面向海上安全信息廣播系統(tǒng)的波形關(guān)鍵技術(shù)研究

張玖鵬，張洪銘，彭木根

(北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京100876)

0 引言

近年來(lái)，隨著海洋經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，世界范圍內(nèi)的海事活動(dòng)日趨頻繁。建立高效可靠的海上信息安全服務(wù)系統(tǒng)，為海上航行船舶提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的安全信息服務(wù)，對(duì)保障海上從業(yè)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。新一代海上安全信息播報(bào)系統(tǒng)海上數(shù)字廣播(Navigational Data，NAVDAT)是一種岸基數(shù)字廣播系統(tǒng)，可以播發(fā)海上航行所需的安全信息[1-2]。NAVDAT系統(tǒng)采用正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)作為無(wú)線鏈路傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)前學(xué)界關(guān)于NAVDAT系統(tǒng)的研究多集中在站臺(tái)播發(fā)調(diào)度、硬件實(shí)現(xiàn)等方面，對(duì)于NAVDAT系統(tǒng)波形的增強(qiáng)研究稍顯不足。目前，傳統(tǒng)OFDM波形固有的帶外輻射大、對(duì)頻率偏移敏感等問(wèn)題,一定程度上制約了NAVDAT系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升。

針對(duì)上述問(wèn)題，研究者們?cè)诿嫦蛭磥?lái)移動(dòng)通信技術(shù)的研究中提出了許多波形方案，包括濾波器組多載波(Filter Bank Multicarrier，F(xiàn)BMC)[3]、廣義頻分復(fù)用(Generalized Frequency Division Multiplexing，GFDM)[4]以及通用濾波多載波(Universal Filtered Multicarrier，UFMC)[5]。這些方案在一定程度上解決了傳統(tǒng)OFDM面臨的帶外輻射嚴(yán)重及其他問(wèn)題，在學(xué)界引起了諸多關(guān)注與討論，有望成為未來(lái)NAVDAT系統(tǒng)性能提升的可選參考方案。通過(guò)對(duì)NAVDAT系統(tǒng)的調(diào)研以及對(duì)上述三種波形方案的分析，本文討論了將上述波形應(yīng)用于NAVDAT系統(tǒng)的可行性，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)合仿真結(jié)果，本文對(duì)將上述三種波形應(yīng)用于NAVDAT系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了總結(jié)，并給出未來(lái)研究方向。

1 NAVDAT系統(tǒng)簡(jiǎn)介

海上通信在海洋經(jīng)濟(jì)、海洋軍事、海洋生態(tài)保護(hù)等方面具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。在海洋安全信息播報(bào)方面，傳統(tǒng)的奈伏泰斯系統(tǒng)難以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，因此，新一代海上無(wú)線數(shù)字廣播系統(tǒng)NAVDAT應(yīng)運(yùn)而生。NAVDAT是一種岸基數(shù)字廣播系統(tǒng)，可以播發(fā)航行安全、海盜預(yù)警、海上搜救、氣象海況、導(dǎo)航和船舶交通管理等當(dāng)前海上航行所需的各類信息，傳輸?shù)南㈩愋桶ㄎ谋竞蛨D像等[6]。相較于奈伏泰斯系統(tǒng)，NAVDAT具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以滿足大部分海上安全信息傳輸需求。

NAVDAT系統(tǒng)最早提于21世紀(jì)初，主要針對(duì)傳統(tǒng)奈伏泰斯系統(tǒng)速率不足的問(wèn)題。2006—2012年間，部分歐洲國(guó)家最先展開(kāi)了對(duì)NAVDAT技術(shù)的研究，并對(duì)其可行性進(jìn)行了論證，形成了較為成熟的技術(shù)方案。2012年舉行的世界無(wú)線電通信大會(huì)正式將中頻(Medium Frequency，MF)頻段中的495～505 kHz頻段規(guī)定為NAVDAT系統(tǒng)的專屬頻段[7]。在2013年的國(guó)際海事組織無(wú)線電通信與搜救分委會(huì)會(huì)議上，NAVDAT被列為全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)(Global Maritime Distress and Safety System，GMDSS)的參考技術(shù)，成為GMDSS現(xiàn)代化的一項(xiàng)參考方案。2014年，為滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅瑖?guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union，ITU)對(duì)NAVDAT系統(tǒng)做出了補(bǔ)充，建議了高頻(High Frequency，HF)頻段中6個(gè)10 kHz帶寬的可用頻段，如表1所示。無(wú)線傳輸方面，如圖1所示，NAVDAT系統(tǒng)主要采用海洋表面波和天波兩種傳輸方式。在500 kHz的MF頻段，主要以表面波傳輸為主；在4～30 MHz的HF頻段，兩種傳輸方式通常是共存的。特別的，對(duì)于3～6 MHz的HF頻段，可以利用近垂直入射天波補(bǔ)充覆蓋盲區(qū)。得益于天波和表面波的傳輸特性，NAVDAT可以實(shí)現(xiàn)超視距的遠(yuǎn)距離傳輸。根據(jù)ITU基于實(shí)測(cè)結(jié)果的計(jì)算，位于中國(guó)花鳥(niǎo)島和丹麥哥本哈根的NAVDAT系統(tǒng)的傳輸距離分別可達(dá)365.6 n mile和391 n mile[7]。

