海上甚高频数据通信系统中的多径时延
陈亮+金永兴胡勤友汤可成+高万明
DOI：10.13340/j.jsmu.2016.04.010
文章编号：1672-9498（2016）04005504
摘要：为改进传统的海上甚高频（Very High Frequency， VHF）的模拟通信方式，实现海上通信现代化，针对国际灯塔与航标协会（International Association of Lighthouse Authorities， IALA）和国际海事组织（International Maritime Organization， IMO）提出的VHF数据通信系统（VHF Data Exchange System， VDES）研究计划，建立基于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM）的数据传输模型.海上无线信道的多径时延的确定是建立OFDM系统的关键，因此通过建立海上无线信道的多径传播模型分析和计算海上无线信道的多径时延.通过实验证明，该方法能够获得较低的误码率，有效实现海上VHF数据通信.
关键词：
甚高频（VHF）； e航海； 海上无线通信； 多径时延； VHF数据通信系统（VDES）； 正交频分复用（OFDM）
中图分类号： U666.14
文献标志码： A
收稿日期： 20160302
修回日期： 20160429
基金项目： 交通运输部应用基础研究项目（2015329810030）； 上海市人才发展资金（201436）
作者简介：
陈亮（1987—），男，江苏连云港人，博士研究生，研究方向为载运工具运用工程，（Email）kcliang669@163.com；
金永兴（1959—），男，上海人，教授，博导，研究方向为船舶结构特性与运行品质，（Email）yxjin@shmtu.edu.cn
Multipath time delay in maritime VHF data exchange system
CHEN Liang1， JIN Yongxing1， HU Qinyou1， TANG Kecheng2， GAO Wanming2
（1. Merchant Marine College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China；
2. Donghai Navigation Safety Administration MOT， Shanghai 200086， China）
Abstract：
To improve the analog communication mode of traditional maritime Very High Frequency （VHF） and realize maritime communication modernization， a data transmission model based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing （OFDM） is established for the VHF Data Exchange System （VDES） research program which was proposed by International Association of Lighthouse Authorities （IALA） and International Maritime Organization （IMO）. Because the key to the OFDM system is the determination of the multipath time delay， a multipath propagation model of maritime wireless channels is established to analyze and calculate the multipath time delay of maritime wireless channels. The experiment shows that the method can effectively achieve maritime VHF data exchange with the lower bit error rate.
Key words：
Very High Frequency （VHF）； enavigation； maritime wireless communication； multipath time delay； VHF Data Exchange System （VDES）； Orthogonal Frequency Division Multiplexing （OFDM）
0引言
甚高频（Very High Frequency， VHF）通信作为海上近距离通信的主要手段已有几十年的历史，其工作频段范围为156～174 MHz.采用模拟信号的语音通信目前仍是船舶间和船岸间通信的主要方式.[1]甚高频数据通信系统（VHF Data Exchange System， VDES）是由国际灯塔与航标协会（International Association of Lighthouse Authorities， IALA）的eNAV委员会提出的，并被国际电信联盟（International Telecommunication Union， ITU）、国际海事组织（International Maritime Organization， IMO）以及其他国际组织广泛讨论.VDES的设计研究用于解决由于传统海上VHF频段频带窄、通信容量小而造成的AIS VHF数据链中网络繁忙和拥堵问题，同时也为海上数据通信提供了更广泛的高速通信途径，以促进e航海（eNavigation）和海上通信现代化的发展.VDES的研究对未来船舶导航和船舶交通管理具有重要的指导意义.[2]
目前，VDES处于研究阶段，ITU和IMO等相关国际组织尚未形成统一的标准，可以参考的主要是由ITU在2008年发布的ITUR M.18421建议书[3].该建议书提出了VDES的技术发展目标，展示了几种应用示例，其中100 kHz带宽应用示例为采用4个VHF频道组合成的100 kHz带宽的数据通信频道，并且具有32个子载波结构.利用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM）的多载波通信技术能够满足VDES的要求.海上VHF频段的无线信号传输信道环境存在多径效应，选择OFDM能在有效提高频带利用率的同时，有效对抗海上的多径时延的影响.[4]OFDM系统对抗多径时延的性能取决于最大程度消除符号间干扰（Inter Symbol Interference，ISI），通过设置大于无线信道的最大时延的保护间隔能够满足该需求.海上VHF信道中最大多径时延成为VDES参数设计的关键，因此有必要研究建立一种海上VHF多径传输模型以完成和实现VDES的通信需求.
1海面参数
在建立海上VHF多径信道模型前，首先要选定合适的海面参数.电磁波在海洋环境下传播受到海上气候和海浪的影响，导致海上信道参数发生改变.海面状态可以用数值级数即海情级（sea state）描述，常用世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）和Douglas采用的波高划分[5]，具体海情级划分见表1.
2多径传播模型
2.1海上无线多径信道
海面的粗糙导致海上电磁波传输存在海面镜面反射和海面漫反射[6]，因此海上无线信号传输路径包含3种（见图1），即直达路径、镜面反射路径和漫反射路径.直达路径是指射频发射端与接收端之间的可视路径；镜面反射路径是指经一次镜面反射的路径；漫反射路径是指经多方向海面漫反射的路径.
