基于OFDM的VDES地面子系統(tǒng)設(shè)計*

(南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽421001)

1 引 言

隨著世界經(jīng)濟全球化的推進，海上航運事業(yè)的發(fā)展得到長足進步，同時也帶來了海上通信需求的爆炸式增長。傳統(tǒng)船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)作為應(yīng)用于船舶定位、船舶航行信息共享、船舶航行通告發(fā)布等通信需求的海上通信系統(tǒng)，是當前承載海上通信任務(wù)的中堅力量[1]。但因頻帶資源有限，導(dǎo)致AIS無法充分滿足海上通信應(yīng)用模式多樣化的需求，促使國際航標協(xié)會(International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities,IALA)和國際電信聯(lián)盟(International Telecommunications Union,ITU)自2013年開始共同努力推動新一代海上數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)VDES的發(fā)展[2]。VDES現(xiàn)集成了甚高頻(Very High Frequency，VHF)海上移動頻段(156.025～162.025 MHz)中VHF數(shù)據(jù)交換(VHF Exchange System，VDE)、應(yīng)用特定消息(Application-Specific Messages，ASM)和AIS功能，是一套囊括了船-船、船-岸基、船-衛(wèi)星、岸基-衛(wèi)星的空天地一體化的通信系統(tǒng)[2-3]。目前，全球范圍內(nèi)許多國家均對VDES系統(tǒng)展開了積極的科學研究。在VDES未來發(fā)展規(guī)劃方面，自2014年開始法國提出了涵蓋規(guī)則層和實施層跨度10年的發(fā)展規(guī)劃。特別是關(guān)于地面系統(tǒng)建設(shè)方面，國外已有許多船臺制造商積極投入VDES系統(tǒng)的使用開發(fā)中[2]。雖然關(guān)于VDES的相關(guān)研究及其應(yīng)用尚處于初期發(fā)展階段，但VDES系統(tǒng)因其具備的豐富應(yīng)用價值，吸引了國內(nèi)外大量學者對其進行深入的科學研究。

本文結(jié)合VDES地面子系統(tǒng)物理層的技術(shù)需求，融合正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術(shù)，構(gòu)造了VDES地面子系統(tǒng)物理層的通信鏈路系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計，并于大連海域完成系統(tǒng)的海上實測。本文系統(tǒng)的設(shè)計能夠在一定程度上滿足較大時延信道環(huán)境下的抗多徑需求，對VDES地面子系統(tǒng)的實際應(yīng)用具有一定的價值。

2 VDES系統(tǒng)地面子系統(tǒng)簡介

本文在綜合調(diào)研VDES系統(tǒng)之后，著重針對VDES地面子系統(tǒng)作相關(guān)研究。VDES地面子系統(tǒng)即針對船與船、船與岸基之間的高速數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，它支持實時通信和信息確認回傳，信息接收可靠性高，通信半徑可達20～50 n mile，擁有6個國際通用無線電通道，同時支持額外的區(qū)域性通道等[3]。VDES地面子系統(tǒng)主要的應(yīng)用場景為海上船與船、船與岸基之間的通信，因而無線信號的傳輸主要為視距(Line-of-Sight，LOS)傳輸，同時傳播過程中海上遮擋信號傳播的障礙物較少(海面可近似等效為鏡面)，易帶來海上VHF信號的反射增加，多徑干擾問題較為突出[4]。因此，系統(tǒng)的抗多徑性能已然成為VDES地面子系統(tǒng)通信性能優(yōu)良評判的一個重要指標。

ITU在2015年發(fā)布的建議書ITU-RM.2092中在針對抗多徑干擾的問題上僅做了常規(guī)性的設(shè)置，但針對較大時延信道環(huán)境下的抗多徑干擾問題沒有給出特殊的建議[4-5]。遍歷當今幾種應(yīng)用成熟的通信標準，OFDM技術(shù)均被采用作為物理層通信架構(gòu)的核心技術(shù)，其在抗多徑干擾方面具備天然的優(yōu)勢能有效地幫助提升系統(tǒng)的通信質(zhì)量[6]。