表1 HF頻段NAVDAT系統(tǒng)頻譜使用

圖1 NAVDAT廣播遠(yuǎn)距離傳輸Fig.1 Long-range transmissions for NAVDAT brodcasting

NAVDAT廣播有兩種工作方式:一種是與現(xiàn)行奈伏泰斯系統(tǒng)類似的分時(shí)隙廣播;另一種是采用世界數(shù)字無(wú)線電廣播(Digital Radio Mondiale，DRM)系統(tǒng)支持的單頻網(wǎng)絡(luò)(Single Frequency Network，SFN)模式，通過(guò)單一頻率覆蓋某一國(guó)家和地區(qū)，可以完全覆蓋單個(gè)時(shí)隙，有效提高頻譜效率并釋放廣播時(shí)隙[1]。NAVDAT在海上安全信息廣播方面具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值，根據(jù)國(guó)際海事組織的建議，NAVDAT系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)由信息中心、岸基發(fā)射臺(tái)和船載接收機(jī)組成，本文的研究聚焦于從發(fā)射臺(tái)到接收機(jī)的物理層無(wú)線鏈路。

2 NAVDAT中的OFDM技術(shù)

NAVDAT系統(tǒng)采用OFDM技術(shù)進(jìn)行無(wú)線傳輸，通過(guò)將高速串行數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)傳輸。相較于奈伏泰斯系統(tǒng)100 bit/s的速率，NAVDAT的數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到25 kbit/s，提高約250倍。

2.1 OFDM的調(diào)制與解調(diào)

如圖2所示，NAVDAT系統(tǒng)采用經(jīng)典OFDM收發(fā)架構(gòu)。

圖2 OFDM收發(fā)機(jī)示意圖Fig.2 Illustration of the OFDM transceiver diagram

其中，輸入比特流經(jīng)過(guò)符號(hào)映射得到第m個(gè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)的K個(gè)子載波符號(hào){dm,k}，并通過(guò)串并變換分配到K個(gè)并行子載波上，為保證子載波之間的正交性，子載波間的頻率間隔Δf應(yīng)設(shè)為OFDM符號(hào)周期Ts的倒數(shù)。OFDM的調(diào)制和解調(diào)過(guò)程可以用快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)對(duì)實(shí)現(xiàn)，如式(1)所示：

(1a)

(1b)

式中，xm[n]與ym[n]分別表示第m個(gè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)插入循環(huán)前綴前的發(fā)射信號(hào)序列和去除循環(huán)前綴后的接收信號(hào)序列。文獻(xiàn)[7]對(duì)NAVDAT所用OFDM技術(shù)給出了4種工作模式的建議，對(duì)應(yīng)4種頻譜占用，如表2所示。

表2 NAVDAT系統(tǒng)不同工作模式下的頻譜占用

此外，對(duì)于子載波數(shù)不滿足2的整數(shù)次冪的情況，可進(jìn)行補(bǔ)0處理，不額外占用實(shí)際通信帶寬。在符號(hào)映射方面，NAVDAT采用正交幅度調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)，有4-QAM、16-QAM和64-QAM三種映射方式，可以依據(jù)通信速率需求選擇。為提高NAVDAT系統(tǒng)對(duì)抗海上多徑效應(yīng)的能力，OFDM符號(hào)間應(yīng)插入保護(hù)間隔。在多徑信道下，通常采用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，在克服OFDM符號(hào)間干擾的同時(shí)，可以保證子載波之間的正交性。ITU為NAVDAT系統(tǒng)建議的保護(hù)間隔長(zhǎng)度為2.66 ms[7]，對(duì)應(yīng)于NAVDAT信道的時(shí)延擴(kuò)展。

