星載AIS混合信號(hào)單通道盲分離技術(shù)研究

高萬明

摘? ?要：近年來我國航海作業(yè)和航海安全受到嚴(yán)重威脅，星載AIS技術(shù)的發(fā)展越來越重要。單通道盲分離技術(shù)利用單天線接收混合信號(hào)，以其設(shè)計(jì)低復(fù)雜度、低成本的優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛研究。文章介紹了星載AIS技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，針對(duì)星載AIS混合信號(hào)單通道盲分離算法，分析出降低算法復(fù)雜度、提高分離性能的重要性。

關(guān)鍵詞：航海安全;星載AIS技術(shù);單通道盲分離;降低算法復(fù)雜度;提高分離性能

近年來，我國具有對(duì)海事安全威脅以及海上交通安全對(duì)海上通信的迫切需求[1]，但是，現(xiàn)有的海上通信手段受距離的限制，例如船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）的通信距離為20海里左右，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)洋船的監(jiān)視和管理，隨著遙感衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，可考慮將衛(wèi)星技術(shù)與AIS技術(shù)融合，即利用星載AIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離接收AIS信號(hào)，能夠?yàn)檫h(yuǎn)洋船舶的管理提供基礎(chǔ)。

星載AIS通過在低軌道遙感衛(wèi)星上搭載AIS接收機(jī)，能夠在更大覆蓋范圍內(nèi)接收AIS船舶播發(fā)送的AIS信號(hào)，但是，當(dāng)遙感衛(wèi)星覆蓋范圍的船舶數(shù)量較多時(shí)，星載AIS接收機(jī)將接收到多個(gè)AIS船舶的AIS信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)相互混疊，即在時(shí)域上可能會(huì)重疊，在頻域上可能會(huì)相同，在空域上可能會(huì)相近，結(jié)果可能會(huì)導(dǎo)致接收到AIS信號(hào)概率大大降低[2]。

針對(duì)用單通道盲分離的方法對(duì)星載AIS混合信號(hào)進(jìn)行分離的問題，已經(jīng)有很多學(xué)者致力于相關(guān)研究，例如王聰?shù)萚3]提出了一種基于Laurent分解的星載AIS解調(diào)算法，該算法將Laurent分解原理引入到星載AIS混合信號(hào)的單通道盲分離中。胡昌海[4]基于單參數(shù)（時(shí)延）差異的混合信號(hào)盲分離，提出了利用判決反饋的方法，實(shí)現(xiàn)混合AIS信號(hào)分離。廖燦輝[5]提出了利用逐留存路徑處理（Persurvivorprocessing，PSP）的方法，實(shí)現(xiàn)抗頻偏的AIS信號(hào)分離，將PSP思想引入到星載AIS混合信號(hào)的單通道盲分離中。

1? ? 星載AIS

1.1? 星載AIS工作原理

星載AIS通過在低軌遙感衛(wèi)星上搭載AIS接收和發(fā)射機(jī)，解碼接收到的AIS信號(hào)，然后將解碼的AIS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到星載AIS地面站進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)洋船舶的管理。星載AIS使用的是低軌道衛(wèi)星，與靜止衛(wèi)星不同，其對(duì)地面的覆蓋是不連續(xù)的，屬于非實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)。即衛(wèi)星收到用戶報(bào)文后直接解碼，若衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)有地面站，就直接轉(zhuǎn)發(fā)給地面站。否則，報(bào)文將存儲(chǔ)在衛(wèi)星的存儲(chǔ)器中，等到衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)出現(xiàn)地面站時(shí)，再將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給地面站。

1.2? 星載AIS信號(hào)及其模型

星載AIS信號(hào)使用高斯最小頻移鍵控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）調(diào)制方式，對(duì)碼元進(jìn)行高斯濾波預(yù)處理[6]，然后對(duì)矩形波進(jìn)行高斯濾波，產(chǎn)生一種基帶平滑波形，具有帶寬窄且尖銳截止、鄰道干擾小等較好的頻譜特性，更適合海上復(fù)雜的信號(hào)環(huán)境。GMSK調(diào)制是一種相位連續(xù)的恒包絡(luò)調(diào)制，具有較好的頻譜效率和功率特性，因而在AIS系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。而現(xiàn)實(shí)中，GMSK信號(hào)大多是突發(fā)的混合信號(hào)，而這些突發(fā)的混合信號(hào)一般參數(shù)估計(jì)誤差比較大。