3 VDES地面子系統(tǒng)OFDM核心算法設(shè)計

系統(tǒng)整體的通信鏈路模塊和技術(shù)指標需求嚴格遵循建議書ITU-RM.2092和ITU-RM.1842中相關(guān)參考標準，同時本文基于OFDM技術(shù)對系統(tǒng)物理層相關(guān)核心技術(shù)模塊做相應(yīng)設(shè)計[7]。

3.1 時隙結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的帶寬和子載波個數(shù)的設(shè)計參照ITU-RM.1842建議書中示例描述設(shè)定為100 kHz帶寬內(nèi)包含32個功率相等的子載波。同時，本文設(shè)定每個子載波間隔為2.7 kHz，預(yù)留13.6 kHz分布載波兩端作為系統(tǒng)保護帶寬。

系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計仍遵循ITU_RM.2092中數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的定義，一幀時長為1 min，共計2 250個時隙。但本文對系統(tǒng)的時隙結(jié)構(gòu)在綜合考慮系統(tǒng)需求后做了重新設(shè)計，如圖1所示。1個時隙包含了69個OFDM符號，每一個OFDM符號的持續(xù)時間為T=160 ms/6/69=386.47 μs。對于整個系統(tǒng)，基帶采樣間隔Ts=1/(2 700×2 048) s。1時隙=160 ms/6/Ts=147456Ts。

圖1 系統(tǒng)的時隙結(jié)構(gòu)Fig.1 Slot structure of system

3.2 數(shù)據(jù)組包設(shè)計

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和時隙結(jié)構(gòu)確定之后，系統(tǒng)的資源元素個數(shù)也被確定了，但不同的調(diào)制編碼方式(Modulation and Coding Scheme，MCS)對應(yīng)的初始數(shù)據(jù)長度是不同的，因而在數(shù)據(jù)組包過程中除緩升、同步、信號信息、緩沖器外，系統(tǒng)需對數(shù)據(jù)信息的初始長度單獨定義。初始數(shù)據(jù)長度的確定需要綜合考慮MCS的選取和交織器的交織深度等因素。如表1所示，本文給出了系統(tǒng)支持的6種MCS對應(yīng)的初始數(shù)據(jù)長度的參數(shù)取值。

表1 系統(tǒng)初始數(shù)據(jù)長度Tab.1 Length of system initial data

3.3 循環(huán)前綴設(shè)計

系統(tǒng)的子載波間隔為2.7 kHz，則一個OFDM符號本身時間長度為1/2.7 ms，1時隙內(nèi)正好有160 ms/6/(1/2.7 ms)=72個OFDM符號。系統(tǒng)預(yù)留3個OFDM的時長用于設(shè)置CP，避免了載波間干擾(Inter-carrier Interference,ICI)和符號間干擾(Inter-symbol Interference,ISI)。為了確保有效的抗ISI性能，也為了保證每一個時隙內(nèi)包含整數(shù)個含有CP的OFDM符號，設(shè)置CP長度為16.10 μs，與LTE系統(tǒng)OFDM的最大的擴展CP(16.67 μs)基本相當。這樣的CP設(shè)置不僅可以避免時延帶來的ISI，也能保證在FFT周期內(nèi)OFDM符號的延時副本內(nèi)包含的波形的周期個數(shù)為整數(shù)，載波間的正交性不被破壞,從而有效對抗系統(tǒng)在20～50 n mile的海上傳輸距離下的嚴重多徑干擾。雖然加入CP占用了一定OFDM符號開銷，帶來了能量的損失，但消除了ICI和ISI，這樣的代價是有價值的。

3.4 同步信號設(shè)計

同步信號的設(shè)計需滿足能夠用于系統(tǒng)中信號信息與數(shù)據(jù)信息的符號定時及頻偏估計。本文系統(tǒng)中選取的同步信號是CAZAC(Const Amplitude Zero Auto-Correlation)序列，利用其優(yōu)良的自相關(guān)和互相關(guān)特性，便于接收端的相干檢測，從而完成系統(tǒng)的粗、細定時同步和整數(shù)、分數(shù)頻偏估計與補償[8-9]。