2.2 NAVDAT信道模型

表3 NAVDAT系統(tǒng)仿真信道參數(shù)

在無(wú)線電噪聲方面，ITU通過(guò)測(cè)量分析了NAVDAT接收端無(wú)線電噪聲的組成，主要分為大氣噪聲、人為噪聲和天體噪聲三大類，其中天體噪聲通常出現(xiàn)在HF及更高頻段，對(duì)MF頻段幾乎沒(méi)有影響。上述噪聲通常呈現(xiàn)出區(qū)域及季節(jié)性的變化，需要對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行合理設(shè)置及調(diào)整。根據(jù)ITU建議，NAVDAT接收端信噪比理想范圍為14～26 dB[7]。

2.3 NAVDAT物理層技術(shù)總結(jié)

NAVDAT采用OFDM技術(shù)進(jìn)行傳輸，在有效抵抗多徑干擾的同時(shí)提高了海上安全信息播報(bào)的數(shù)據(jù)速率。然而，目前海上MF及HF頻段存在著奈伏泰斯、數(shù)字選擇性呼叫等多種海上廣播及通信業(yè)務(wù)，這要求NAVDAT廣播必須盡可能避免對(duì)相鄰頻段的干擾。但是由于OFDM的帶外輻射較大，使得NAVDAT系統(tǒng)通常需要一段較寬的鄰頻保護(hù)帶[1]，這制約了NAVDAT可用頻譜的拓展。另外， NAVDAT信道具有較大的多徑時(shí)延擴(kuò)展，使得每個(gè)OFDM符號(hào)前都需要添加2.66 ms的保護(hù)間隔，降低了信息播發(fā)的頻譜效率。最后，考慮到電離層移動(dòng)帶來(lái)的頻率偏移問(wèn)題， OFDM對(duì)頻率偏移的敏感使得NAVDAT接收機(jī)需要進(jìn)行高精度的頻率校正，為NAVDAT接收機(jī)的設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

3 未來(lái)移動(dòng)通信參考波形概述

本節(jié)針對(duì)NAVDAT系統(tǒng)采用傳統(tǒng)OFDM帶來(lái)的不足，介紹了三種未來(lái)移動(dòng)通信參考波形,分別是FBMC、GFDM和UFMC，描述了其調(diào)制和解調(diào)原理，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析和總結(jié)。

3.1 FBMC基本原理

FBMC的概念最早于上世紀(jì)60年代由Saltzber和Chang提出[10-11]，是多載波技術(shù)的一種。如圖3所示，不同于傳統(tǒng)OFDM所采用的矩形濾波器，F(xiàn)BMC采用基于原型濾波器構(gòu)建的濾波器組，原型濾波器通常采用來(lái)自PHYDYAS項(xiàng)目的PHYDYAS濾波器[3]，能夠有效抑制帶外輻射。采用PHYDYAS原型濾波器的FBMC濾波器組頻率響應(yīng)如圖3(b)所示。

(a) 傳統(tǒng)OFDM濾波器組頻率響應(yīng)

(b) FBMC濾波器組頻率響應(yīng)

FBMC可以抑制帶外輻射，但會(huì)破壞子載波之間的正交性，產(chǎn)生子載波間干擾，需要通過(guò)額外操作消除。得益于原型濾波器的低通特性，F(xiàn)MBC的子載波間干擾幾乎只存在于相鄰子載波之間。僅用奇數(shù)或偶數(shù)子載波可以消除載波間干擾，但會(huì)降低數(shù)據(jù)速率。為保證與OFDM相同的數(shù)據(jù)速率，F(xiàn)BMC引入了偏移正交幅度調(diào)制(Offset Quadrature Amplitude Modulation，OQAM)以消除相鄰子載波間干擾。OQAM中子載波數(shù)據(jù)符號(hào)的虛部和實(shí)部在時(shí)間上被錯(cuò)位Ts/2(Ts表示多載波符號(hào)周期)，并在相鄰子載波間引入π/2的相位旋轉(zhuǎn)。這樣，具有偶數(shù)索引的子載波攜帶數(shù)據(jù)符號(hào)的實(shí)部，奇數(shù)索引的子載波攜帶數(shù)據(jù)符號(hào)的虛部。在解調(diào)時(shí)，可以通過(guò)實(shí)部和虛部的分別處理來(lái)去除干擾項(xiàng)。FBMC-OQAM的基帶發(fā)射端架構(gòu)如圖4所示。

