0 引言

    隨著我國海上運(yùn)輸及港口物流事業(yè)的迅速發(fā)展,，數(shù)據(jù)通信逐漸成為支撐現(xiàn)代航運(yùn)業(yè)的重要通信手段，甚高頻(VHF)頻段是沿海和內(nèi)河航運(yùn)的通信頻段^[1],。工作頻率范圍為156~174 MHz的傳統(tǒng)VHF通信技術(shù)作為近距離海上通信的主要手段,，發(fā)揮了巨大的作用，可用于專門的遇險(xiǎn)呼叫,、DSC通信和AIS通信，發(fā)射功率不大于50 W,。目前我國沿海共有VHF岸臺(tái)210座,，其中有14個(gè)操作中心。但傳統(tǒng)VHF系統(tǒng)存在頻帶窄,、通信容量小等缺陷,，無法滿足日益增長的現(xiàn)代通信業(yè)務(wù)的需求^[2]。

    GMDSS復(fù)審和現(xiàn)代化作為國際海事組織(IMO)制定的未來海事通信重點(diǎn)發(fā)展內(nèi)容之一,，甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)(VDES)是其主要研究方向,，部分國家已經(jīng)開展VHF 海上數(shù)據(jù)通信試驗(yàn)^[3],。新一代的水上寬帶甚高頻通信系統(tǒng)(Broadband Very High Frequency，B-VHF)對(duì)海上信息交換帶來新的革命,，將為海上運(yùn)輸安全提供有力保障,。本文旨在驗(yàn)證和分析新一代的水上寬帶VHF通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的性能。

1 水上寬帶甚高頻(B-VHF)通信系統(tǒng)

    2008年初國際電聯(lián)(ITU)正式發(fā)布水上VHF頻段無線電數(shù)字通信新技術(shù)的研究成果ITU-R M.1842號(hào)技術(shù)建議書《水上移動(dòng)業(yè)務(wù)頻道交換數(shù)據(jù)和電子郵件的VHF無線電系統(tǒng)和設(shè)備的特性》,，為VHF頻段水上移動(dòng)業(yè)務(wù)數(shù)字系統(tǒng)的開發(fā)提供指南^[4],。2015年10月國際電信聯(lián)盟發(fā)布《水上移動(dòng)頻段內(nèi)的VHF數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的技術(shù)特性》，即《ITU-R M.2092-0建議書》^[5],，通過業(yè)務(wù)類型的不同,，劃分為VDES的應(yīng)用特定消息、VDES的地面部分通信,、VDES的衛(wèi)星下行鏈路三方面的技術(shù)特性要求和建議,。由于現(xiàn)有的技術(shù)條件的限制和AIS數(shù)字信道面臨的壓力，地面VDES計(jì)劃被首先實(shí)施,，甚至早于衛(wèi)星設(shè)備資源獲取之前,。通過運(yùn)用現(xiàn)代高速寬帶數(shù)字通信的技術(shù)，可以提供一個(gè)高速的擁有更廣闊運(yùn)用前景的高速VHF通信系統(tǒng),，如圖1所示,。

    綜合《ITU-R M.2092-0建議書》的地面部分通信技術(shù)特性和《ITU-R M.1842-1建議書》附件4的要求，可以獲得用于水上移動(dòng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和電子郵件交換的寬帶VHF無線電系統(tǒng)特性為：

    (1)發(fā)射類別應(yīng)為100K0F1DDN,。

    (2)頻段應(yīng)滿足《無線電規(guī)則》（RR）附錄18腳注)規(guī)定的兩個(gè)相鄰頻道100 kHz的頻道要求,，每頻道帶寬為25 kHz。

    (3)如ETSI標(biāo)準(zhǔn)EN 300 392-2 v.3.2.1(2007-09年)所述,，系統(tǒng)應(yīng)在100 kHz帶寬內(nèi)包含32個(gè)功率相等的子載頻,，每一個(gè)子載頻采用16-QAM調(diào)制，其數(shù)據(jù)速率（空中）為307.2 kb/s,。