此外，同步算法將直接影響系統(tǒng)的同步性能，本文在綜合評估算法計算量和同步性能之后采用了Wang算法[10]。本文中訓練序列的排列架構(gòu)為Ss=[A·S,A·S,-A·Q,-A·Q],其中A為ZC序列，S、Q為PN序列，A、S、Q的長度均為1/4個Symbol。特別是PN序列的引入可以進一步減小時域相關(guān)性并降低峰均功率比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)。

3.5 導(dǎo)頻信號設(shè)計

系統(tǒng)的導(dǎo)頻主要用于完成信道估計和信道質(zhì)量的測量[11]，本文中用于系統(tǒng)仿真中的導(dǎo)頻信號采用的是易生成、且有很好的自相關(guān)和互相關(guān)特性的m序列[12]。

本文所設(shè)計的導(dǎo)頻起始時域位置為6(信號信息所在Symbol)，終止時域位置為66(數(shù)據(jù)信息的最后一個Symbol)，時域上間隔3個Symbol插入一個導(dǎo)頻數(shù)據(jù)，頻域上間隔5個子載波插入一個導(dǎo)頻數(shù)據(jù)，同時為避免帶來過多的開銷，系統(tǒng)導(dǎo)頻圖樣的設(shè)計采用了菱形圖樣設(shè)計，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的導(dǎo)頻圖樣設(shè)計Fig.2 Design of the system′s pilot pattern

4 基于OFDM技術(shù)的VDES地面子系統(tǒng)仿真驗證

4.1 VDES地面子系統(tǒng)物理層鏈路仿真流程

本文中VDES地面子系統(tǒng)物理層是基于OFDM系統(tǒng)進行的建模[13]。圖3給出了利用MATLAB搭建VDES地面子系統(tǒng)物理層鏈路的仿真流程。

根據(jù)VDES系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)要求和OFDM的相關(guān)技術(shù)特性[14]，首先根據(jù)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和時隙結(jié)構(gòu)生成特定長度的初始信息數(shù)據(jù)并插入循環(huán)冗余校驗(Cyclic Redundancy Check，CRC)完成數(shù)據(jù)組包。數(shù)據(jù)經(jīng)信道編碼，完成交織、加擾、調(diào)制、插入導(dǎo)頻之后，通過N點的IFFT變換，完成多載波調(diào)制，使信號可以在N個子載波上并行傳輸，并添加CP，最后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換處理之后進入時變信道傳輸。

圖3 系統(tǒng)物理層鏈路仿真流程圖Fig.3 Simulation flow chart of system physical layer link

接收端在接收信號完成自動增益控制(Automatic Gain Control，AGC)和A/D轉(zhuǎn)換之后，根據(jù)同步信號與本地同步序列的強相關(guān)性完成定時同步和頻偏估計，并完成信號的頻偏補償，經(jīng)過去CP、FFT運算之后完成時隙數(shù)據(jù)的提取，根據(jù)導(dǎo)頻圖樣提取導(dǎo)頻，使用LS算法并結(jié)合一維線性內(nèi)插完成各Symbol的信道估計及數(shù)據(jù)提取，之后通過與發(fā)射端相對應(yīng)的一系列逆變換解調(diào)出原始的信息比特。

4.2 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置

在完成鏈路系統(tǒng)的整體設(shè)計后，需進一步對各子模塊進行相應(yīng)的參數(shù)配置，從而完成系統(tǒng)的整體仿真。系統(tǒng)參數(shù)的配置是結(jié)合ITU-RM.2092建議書中給定參考指標和上文各模塊資源配置計算所得，具體設(shè)置如表2所示。