圖4 FBMC發(fā)射機(jī)示意圖Fig.4 Illustration of the FBMC transmitter diagram

圖4中，m表示當(dāng)前符號(hào)周期，第k個(gè)子載波上的濾波器沖激響應(yīng)Cm,k[n]可以表示為：

(2)

(3)

在FBMC的接收端，通常需要先對(duì)信號(hào)進(jìn)行均衡，如采用迫零均衡等信道均衡技術(shù)。之后經(jīng)過(guò)一個(gè)與發(fā)射端濾波器組匹配的接收濾波器組，得到解調(diào)信號(hào)。

3.2 GFDM基本原理

GFDM[4]是一種靈活的多載波調(diào)制技術(shù)。在傳統(tǒng)OFDM中，每個(gè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)的K個(gè)子載波符號(hào){dm,k}被分別調(diào)制，而GFDM則將所有子符號(hào)包含的子載波符號(hào)組成GFDM符號(hào)塊一同調(diào)制。設(shè)子載波數(shù)和子符號(hào)數(shù)分別為K和M，調(diào)制信號(hào)可以表示為：

(4)

其中，Cm,k[n]為濾波器的沖激響應(yīng)，可以表示為：

(5)

其中，N=MK，p[n]為原型濾波器的沖激響應(yīng)。與FBMC相似，GFDM也使用了多載波濾波器組，可以有效降低信號(hào)的帶外輻射。另外，GFDM通過(guò)循環(huán)濾波器構(gòu)建信號(hào)，使得信號(hào)波形呈現(xiàn)循環(huán)特性，可以使用循環(huán)前綴來(lái)抵抗多徑干擾。與傳統(tǒng)OFDM不同，GFDM以M個(gè)子符號(hào)為單位添加循環(huán)前綴，相較于傳統(tǒng)OFDM可以有效提升頻譜效率。GFDM的調(diào)制過(guò)程可以通過(guò)矩陣形式表示為：

(6)

圖5 GFDM收發(fā)機(jī)示意圖Fig.5 Illustration of the GFDM transceiver diagram

3.3 UFMC基本原理

UFMC[12]技術(shù)是5GNOW項(xiàng)目的研究成果之一，被認(rèn)為是FBMC與傳統(tǒng)OFDM方案的折中，其靈活可變的多載波方案使其能夠適配多種業(yè)務(wù)場(chǎng)景。在UFMC系統(tǒng)中，K個(gè)子載波被劃分為B個(gè)子帶，每個(gè)子帶包含的載波數(shù)可以根據(jù)場(chǎng)景需求進(jìn)行靈活設(shè)置。在UFMC的調(diào)制過(guò)程中，K個(gè)子載波符號(hào){dk}被分配到B個(gè)子帶上，每個(gè)子帶上的子載波符號(hào)做NF點(diǎn)IFFT變換得到時(shí)域信號(hào),每個(gè)子帶上的時(shí)域信號(hào)可以表示為：

(7)

式中，Ib為第b個(gè)子帶的起始索引，Lb為第b個(gè)子帶的子載波數(shù)量。經(jīng)過(guò)IFFT后，每個(gè)子帶輸出的時(shí)域信號(hào)需要經(jīng)過(guò)濾波器濾波：

(8)

式中，“*”表示卷積運(yùn)算，qb[n]表示第b個(gè)子帶濾波器的沖激響應(yīng)，其長(zhǎng)度可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活選擇，較長(zhǎng)的長(zhǎng)度可以增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，較短的長(zhǎng)度則可以降低處理時(shí)延。UFMC基帶收發(fā)端架構(gòu)如圖6所示。

圖6 UFMC收發(fā)機(jī)示意圖Fig.6 Illustration of the UFMC transceiver diagram

3.4 未來(lái)移動(dòng)通信參考波形性能總結(jié)

本節(jié)對(duì)討論的UFMC、GFDM和FBMC三種未來(lái)移動(dòng)通信參考波形的性能進(jìn)行了總結(jié)，如表4所示，并分析了其應(yīng)用于NAVDAT系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和不足。

