甚高頻數(shù)據(jù)交換(VDE)功能，可以有效緩解現(xiàn)有AIS數(shù)據(jù)通信的壓力，為保護(hù)船舶航行安全提供有效的輔助手段，同時也將全面提升水上數(shù)據(jù)通信的能力和頻率使用效率[2]。

相較于之前AIS高斯信道模型，VDE采用的萊斯信道模型更加符合實(shí)際低軌衛(wèi)星通信環(huán)境。為了最大限度地消去萊斯信道的快衰落對通信產(chǎn)生的不利影響，VDES需要引入合適的信道估計(jì)算法。信道估計(jì)算法主要分類有3種：插入導(dǎo)頻信道估計(jì)算法、判決反饋信道估計(jì)算法和盲信道估計(jì)算法。鑒于VDES萊斯信道的衰落性質(zhì)，本文采用插入導(dǎo)頻信道估計(jì)算法。根據(jù)ITU-R M.2092-0建議書，對不同的插值次數(shù)和調(diào)制方式進(jìn)行了導(dǎo)頻估計(jì)性能仿真對比，證明了線性插值導(dǎo)頻信道估計(jì)在VDES的可用性。

1 萊斯信道模型

在移動通信中，瑞利分布是最常見的用于描述平坦衰落信號接收包絡(luò)或獨(dú)立多徑分量接受包絡(luò)統(tǒng)計(jì)時變特性的一種分布類型。2個正交高斯噪聲信號之和的包絡(luò)服從瑞利分布。瑞利分布的概率密度函數(shù)：

(1)

然而，VDES中由于衛(wèi)星和海上船舶之間存在直射波信號，這符合萊斯信道模型，即有一條主路徑，通過主路徑傳輸?shù)男盘枮橐粋€穩(wěn)定幅度Ak和相位φk，其余多徑傳輸過來的信號服從瑞利衰落模型，如式(1)所示。萊斯衰落的概率分布函數(shù)為[3]：

(2)

式中，I0(·)為第一類零階修正的貝塞爾函數(shù)[4]。萊斯信道的概率密度分布(PDF)如圖1所示。

文中需要借助matlab工具自帶函數(shù)random函數(shù)或者raylrnd函數(shù)，也可以直接使用ricianchan和ITU-R M.2092-0 建議書提供3 Hz最大多普勒頻移和rician衰落中固定分量和發(fā)散分量的線性比值10建立信道模型。

圖1 萊斯概率密度分布

2 插值算法

通信中插值算法一般是指在發(fā)送端的未知信號中特定位置插入已知信號。在接送端接收信號的特定位置提取出插值信號，從而根據(jù)插值信號的變化可以大致估算信道的參數(shù)[5]。最后根據(jù)估算的信道參數(shù)對接收的信號進(jìn)行修正，從而提高通信質(zhì)量。顯而易見，插值的信號越多對信道的估計(jì)就越準(zhǔn)確[6]。但是插值越多就會侵占用戶信號的帶寬。如何權(quán)衡這兩點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中很重要[7]。

2.1 算法描述

插值算法是通過鄰近的已知樣點(diǎn)信號值進(jìn)行加權(quán)平均的方法得到未知信號樣點(diǎn)。其中一次插值算法復(fù)雜度低，在無線通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

線性內(nèi)插是利用相鄰導(dǎo)頻信道響應(yīng)的估計(jì)值進(jìn)行線性插值，獲得其他數(shù)據(jù)位置上的信道響應(yīng)估計(jì)值的方法。每個導(dǎo)頻的信道響應(yīng)值可以看作是對信道響應(yīng)的采樣，只要滿足導(dǎo)頻間隔小于信道的相關(guān)時間或相關(guān)帶寬，就可以較準(zhǔn)確地在時域或頻域完成對信道的估計(jì)。線性內(nèi)插公式如下[8]：

(3)

式中，i為第i個數(shù)據(jù)符號，L為導(dǎo)頻間隔，m為第m個導(dǎo)頻符號。

以上可以看出2個連續(xù)插值點(diǎn)可以求出線性插值，而3個插值點(diǎn)可以求出二次插值多項(xiàng)式。依次類推可以得出當(dāng)插值點(diǎn)為n+1時，也就是通過n+1個連續(xù)的已知導(dǎo)頻點(diǎn)(Pn)(i= 0,1,… ,n),可以構(gòu)造出一個次數(shù)為n的代數(shù)多項(xiàng)式Pn(x)[9]。

(4)

其中

(5)

為了方便計(jì)算機(jī)計(jì)算可以按圖2流程圖進(jìn)行迭代計(jì)算[10]。

圖2 多項(xiàng)式插值算法計(jì)算流程

2.2 算法步驟

圖3為ITU-R M.2092-0 建議書提供的一種衛(wèi)星鏈路幀結(jié)構(gòu)，其中每幀包含5個時隙，持續(xù)133.33 ms，幀首部是50個非擴(kuò)頻前倒碼以及14個擴(kuò)頻前倒碼，中間是24個連續(xù)相間的9符號數(shù)據(jù)和1符號導(dǎo)頻，幀末尾是20符號的緩降和保護(hù)位。本文的插值算法中采用的導(dǎo)頻間隔是9個符號，導(dǎo)頻符號數(shù)為1個。每一幀有24段導(dǎo)頻數(shù)據(jù)段，共計(jì)240個符號。