電滲析除熱穩(wěn)定鹽設(shè)備于2016年4月21日開始運行，2016年6月17日結(jié)束，共運行57天，除鹽后，系統(tǒng)內(nèi)胺液中HSS含量大幅下降，胺液濃度也有明顯的上升。在脫除HSS期間，脫硫裝置運行正常，因考慮到運行期間胺液的正常損耗，期間補充新鮮胺液2 t，系統(tǒng)總貯量基本保持不變。在除HSS設(shè)備運行期間，相關(guān)數(shù)據(jù)變化趨勢如圖3所示。

表2 系統(tǒng)仿真參數(shù)配置表Tab.2 System simulation parameter configuration

5 系統(tǒng)平臺的相關(guān)仿真結(jié)果

5.1 吞吐量性能比對

系統(tǒng)的吞吐量是評估系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)性指標，為更直觀地評估不同MCS下系統(tǒng)鏈路的性能，現(xiàn)針對不同MCS的吞吐量作仿真對比。

如圖4所示，MCS_0～MCS_5的吞吐量性能依次提升，較建議書ITU_RM_2092中鏈路吞吐量，實驗結(jié)果表明本文中建立的仿真平臺提升了峰值數(shù)據(jù)傳輸速率，提升了系統(tǒng)的吞吐率，能夠更好地滿足海上船只的通信需求。同時仿真結(jié)果表明，MCS_0 - MCS_5對應(yīng)不同的吞吐量，VDES系統(tǒng)需要考慮根據(jù)不同的信道質(zhì)量指示(Channel Quality Indicator，CQI)選擇具有適當鏈路余量的最高吞吐量格式。

圖4 不同MCSs的吞吐量對比Fig.4 Throughput contrast for different MCSs

5.2 不同調(diào)制方式下BER對比

在完成對系統(tǒng)基礎(chǔ)性能指標的驗證，確保系統(tǒng)性能整體可靠的前提下，分別就不同調(diào)制模式下的系統(tǒng)性能作仿真對比。

圖5給出了高斯信道下、1/2 Turbo碼率時不同調(diào)制方式的誤碼率曲線，可以看出在高斯信道環(huán)境下，幾種調(diào)制方式對應(yīng)的誤碼率曲線均表征出系統(tǒng)具備較為優(yōu)良的誤碼性能，其中誤碼率性能最好的是QPSK調(diào)制，其次是8PSK調(diào)制，最后是16QAM調(diào)制。

圖5 碼率為1/2，不同調(diào)制方式下性能對比Fig.5 Performance of different modulated modes in 1/2 code rate

5.3 不同Turbo碼碼率下BER對比

在完成上述系統(tǒng)性能指標的仿真驗證后，為進一步評估信道編碼對系統(tǒng)性能的影響，分別對兩種Turbo碼率下的鏈路系統(tǒng)作性能仿真對比。

圖6中給出了高斯信道下、同種調(diào)制方式時(同種顏色對應(yīng)同一調(diào)制方式)兩種Turbo碼率下的誤碼率曲線，可以看出系統(tǒng)誤碼性能良好，符合實際環(huán)境中隨著Turbo碼碼率的增大，三種調(diào)制方式對應(yīng)的誤碼率相應(yīng)增加。

圖6 不同碼率下的性能對比Fig.6 Performance comparison of different code rates

5.4 不同信道環(huán)境下BER對比

在確保系統(tǒng)基礎(chǔ)性性能和核心模塊參數(shù)滿足協(xié)議指標后，為了更直觀地評判系統(tǒng)在模擬真實多徑信道環(huán)境下的抗多徑干擾性能，分別對系統(tǒng)在高斯信道(信道1)、添加3GPP經(jīng)典多徑模型之一的高斯信道(信道2)和添加了逼近CP極限時延的多徑模型下的高斯信道(信道3)三種信道環(huán)境下作性能仿真驗證。

圖7中給出了MCS_0和MCS_4在三種信道環(huán)境下的BER比對圖，可見系統(tǒng)對應(yīng)的兩種典型MCS下，添加了多徑干擾的信道環(huán)境時，系統(tǒng)仍能保持與高斯信道環(huán)境下相當?shù)腂ER，系統(tǒng)整體具有較好的抗多徑干擾能力。特別是信道3的仿真結(jié)果進一步表征了系統(tǒng)在ITU-2092建議書中所提假設(shè)(100 kHz帶寬、信道原始吞吐速率為76.8 ksymbol/s)下，即系統(tǒng)可能存在嚴重多徑干擾時，仍能保持相對優(yōu)良的誤碼性能。