表4 參考波形性能對(duì)比

FBMC由于對(duì)每一個(gè)子載波都進(jìn)行了濾波，具有較好的抑制帶外輻射的能力，能夠減少NAVDAT系統(tǒng)鄰頻保護(hù)帶的寬度，擴(kuò)展可用頻譜。濾波器的使用也增強(qiáng)了FBMC對(duì)抗頻率偏移的能力，可以提升NAVDAT接收機(jī)的性能。另外，由于不使用循環(huán)前綴，F(xiàn)BMC在處理長(zhǎng)數(shù)據(jù)流時(shí)可以獲得較高的頻譜效率，使得其在NAVDAT系統(tǒng)長(zhǎng)數(shù)據(jù)流通用廣播場(chǎng)景中具有一定的應(yīng)用前景。但是FBMC也存在著不足，例如FBMC濾波器長(zhǎng)度較長(zhǎng)導(dǎo)致符號(hào)周期變長(zhǎng)，使得其在處理短數(shù)據(jù)流時(shí)，在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有有效信號(hào)傳輸，造成頻譜效率下降，使得FBMC難以在以短數(shù)據(jù)流為主的突發(fā)緊急廣播中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

GFDM使用了循環(huán)前綴，所以保留了一部分傳統(tǒng)OFDM的優(yōu)點(diǎn)，可以方便地進(jìn)行信道均衡等工作。更重要的是，GFDM具有靈活的塊調(diào)制結(jié)構(gòu)，能夠兼顧頻譜效率和處理時(shí)延。此外，GFDM與現(xiàn)有4G技術(shù)具有很好的兼容性，便于NAVDAT系統(tǒng)的升級(jí)換代。然而，由于非正交的設(shè)計(jì)，GFDM存在著自干擾問(wèn)題。GFDM可以通過(guò)OQAM來(lái)實(shí)現(xiàn)正交性，但會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)兼容性問(wèn)題。如何在不顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜度并且兼顧兼容性的前提下克服GFDM非正交的問(wèn)題，仍是當(dāng)前面臨的一大挑戰(zhàn)。

UFMC被認(rèn)為是傳統(tǒng)OFDM與FBMC的折中方案，在保留FBMC抑制帶外輻射能力的同時(shí)，也避免了符號(hào)周期過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。另外，UFMC靈活的子載波配置和濾波器選擇也提高了UFMC對(duì)NAVDAT系統(tǒng)不同業(yè)務(wù)需求的適應(yīng)能力。UFMC還可以通過(guò)調(diào)節(jié)子帶配置獲得與傳統(tǒng)OFDM或FBMC相似的優(yōu)點(diǎn)。然而，循環(huán)前綴的缺失使得UFMC接收端存在均衡和解調(diào)復(fù)雜度較大的問(wèn)題。

礦體主要分布在內(nèi)外接觸帶，礦床成因厘定為矽卡巖型。含礦巖性以透輝石矽卡巖和石榴石透輝石矽卡巖為主。礦體主要分布在3～16線間，東西長(zhǎng)約500 m，南北寬約300 m，面積約0.15 km2。

4 仿真結(jié)果

本節(jié)介紹了未來(lái)移動(dòng)通信參考波形在NAVDAT廣播信道下的仿真結(jié)果，為其在NAVDAT系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了參考，仿真采用的濾波器設(shè)計(jì)及符號(hào)調(diào)制方式如表5所示。

表5 仿真所用濾波器設(shè)計(jì)及符號(hào)調(diào)制方式

其中，F(xiàn)BMC采用重疊因子A=4的PHYDYAS濾波器，GFDM采用滾降系數(shù)為R=0.1的根升余弦濾波器。UFMC的子帶濾波器選用切比雪夫?yàn)V波器，面向MF和HF信道，UFMC的子帶濾波器使用了兩種不同的長(zhǎng)度。

4.1 未來(lái)移動(dòng)通信參考波形帶外輻射對(duì)比

圖7比較了傳統(tǒng)OFDM以及FBMC、GFDM和UFMC等未來(lái)移動(dòng)通信參考波形的帶外輻射，采用68個(gè)子載波，使用漢寧窗作為窗函數(shù)進(jìn)行功率譜計(jì)算。濾波器設(shè)計(jì)如表5所示，其中GFDM的子符號(hào)數(shù)為9。UFMC共有4個(gè)子帶，每個(gè)子帶包含17個(gè)子載波，切比雪夫?yàn)V波器旁瓣衰減為30 dB。根據(jù)文獻(xiàn)[13]，使用時(shí)域加窗可以進(jìn)一步降低GFDM系統(tǒng)的帶外輻射，所以本文對(duì)文獻(xiàn)[13]提出的UTW-GFDM的帶外輻射抑制性能進(jìn)行了仿真，作為參考。