考慮兩個(gè)同頻（或近似同頻）的GMSK混合信號(hào)的單通道接收，接收基帶等效信號(hào)的一般形式可表示為：

其中，h1（t）和h2（t）為兩信號(hào)的瞬時(shí)幅度，Δω1和Δω2為兩信號(hào)的殘余頻偏，θ1和θ2為初始相位，v（t）為加性高斯白噪聲，s1（t）和s2（t）分別為基帶數(shù)字調(diào)制信號(hào)，根據(jù)GMSK信號(hào)的Laurent展開式可知，GMSK信號(hào)相當(dāng)于用主脈沖GMSKp（t）進(jìn)行成型濾波，則接收端經(jīng)匹配濾波后的信號(hào)可表示為：

其中，T是符號(hào)周期，兩信號(hào)具有相同的符號(hào)周期;τi（t）為第i個(gè)信號(hào)與本地接收機(jī)之間的時(shí)鐘漂移，假定0≤τi（t）

將接收信號(hào)按符號(hào)速率采樣，令yk=y（kT），hi，k=hi（kT），vk=v（kT），τi，k=τi（kT），

設(shè)Rpp（t）的持續(xù)時(shí)間長為L0T，從（1-L1）T到L2T，L0=L1+L2。

定義L0×1向量為：

第k個(gè)接收混合信號(hào)可以表示成更簡潔的形式：

其中，定義為兩向量對(duì)應(yīng)項(xiàng)的乘積：

單通道盲分離根據(jù)接收的序列yk，k=0，1，…，得到符號(hào)序列ai，k，k=0，1，…的估計(jì)。

2? ? 單通道盲分離問題概述

近年來，混合信號(hào)盲分離已成為信號(hào)處理領(lǐng)域中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，由于電磁環(huán)境變得越來越復(fù)雜，通信領(lǐng)域中的混合信號(hào)越來越多，信號(hào)日益密集會(huì)造成同頻信號(hào)混合等。一方面，這類信號(hào)極大地影響了接收性能;另一方面，傳統(tǒng)的單信號(hào)處理的方法已不再適應(yīng)?；旌闲盘?hào)盲分離可分為兩種途徑：（1）多通道盲分離方法，即在遙感衛(wèi)星上安裝多根接收天線。（2）單通道盲分離方法，即在遙感衛(wèi)星上安裝單根接收天線。目前，多通道盲分離的技術(shù)已經(jīng)有較為成熟的理論和方法，但考慮到多天線的設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本，因此，迫切需要研究用單通道盲分離的方法來分離混合信號(hào)[7]。

單通道盲分離需要根據(jù)接收的一路AIS信號(hào)分離出多個(gè)AIS源信號(hào)，這在數(shù)學(xué)角度上看可能存在不確定解。以兩路信號(hào)x1和x2為例，方程y=x1+x2，對(duì)同一個(gè)y值，x1和x2有多種解。但在實(shí)際應(yīng)用中，如果借助信號(hào)本身的特征將有可能實(shí)現(xiàn)分離。如對(duì)通信信號(hào)而言，x1和x2不可能取任意值，而是受發(fā)送符號(hào)和調(diào)制參數(shù)的約束，在這些約束條件下，方程y=x1+x2可能存在確定解。

本質(zhì)上，單通道盲分離算法利用了各源信號(hào)之間調(diào)制參數(shù)的差異性，如時(shí)延差異、符號(hào)速率差、幅度差異等，通過提取、放大這些差異來實(shí)現(xiàn)滿足特定條件信號(hào)的分離，單通道分離的關(guān)鍵在于怎樣利用和提取所處理信號(hào)的特點(diǎn)，找到源信號(hào)之間的差異性。

3? ? 星載AIS混合信號(hào)單通道盲分離算法

目前，可行的單通道盲分離算法[8]包括獨(dú)立分量法[9]、稀疏分解法、基函數(shù)法和多參數(shù)協(xié)調(diào)估計(jì)法[10-11]等。對(duì)于單通道而言，現(xiàn)有的算法復(fù)雜度較高，但對(duì)于本文所研究的突發(fā)AIS混合信號(hào)而言，依然不能滿足實(shí)時(shí)處理的要求，因此，降低AIS混合信號(hào)盲分離算法復(fù)雜度是單通道盲分離的關(guān)鍵。

在發(fā)送信號(hào)序列和信道參數(shù)均未知的情況下，多參數(shù)聯(lián)合估計(jì)實(shí)現(xiàn)單通道盲分離的效果是較佳的，其主要的方法包括粒子濾波算法和逐幸存路徑處理（PSP）算法。研究表明，PSP盲分離算法性能優(yōu)良，分離誤碼率接近已知參數(shù)下的聯(lián)合序列估計(jì)界，且復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于粒子濾波算法，是一種十分有效的分離算法。

PSP算法[12]在到維特比算法中使用未知參數(shù)估計(jì)，進(jìn)而，實(shí)現(xiàn)序列與參數(shù)的聯(lián)合估計(jì)，通過最小化路徑度量來獲得發(fā)送數(shù)據(jù)，其接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

