0 引言

    隨著我國海上運輸及港口物流事業(yè)的迅速發(fā)展,，數(shù)據(jù)通信逐漸成為支撐現(xiàn)代航運業(yè)的重要通信手段，甚高頻(VHF)頻段是沿海和內(nèi)河航運的通信頻段^[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210座,，其中有14個操作中心,。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)務的需求^[2],。

    GMDSS復審和現(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^[3],。新一代的水上寬帶甚高頻通信系統(tǒng)(Broadband Very High Frequency,，B-VHF)對海上信息交換帶來新的革命，將為海上運輸安全提供有力保障,。本文旨在驗證和分析新一代的水上寬帶VHF通信系統(tǒng)可以實現(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)字通信新技術的研究成果ITU-R M.1842號技術建議書《水上移動業(yè)務頻道交換數(shù)據(jù)和電子郵件的VHF無線電系統(tǒng)和設備的特性》，為VHF頻段水上移動業(yè)務數(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《水上移動頻段內(nèi)的VHF數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的技術特性》,，即《ITU-R M.2092-0建議書》^[5]，通過業(yè)務類型的不同,，劃分為VDES的應用特定消息、VDES的地面部分通信,、VDES的衛(wèi)星下行鏈路三方面的技術特性要求和建議,。由于現(xiàn)有的技術條件的限制和AIS數(shù)字信道面臨的壓力，地面VDES計劃被首先實施,，甚至早于衛(wèi)星設備資源獲取之前,。通過運用現(xiàn)代高速寬帶數(shù)字通信的技術，可以提供一個高速的擁有更廣闊運用前景的高速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業(yè)務數(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)射類別應為100K0F1DDN,。

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

    (3)如ETSI標準EN 300 392-2 v.3.2.1(2007-09年)所述,，系統(tǒng)應在100 kHz帶寬內(nèi)包含32個功率相等的子載頻,，每一個子載頻采用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)射機信噪比的關系、影響VHF信號傳輸距離的因素,，以及誤碼率與接收機信噪比的關系,。  2 水上B-VHF通信系統(tǒng)的性能分析

2.1 信道容量

    在評價無線信道時，信道容量是最重要的性能指標之一,。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,，才能實現(xiàn)無失真?zhèn)鬏?。根?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表示信號的功率,，ρ=S/N是信道的信噪比,。式（1）表示的是單位時間內(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、海岸電臺天線高度為20 m~60 m,、船舶電臺天線高度為2 m~5 m,，相當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,、信號頻率范圍150~1 500 MHz ,、基站天線高度為30 m~200 m、移動臺天線高度為1 m~10 m,、收發(fā)天線間距離為1 km~20 km的Okumura—Hata模型,，作為預測水上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)抗誤碼率性能強弱的重要參數(shù)^[7]，d與抗誤碼率能力成正比例關系,，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)射機采用MQAM調(diào)制方式,，在加性高斯白噪聲信道中傳輸，接收機采用相干解調(diào),，則信號的平均誤碼率為：

其中,，E表示傳輸信號的平均能量，E/N₀表示接收機信噪比,。

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特性和《ITU-R M.1842-1建議書》附件4的相關技術參數(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系、通信傳輸距離與收發(fā)天線高度的關系,、信號差錯概率與接收機信噪比的關系,。

3.1 信道容量

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

    此外可以看到,，當輸入信噪比為7.41左右時，采用4QAM和8QAM調(diào)制方式的發(fā)射機幾乎達到信道容量的最大值,，采用16QAM和32QAM調(diào)制方式的發(fā)射機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)制達到307.2 kb/s的空中信道速率，能夠適應實際通信條件,，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)盟對水上VHF移動通信系統(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、接收天線的關系,，選取通信方向為岸上基站發(fā)射,、船上基站接收信號，船站與岸站之間的距離為20 km,。

    當船站接收天線為3 m時,，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,，當岸站發(fā)射天線為34 m時，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。當實際通信環(huán)境,、工作頻率,、最大通信距離確定時，可根據(jù)路徑損耗的估算值選取岸站天線,、船站天線的恰當高度,。

    在分析傳輸路徑損耗與傳輸距離的關系中，同樣選取工作頻率157 MHz,，通信方向為岸上基站發(fā)射,、船上基站接收信號，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,；達到水上甚高頻電波要求覆蓋的最大距離25海里（約45 km）時,，路徑損耗大約是105 dB。

3.3 接收機誤碼率

    由圖6直觀地看出,，不同階數(shù)(M)的QAM接收機隨著接收機信噪比的增加,，誤碼率非線性下降；而隨著M的增大,，最小距離d不斷減小,，接收機誤碼率有一定的增加；但在接收機信噪比小于10時,，不同階數(shù)QAM接收機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)在實際信道環(huán)境下，能夠滿足較高的誤碼率要求,，同時保證較高的數(shù)據(jù)傳輸速率,。

4 結論

    水上寬帶VHF數(shù)據(jù)通信技術能夠提供強大的通信傳輸功能，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)制方式時要綜合考慮,，根據(jù)系統(tǒng)的具體要求來取舍，由此設計出合理的通信系統(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特性和《ITU-R M.1842-1建議書》附件4給出的技術參數(shù)來實現(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>

參考文獻

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