圖7 參考波形帶外輻射對(duì)比Fig.7 Out-of-band emission comparison among waveform candidates

從圖7所示仿真結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)OFDM由于使用矩形濾波器進(jìn)行脈沖成型，導(dǎo)致頻域頻譜泄露嚴(yán)重。與之相反，F(xiàn)BMC對(duì)每一個(gè)子載波都采用了嚴(yán)格的低通濾波，具有最低的帶外輻射。UFMC可以認(rèn)為是FBMC與傳統(tǒng)OFDM的折中方案，所以UFMC抑制帶外輻射的性能介于UFMC和傳統(tǒng)OFDM之間。GFDM也是基于濾波器組進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，所以其抑制帶外輻射的性能也介于傳統(tǒng)OFDM與FBMC之間。特別的，如圖7中UTW-GFDM所示，通過(guò)時(shí)域加窗的方法降低帶外輻射是可行的，但是也會(huì)帶來(lái)較高的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

4.2 未來(lái)移動(dòng)通信參考波形抗多徑能力對(duì)比

圖8和圖9分別展示了傳統(tǒng)OFDM以及FBMC、GFDM和UFMC等未來(lái)移動(dòng)通信參考波形在前文中NAVDATMF和HF信道下的誤比特率(Bit Error Ratio，BER)仿真結(jié)果。仿真共采用120個(gè)子載波，子載波頻率間隔采用與NAVDAT系統(tǒng)相同的41.66 Hz，調(diào)制方式采用4-QAM，使用的濾波器種類如表5所示。另外，GFDM的子符號(hào)數(shù)設(shè)置為12，在接收端采用復(fù)雜度最低的匹配濾波接收機(jī)進(jìn)行解調(diào)。UFMC共有12個(gè)子帶，每個(gè)子帶包含10個(gè)子載波，切比雪夫?yàn)V波器旁瓣衰減為40 dB。本部分仿真在已知信道狀態(tài)信息且具有完美的頻偏校正的前提下進(jìn)行，為盡量保證在低復(fù)雜度下進(jìn)行直觀的性能對(duì)比，所有波形均僅采用簡(jiǎn)單的迫零均衡方法進(jìn)行信道均衡，且不對(duì)符號(hào)間干擾進(jìn)行額外處理。

圖8 4-QAM MF信道BER性能Fig.8 4-QAM BER performance under MF channels

圖9 4-QAM HF信道BER性能Fig.9 4-QAM BER performance under HF channels

從圖8和圖9所示仿真結(jié)果可以看出，在NAVDAT接收機(jī)14～26 dB的工作信噪比下，即使面向不對(duì)GFDM、UFMC和FBMC采用復(fù)雜均衡和解調(diào)手段的情況，也能獲得與傳統(tǒng)OFDM相似的BER性能，說(shuō)明三種未來(lái)移動(dòng)通信參考波形有效保留了傳統(tǒng)OFDM的抗多徑能力。需要注意的是，F(xiàn)BMC在低信噪比下的性能通常優(yōu)于傳統(tǒng)OFDM，但由于未對(duì)符號(hào)間干擾進(jìn)行處理，導(dǎo)致在高信噪比條件下BER性能被抑制，呈現(xiàn)“性能平臺(tái)”。同理，UFMC在多徑信道下也存在著固有干擾的問(wèn)題，這也是圖中UFMC性能并不十分理想的原因。目前研究者們已經(jīng)面向UFMC和FBMC分別給出了多種不同復(fù)雜度的固有干擾消除方案以進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，在實(shí)際使用時(shí)可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活選擇，本文僅驗(yàn)證未來(lái)移動(dòng)通信參考波形在NAVDAT信道下的可行性，不對(duì)具體技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行過(guò)多討論。為進(jìn)一步驗(yàn)證上述三種波形在NAVDAT信道下的可行性，本文對(duì)其采用16-QAM以及64-QAM調(diào)制方式下在MF信道中的BER性能進(jìn)行了仿真評(píng)估，仿真結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 16-QAM MF信道BER性能Fig.10 16-QAM BER performance under MF channels