    本文按照上述水上B-VHF無線電系統(tǒng)特性要求,，分析信道容量與發(fā)射機(jī)信噪比的關(guān)系、影響VHF信號(hào)傳輸距離的因素,，以及誤碼率與接收機(jī)信噪比的關(guān)系,。  2 水上B-VHF通信系統(tǒng)的性能分析

2.1 信道容量

    在評(píng)價(jià)無線信道時(shí)，信道容量是最重要的性能指標(biāo)之一,。信道容量描述的是在給定的信噪比和帶寬條件下,，某一信道能可靠傳輸?shù)男畔⑺俾蕵O限。根據(jù)香農(nóng)有噪信道編碼定理,，系統(tǒng)傳輸速率只有在小于信道容量的前提下,，才能實(shí)現(xiàn)無失真?zhèn)鬏敗８鶕?jù)香農(nóng)公式，連續(xù)信道的信道容量為：

其中,，C代表信道容量(bit/s),，N表示信道的加性高斯白噪聲功率，S表示信號(hào)的功率,，ρ=S/N是信道的信噪比,。式（1）表示的是單位時(shí)間內(nèi)傳輸信息量的理論最大值。

    《ITU-R M.1842-1建議書》附件4建立的水上B-VHF通信系統(tǒng)的信道容量,，即傳輸速率為307.2 kbit/s,，信道帶寬為100 kHz，由此可得達(dá)到理論最大信道容量需要的無線信道的信噪比為：

2.2 傳輸距離

    傳播路徑損耗是決定無線電波傳輸距離的主要因素,?？紤]到水上甚高頻無線電波的頻率范圍是157~174 MHz、海岸電臺(tái)天線高度為20 m~60 m,、船舶電臺(tái)天線高度為2 m~5 m,，相當(dāng)于工作在大蜂窩基站覆蓋開闊區(qū)域。因此本文選擇適用于基站天線高度高于其周圍建筑物,、信號(hào)頻率范圍150~1 500 MHz ,、基站天線高度為30 m~200 m、移動(dòng)臺(tái)天線高度為1 m~10 m,、收發(fā)天線間距離為1 km~20 km的Okumura—Hata模型,，作為預(yù)測(cè)水上VHF頻段無線電波的傳播路徑損耗模型。由于水上甚高頻無線通信系統(tǒng)的工作環(huán)境在開闊水域區(qū)域,，因此本文采用開闊水域的Okumura—Hata模型^[6],，則該模型的傳播路徑損耗公式為：

2.3 誤碼率

    最小距離d是表征系統(tǒng)抗誤碼率性能強(qiáng)弱的重要參數(shù)^[7]，d與抗誤碼率能力成正比例關(guān)系,，即最小距離越大,，誤碼率越低。在寬帶甚高頻通信系統(tǒng)中,，發(fā)射機(jī)采用正交幅度調(diào)制(QAM),。不同階數(shù)(M)的正交幅度調(diào)制(MQAM)采用星座圖表示，最小距離表示為：

    由式(5)可以看出,，隨著階數(shù)M的增加,，雖然可以增加信息的傳輸速率，但是最小距離逐漸減少,，抗誤碼性能下降,，噪聲容限隨之減少，即誤碼率要求逐漸難以保證,。在寬帶甚高頻通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)采用MQAM調(diào)制方式，在加性高斯白噪聲信道中傳輸,，接收機(jī)采用相干解調(diào),，則信號(hào)的平均誤碼率為：

其中，E表示傳輸信號(hào)的平均能量,，E/N₀表示接收機(jī)信噪比,。

3 仿真分析

    本文根據(jù)《ITU-R M.2092-0建議書》的地面部分通信技術(shù)特性和《ITU-R M.1842-1建議書》附件4的相關(guān)技術(shù)參數(shù)建立的寬帶水上VHF無線通信系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)中信道容量與輸入信噪比的關(guān)系,、通信傳輸距離與收發(fā)天線高度的關(guān)系,、信號(hào)差錯(cuò)概率與接收機(jī)信噪比的關(guān)系。

3.1 信道容量

    圖2表明,，當(dāng)輸入信噪比較小時(shí),，信道容量與輸入信噪比成正比關(guān)系；當(dāng)信道條件較好時(shí),，即輸入信噪比較大時(shí),，信道容量達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)信道容量不受輸入信噪比的影響,。

