0 引言

    隨著我國(guó)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(zhuān)門(mén)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(guó)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(wú)法滿足日益增長(zhǎng)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(guó)際海事組織(IMO)制定的未來(lái)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(guó)家已經(jīng)開(kāi)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(lái)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(guó)際電聯(lián)(ITU)正式發(fā)布水上VHF頻段無(wú)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(shū)《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(wú)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(kāi)發(fā)提供指南^[4]。2015年10月國(guó)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(shū)》^[5]，通過(guò)業(yè)務(wù)類(lèi)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(guò)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(shū)》的地面部分通信技術(shù)特性和《ITU-R M.1842-1建議書(shū)》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(wú)線電系統(tǒng)特性為：

    (1)發(fā)射類(lèi)別應(yīng)為100K0F1DDN。

    (2)頻段應(yīng)滿足《無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(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(shū)》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(wú)線信道的信噪比為：

2.2 傳輸距離

    傳播路徑損耗是決定無(wú)線電波傳輸距離的主要因素。考慮到水上甚高頻無(wú)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(kāi)闊區(qū)域。因此本文選擇適用于基站天線高度高于其周?chē)ㄖ?、信?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(wú)線電波的傳播路徑損耗模型。由于水上甚高頻無(wú)線通信系統(tǒng)的工作環(huán)境在開(kāi)闊水域區(qū)域，因此本文采用開(kāi)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(shū)》的地面部分通信技術(shù)特性和《ITU-R M.1842-1建議書(shū)》附件4的相關(guān)技術(shù)參數(shù)建立的寬帶水上VHF無(wú)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?jiàn)，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(guó)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(guò)對(duì)水上B-VHF無(wú)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(lái)取舍，由此設(shè)計(jì)出合理的通信系統(tǒng)。因此水上B-VHF無(wú)線通信系統(tǒng)按照《ITU-R M.2092-0建議書(shū)》的地面部分通信技術(shù)特性和《ITU-R M.1842-1建議書(shū)》附件4給出的技術(shù)參數(shù)來(lái)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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