圖3 VDE-SAT上行鏈路PL幀格式1

圖4為發(fā)送端流程圖。在發(fā)送端的工作是根據(jù)幀結(jié)構(gòu)先將數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻符號分別使用的是BPSK調(diào)制，再將調(diào)制好的導(dǎo)頻符號等間隔地插入數(shù)據(jù)符號。然后將成型的幀送入高斯信道和萊斯信道模型進(jìn)行傳輸。

圖4 發(fā)送端流程圖

圖5為接收端流程圖。接收端主要工作是將接收到的信號先將導(dǎo)頻符號和數(shù)據(jù)符號拆分開來。由于導(dǎo)頻符號是事先規(guī)定的，屬于已知確定信號，可以將接收的導(dǎo)頻符號和預(yù)定的導(dǎo)頻信號進(jìn)行對比，計(jì)算出信道對導(dǎo)頻信號的幅度和相位的影響，再將相鄰的導(dǎo)頻受到的信道衰落變化線性地分配到中間的數(shù)據(jù)符號上，從而估計(jì)出信道對信號的衰落影響，再在接收的數(shù)據(jù)信號基礎(chǔ)上補(bǔ)償相應(yīng)的衰落，達(dá)到消減信道對數(shù)據(jù)信號的衰落的影響。當(dāng)然對于不同的幀格式對應(yīng)的調(diào)制方式和導(dǎo)頻數(shù)據(jù)位數(shù)比例也有差異。

圖5 接收端流程圖

2.3 算法分析

對于多項(xiàng)式插值算法而言，雖然理論上次數(shù)越高估計(jì)的細(xì)粒度越小，估計(jì)性能會更優(yōu)，但是由于信道中添加了高斯噪聲，信號會產(chǎn)生不規(guī)則的毛刺，這些毛刺對插值估計(jì)影響很大，特別是次數(shù)越高影響越大。

文中的信道估計(jì)算法是將信道對信號的幅度影響估計(jì)和相位影響估計(jì)分開來的。所以算法的估計(jì)效果會隨著輸入信號的調(diào)制進(jìn)制數(shù)不同而不同。對于低進(jìn)制數(shù)調(diào)制如BPSK而言，算法的效果會較低。隨著進(jìn)制數(shù)的提高，信號對于幅度和相位的敏感度就越高，信道估計(jì)算法的效果就會更加明顯。

3 仿真結(jié)果

在仿真中，在調(diào)制方式為QPSK的條件下導(dǎo)頻估計(jì)對信號解調(diào)結(jié)果的影響如圖6所示。由圖6可以看出，在單純的高斯信道中由于高斯噪聲的影響，導(dǎo)頻估計(jì)會是誤比特率增加，但是對于萊斯信道而言，加入導(dǎo)頻估計(jì)后的誤比特率相較于未加導(dǎo)頻估計(jì)的有大幅度降低。而圖7中分別是噪聲在20 dB下加導(dǎo)頻估計(jì)和未加導(dǎo)頻估計(jì)的信號在經(jīng)過萊斯信道后的星座圖，對比可以看出導(dǎo)頻估計(jì)能較大程度修復(fù)萊斯信道對信號的衰落影響，使得信號的判決域區(qū)分更加明顯，側(cè)面解釋了導(dǎo)頻估計(jì)可以提高萊斯信道的通信效率。

圖6 QPSK導(dǎo)頻估計(jì)誤比特率

圖7 QPSK星座圖

16APSK調(diào)制方式下的誤比特率曲線和對應(yīng)的星座圖分別如圖8和圖9所示。相較于QPSK的星座圖可以看出調(diào)制進(jìn)制數(shù)更大時對應(yīng)的導(dǎo)頻估計(jì)效果更加明顯。

圖8 16APSK導(dǎo)頻估計(jì)誤比特率

圖9 16APSK星座圖

在16APSK調(diào)制方式下不同的多次插值估計(jì)下的誤比特率曲線如圖10所示。雖然線性插值即一次插值在算法上復(fù)雜度是最低的，但是估計(jì)效果卻是最好的。由于高斯白噪聲的毛刺影響，隨著插值的次數(shù)增大，導(dǎo)頻估計(jì)的效果反而越不理想。

圖10 多次插值導(dǎo)頻估計(jì)誤比特率

4 結(jié)束語

衛(wèi)星中繼是船舶物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的一個重要環(huán)節(jié)，極大地提高了船舶信息傳輸能力。VDES系統(tǒng)中船舶和衛(wèi)星之間的信號傳送由于存在直射分量，符合萊斯信道模型。而萊斯信道是快衰落信道，能對信號的幅度和相位產(chǎn)生較大的影響。本文提出算法簡單易實(shí)現(xiàn),仿真從誤比特率和星座圖兩方面對比了加入導(dǎo)頻估計(jì)前后的變化，可以看出導(dǎo)頻插值估計(jì)能在較大程度上削弱萊斯衰落，降低誤比特率，提高通信質(zhì)量。

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