    此外可以看到,，當(dāng)輸入信噪比為7.41左右時(shí)，采用4QAM和8QAM調(diào)制方式的發(fā)射機(jī)幾乎達(dá)到信道容量的最大值,，采用16QAM和32QAM調(diào)制方式的發(fā)射機(jī)處于較高的信道容量階段,，而采用64QAM調(diào)制方式的發(fā)射機(jī)還有較多的空余信道容量?？梢?，水上B-VHF通信系統(tǒng)采用16QAM調(diào)制達(dá)到307.2 kb/s的空中信道速率，能夠適應(yīng)實(shí)際通信條件,，具有較高的信道利用率,。

3.2 路徑損耗

    根據(jù)國際電信聯(lián)盟對(duì)水上VHF移動(dòng)通信系統(tǒng)分配的頻段，水上B-VHF通信系統(tǒng)使用頻段157.200 MHz~ 157.300 MHz,，本文性能分析中選取工作頻率157 MHz,。首先研究傳輸路徑損耗與發(fā)射天線、接收天線的關(guān)系,，選取通信方向?yàn)榘渡匣景l(fā)射,、船上基站接收信號(hào)，船站與岸站之間的距離為20 km,。

    當(dāng)船站接收天線為3 m時(shí),，由圖3可以看出，隨著岸站發(fā)射天線的不斷增高,，傳輸路徑損耗單調(diào)下降,。同樣，當(dāng)岸站發(fā)射天線為34 m時(shí)，由圖4可以看出,，隨著船站接收天線的不斷增高,，傳輸路徑損耗單調(diào)下降。當(dāng)實(shí)際通信環(huán)境,、工作頻率,、最大通信距離確定時(shí)，可根據(jù)路徑損耗的估算值選取岸站天線,、船站天線的恰當(dāng)高度,。

    在分析傳輸路徑損耗與傳輸距離的關(guān)系中，同樣選取工作頻率157 MHz,，通信方向?yàn)榘渡匣景l(fā)射,、船上基站接收信號(hào)，岸站發(fā)射天線為34 m,，船站接收天線為3 m,。由圖5可以看出，傳輸路徑損耗隨著傳輸距離的不斷增加而增大,；達(dá)到水上甚高頻電波要求覆蓋的最大距離25海里（約45 km）時(shí),，路徑損耗大約是105 dB。

3.3 接收機(jī)誤碼率

    由圖6直觀地看出,，不同階數(shù)(M)的QAM接收機(jī)隨著接收機(jī)信噪比的增加,，誤碼率非線性下降；而隨著M的增大,，最小距離d不斷減小,，接收機(jī)誤碼率有一定的增加；但在接收機(jī)信噪比小于10時(shí),，不同階數(shù)QAM接收機(jī)的誤碼率差別不明顯,。因此采用16-QAM調(diào)制的水上B-VHF通信系統(tǒng)在實(shí)際信道環(huán)境下，能夠滿足較高的誤碼率要求,，同時(shí)保證較高的數(shù)據(jù)傳輸速率,。

4 結(jié)論

    水上寬帶VHF數(shù)據(jù)通信技術(shù)能夠提供強(qiáng)大的通信傳輸功能，從而提高海上通信,、執(zhí)法,、搜救的能力。本文通過對(duì)水上B-VHF無線通信系統(tǒng)的通信容量,、通信距離,、誤碼率的分析得出，傳輸容量,、傳輸距離以及系統(tǒng)誤碼率三者之間相互矛盾,，所以選擇調(diào)制方式時(shí)要綜合考慮,，根據(jù)系統(tǒng)的具體要求來取舍，由此設(shè)計(jì)出合理的通信系統(tǒng),。因此水上B-VHF無線通信系統(tǒng)按照《ITU-R M.2092-0建議書》的地面部分通信技術(shù)特性和《ITU-R M.1842-1建議書》附件4給出的技術(shù)參數(shù)來實(shí)現(xiàn),，可以滿足水上甚高頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?/p>

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