圖11 64-QAM MF信道BER性能Fig.11 64-QAM BER performance under MF channels

從圖11中可以看出隨著調(diào)制階數(shù)的增高，采用匹配濾波接收機(jī)的GFDM系統(tǒng)BER性能下降，這是因?yàn)殡S著調(diào)制階數(shù)的升高，其對(duì)自干擾也更加敏感，正如前文中所述，匹配濾波接收機(jī)不能有效消除自干擾?？梢酝ㄟ^(guò)降低GFDM濾波器滾降系數(shù)的辦法來(lái)克服自干擾。將滾降系數(shù)降為R=0.01后的BER性能如圖12所示。

圖12 64-QAM R=0.01 MF信道BER性能Fig.12 64-QAM R=0.01 BER performance under MF channels

通過(guò)圖11與圖12的對(duì)比可以看出，GFDM塊內(nèi)自干擾制約了采用匹配濾波接收機(jī)的GFDM系統(tǒng)性能。但在現(xiàn)實(shí)中，設(shè)計(jì)滾降系數(shù)為0.01的濾波器十分困難，而MMSE接收機(jī)雖然能對(duì)自干擾進(jìn)行有效去除，卻是以顯著提升系統(tǒng)復(fù)雜度為代價(jià)的。

綜上所述，F(xiàn)BMC、GFDM、UFMC三種波形在ITU建議的14～26 dB的信噪比范圍內(nèi)與傳統(tǒng)OFDM性能相似，證明了上述三種波形應(yīng)用于NAVDAT廣播信道的可行性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了FBMC、GFDM和UFMC三種未來(lái)移動(dòng)通信技術(shù)參考波形，對(duì)其在NAVDAT廣播信道下的可行性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，探究了其應(yīng)用于NAVDAT廣播信道的優(yōu)勢(shì)及可行性。

首先，相較于傳統(tǒng)OFDM，F(xiàn)BMC、GFDM和UFMC均能有效降低帶外輻射，有利于拓展NAVDAT的可用頻譜并減少對(duì)相鄰頻段的干擾。FBMC對(duì)每一個(gè)子載波采用了濾波器濾波，具有最低的帶外輻射，對(duì)于擴(kuò)展可用頻譜、緩解海洋頻譜緊張問(wèn)題具有積極意義。在頻譜效率方面，由于不采用循環(huán)前綴，F(xiàn)BMC在處理長(zhǎng)數(shù)據(jù)流時(shí)可以顯著提升頻譜效率，在NAVDAT系統(tǒng)長(zhǎng)數(shù)據(jù)流通用廣播中具有較大的應(yīng)用潛力。此外，GFDM由于能夠以多個(gè)子符號(hào)為單位添加循環(huán)前綴，也是NAVDAT系統(tǒng)頻譜效率提升的可選方案。在對(duì)抗電離層運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的頻率偏移問(wèn)題上，相較于傳統(tǒng)OFDM、FBMC和UFMC具有更高的穩(wěn)定性，然而UFMC通常需要較長(zhǎng)的濾波器長(zhǎng)度。

值得一提的是，UFMC和GFDM在設(shè)計(jì)上具有很大的靈活性。GFDM可以根據(jù)不同廣播數(shù)據(jù)流的大小合理地選擇塊結(jié)構(gòu)。UFMC則能通過(guò)改變?yōu)V波器參數(shù)動(dòng)態(tài)地適應(yīng)NAVDAT信道的變化，有效應(yīng)對(duì)NAVDAT信道晝夜變化大、天波信道參數(shù)不穩(wěn)定的問(wèn)題。

但是要將上述波形應(yīng)用于未來(lái)海上安全信息廣播系統(tǒng)仍然面臨著一些挑戰(zhàn)。例如，F(xiàn)BMC雖然在長(zhǎng)數(shù)據(jù)流廣播中具有優(yōu)勢(shì)，但處理短報(bào)文緊急突發(fā)廣播的能力尚顯不足。另外，如何將FBMC采用的OQAM調(diào)制與現(xiàn)有通信體制兼容也是不小的挑戰(zhàn)。GFDM非正交的問(wèn)題也限制了其性能，目前仍難以實(shí)現(xiàn)在不提升復(fù)雜度且兼顧兼容性、帶外輻射抑制能力的情況下實(shí)現(xiàn)GFDM的正交性。另外，上述三種波形均具有較高的峰均值比，這也制約了其在船載小型接收設(shè)備上的性能，也是未來(lái)值得研究的方向。