圖7 不同信道環(huán)境下同種MCSs的性能對比Fig.7 Performance comparison of different MCSs in different channel environment

6 系統(tǒng)硬件設(shè)計與海上驗證

圖8 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖Fig.8 Diagram of system hardware design

本文在硬件設(shè)計過程中，綜合考慮DSP編程靈活、擁有方便實現(xiàn)任務(wù)管理的BIOS內(nèi)核與FPGA豐富自由的IO引腳、能夠快速并行處理數(shù)據(jù)等優(yōu)點，分別對DSP和FPGA進行了功能區(qū)域劃分，具體如圖8所示。原始數(shù)據(jù)由PC機通過USB高速總線傳送到DSP內(nèi)部，數(shù)據(jù)信號在完成數(shù)據(jù)組包、信道編碼、調(diào)制后傳遞給FPGA進行相應(yīng)前端數(shù)據(jù)操作，并完成OFDM調(diào)制與組幀以及后續(xù)的升采樣濾波、IQ調(diào)制，然后將數(shù)據(jù)信號傳遞給DAC芯片，最終轉(zhuǎn)換為161.837 5 MHz的具有完整幀格式且符合傳輸帶寬要求的中頻模擬信號輸出至射頻模塊[15]。同理，接收端的硬件流程設(shè)計與發(fā)射端逆向?qū)?yīng)。

硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試結(jié)果與MATLAB鏈路仿真結(jié)果基本一致，很好地驗證了系統(tǒng)的整體性能和各項通信指標。

同時，硬件系統(tǒng)在大連海域進行了實際環(huán)境下的點對點系統(tǒng)測試。海上測試過程中，分別對相對船速、天線高度、天線仰角、天線增益、最小等效全向輻射功率等條件進行分組設(shè)置。同時為確保測試有效性，對系統(tǒng)進行了多次多海域、不同氣象環(huán)境下的長時間持續(xù)通信測試，并對大時延信道環(huán)境下的抗多徑性能進行了驗證。實測結(jié)果符合設(shè)計預(yù)期，特別是系統(tǒng)最大極限空口速率可達312.7 kbit/s，在逼近CP極限時延的場景下系統(tǒng)誤碼率和誤塊率均表現(xiàn)優(yōu)良，系統(tǒng)體現(xiàn)出很好的抗多徑性能。

7 結(jié)束語

本文在VDES系統(tǒng)協(xié)議框架下，將OFDM技術(shù)引入VDES地面子系統(tǒng)，完成了對系統(tǒng)時隙結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計，設(shè)計并實現(xiàn)了基于OFDM技術(shù)的VDES地面子系統(tǒng)的底層通信鏈路系統(tǒng)。在經(jīng)過仿真調(diào)試和海上實測驗證后綜合評估系統(tǒng)性能，表明融合OFDM技術(shù)后的系統(tǒng)平臺與ITU_RM.2092建議書中系統(tǒng)的地面技術(shù)特性相比，各方面性能指標略有提升。同時系統(tǒng)完成設(shè)計目標，對VDES地面子系統(tǒng)抗多徑問題進行了有益的探索和研究，系統(tǒng)表現(xiàn)出了良好的抗多徑干擾性能。文中設(shè)計的系統(tǒng)在實現(xiàn)了將OFDM技術(shù)融入VDES地面子系統(tǒng)，提升了系統(tǒng)在大時延信道下的抗多徑干擾性能，也為下一步研究工作提供了基礎(chǔ)性框架和相應(yīng)的性能參數(shù)，具有很強的實用性。后續(xù)的研究工作中，將根據(jù)系統(tǒng)當前所得參數(shù)為系統(tǒng)配置鏈路自適應(yīng)控制模塊，并進一步考慮系統(tǒng)組網(wǎng)等問題。