廖燦輝提出了一種基于逐幸存路徑處理（PSP）的抗頻偏盲分離算法，通過在盲分離過程中對(duì)信道變化和頻偏引起的相位變化分別進(jìn)行跟蹤，能大大提升算法對(duì)殘余頻偏的容忍能力。仿真結(jié)果表明，傳統(tǒng)PSP算法能容忍的歸一化頻偏誤差不大于2.0×10-4，而抗頻偏算法在歸一化頻偏誤差達(dá)1.5×10-2時(shí)仍然能收斂，且不需要對(duì)初始相位進(jìn)行估計(jì)，同時(shí)，分離性能相比理想條件下的PSP算法只下降了約1 dB。

涂世龍針對(duì)同頻調(diào)制多路線性混合信號(hào)的單通道盲分離，根據(jù)自適應(yīng)跟蹤信道參數(shù)和逐幸存路徑處理原理的思想提出了RLS-RPSP算法，利用多路RLS收斂速度快的特點(diǎn)，通過分段設(shè)置幸存路徑數(shù)來保留幸存路徑，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)多路信道響應(yīng)的同步跟蹤，仿真結(jié)果表明，在誤碼率性能相同情況下，新算法相比LMS跟蹤下的M-PSP算法，至少能降低一半的運(yùn)算復(fù)雜度。

4? ? 結(jié)語

星載AIS技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)洋船舶的管理說，是一種非常好的技術(shù)手段，單通道盲分離技術(shù)是AIS混合信號(hào)處理領(lǐng)域新的研究方向，其研究也越來越深入，理論和實(shí)際應(yīng)用都得到了較大發(fā)展。對(duì)于本文所研究的突發(fā)星載AIS混合信號(hào)而言，應(yīng)該研究一種低復(fù)雜度、高分離性能的單通道盲分離算法，以達(dá)到實(shí)時(shí)處理的要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1]楊倩.我國應(yīng)用星載基站AIS系統(tǒng)研究[J].管理研討，2011（1）：53-55.

[2]CERVERA M A，GINESI A.On the performance analysis of a satellite-based AIS system[C].NewYork：International Workshop on Signal Processing for Space Communications. 2008.

[3]王聰，朱守中，姜文利，等.基于Laurent分解的星載AIS解調(diào)算法[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2012（5）：12-13.

[4]胡昌海.星載IAS混合信號(hào)盲分離技術(shù)研究[D].洛陽：解放軍信息工程大學(xué)，2013.

[5]廖燦輝，涂世龍，萬堅(jiān).抗頻偏的突發(fā)GMSK混合信號(hào)單通道盲分離算法[J].通信學(xué)報(bào)，2013（5）：6-8.

[6]鄭忠國，來飛.AIS系統(tǒng)中NRZI編碼及GMSK的調(diào)制與解調(diào)的仿真[J].電子質(zhì)量，2011（10）：38-41.

[7]廖燦輝，萬堅(jiān)，周世東.兩同頻調(diào)制信號(hào)混合單通道盲分離的性能界[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（10）：1646-1650.

[8]彭耿，黃知濤，姜文利，等.單通道盲信號(hào)分離研究進(jìn)展與展望[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2009（3）：268-277.

[9]黃大偉，戴吾蛟，劉斌，等.單通道獨(dú)立分量分析算法的比較分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2014（1）：60-61.

[10]涂世龍，陳越新，鄭輝.利用糾錯(cuò)編碼的同頻調(diào)制混合信號(hào)單通道盲分離[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2009（9）：2113-2117.

[11]楊勇，張冬玲，彭華.結(jié)合編碼信息的單通道盲信號(hào)分離改進(jìn)算法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2013（12）：49.

[12]ZHENYU Z，HAMID R，SADJADPOUR，et al.An adaptive per-survivor processing algorithm[J].IEEE Transactions on Communications，2002（11）：6-7.

Study on single-channel blind source separation technology

of satellite-borne AIS hybrid signal

Gao Wanming

（Donghai Navigation Safety Administration（DNSA）MOT， Shanghai 200086， China）

Abstract：In recent years， the navigation operation and safety of our country have been seriously threatened， and the development of space-borne AIS technology is becoming more and more important. Single channel blind separation technology uses single antenna to receive mixed signals， which has been widely studied because of its advantages of low complexity and low cost. In this paper， the related knowledge of space-borne AIS technology is introduced， and the importance of reducing the complexity of the algorithm and improving the separation performance is analyzed for the single-channel blind separation algorithm of space-borne AIS mixed signal.

Key words：navigation safety; space-based Automatic Identification System mix signal; single channel blind source separation; reducing algorithm complexity; improving separation performance