镜面反射路径与直达路径的路径差是固定的，即时延固定，镜面反射的时延差也是多径时延的最小值.漫反射时延差大于镜面反射的时延差.漫反射点可能会落在镜面反射点附近的任意区域，与实际海况有关，漫反射路径与直达路径的路径差是随机的，即时延是随机的.一般认为镜面反射路径来自单独的一个点，而漫反射路径来自具有一定范围的区域[7].海上无线信号传输示意图见图1.
2.2漫反射区域和多径时延
电磁波发生漫反射（即经过有一定倾斜的无限小的漫反射面反射）时，部分漫反射面反射的电磁波能够被接收端所接收，这些漫反射面所组成的区域即称为有效漫反射区域[8]，见图2.如果在接收端接收到的多路漫反射路径时延相近，则会产生叠加效应[9]，影响有效信号的接收.有效漫反射区域的位置和范围直接决定了接收信号的最大时延，确定有效漫反射区域的位置和范围即可确定海上无线信道的最大时延.
参考文献：
[1]MOTZ F， DALINGER E， HCKEL S， et al. Development of requirements for communication management on board in the framework of the enavigation concept[J]. TransNav， the International Journal on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation， 2011， 5（1）： 1522.
[2]EDUARDO Bolas， NUNO Borges de Carvalho， JOS Neto Vieira， et al. Opportunistic usage of maritime VHF banddeployment challenges for a new regulatory framework[J]. Wireless Engineering and Technology， 2014， 5（1）： 110.
[3]ITUR. Characteristics of VHF radio systems and equipment for the exchange of data and electronic mail in the maritime mobile service RR Appendix 18 channels[R/OL]. https：//www.itu.int/rec/RRECM.18421200906I/en.
[4]NEE R， PRASAD R. OFDM for wireless multimedia communications[M]. Norwood， USA： Artech House， Inc.， 2000： 1112.
[5]董玫， 赵永波， 张守宏. 米波段下海面多径模型研究[J]. 电子学报， 2009， 36（6）： 13731377.
[6]郭立新. 随机粗糙面散射的基本理论与方法[M]. 北京： 科学出版社， 2010： 810.
[7]LEI Q， RICE M. Multipath channel model for overwater aeronautical telemetry[J]. Aerospace and Electronic Systems， IEEE Transactions on， 2009， 45（2）： 735742.
[8]杨伟. 三维复杂粗糙海面电磁散射建模研究与特性分析[D].成都： 电子科技大学， 2012.
[9]THEODORE S. Rappaport， wireless communications： principles and practice second edition[M]. Beijing， China： Publishing House of Electronics Industry， 2008： 159162.
[10]DONALD E. BARRICK. Rough surface scattering based on the specular point theory[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1968， 16（4）： 449454.
（编辑贾裙平）
DOI：10.13340/j.jsmu.2016.04.010
文章编号：1672-9498（2016）04005504
摘要：为改进传统的海上甚高频（Very High Frequency， VHF）的模拟通信方式，实现海上通信现代化，针对国际灯塔与航标协会（International Association of Lighthouse Authorities， IALA）和国际海事组织（International Maritime Organization， IMO）提出的VHF数据通信系统（VHF Data Exchange System， VDES）研究计划，建立基于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM）的数据传输模型.海上无线信道的多径时延的确定是建立OFDM系统的关键，因此通过建立海上无线信道的多径传播模型分析和计算海上无线信道的多径时延.通过实验证明，该方法能够获得较低的误码率，有效实现海上VHF数据通信.
关键词：
甚高频（VHF）； e航海； 海上无线通信； 多径时延； VHF数据通信系统（VDES）； 正交频分复用（OFDM）
中图分类号： U666.14
文献标志码： A
收稿日期： 20160302
修回日期： 20160429
基金项目： 交通运输部应用基础研究项目（2015329810030）； 上海市人才发展资金（201436）
作者简介：
陈亮（1987—），男，江苏连云港人，博士研究生，研究方向为载运工具运用工程，（Email）kcliang669@163.com；
金永兴（1959—），男，上海人，教授，博导，研究方向为船舶结构特性与运行品质，（Email）yxjin@shmtu.edu.cn
Multipath time delay in maritime VHF data exchange system
CHEN Liang1， JIN Yongxing1， HU Qinyou1， TANG Kecheng2， GAO Wanming2
（1. Merchant Marine College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China；
2. Donghai Navigation Safety Administration MOT， Shanghai 200086， China）
Abstract：
To improve the analog communication mode of traditional maritime Very High Frequency （VHF） and realize maritime communication modernization， a data transmission model based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing （OFDM） is established for the VHF Data Exchange System （VDES） research program which was proposed by International Association of Lighthouse Authorities （IALA） and International Maritime Organization （IMO）. Because the key to the OFDM system is the determination of the multipath time delay， a multipath propagation model of maritime wireless channels is established to analyze and calculate the multipath time delay of maritime wireless channels. The experiment shows that the method can effectively achieve maritime VHF data exchange with the lower bit error rate.
Key words：
Very High Frequency （VHF）； enavigation； maritime wireless communication； multipath time delay； VHF Data Exchange System （VDES）； Orthogonal Frequency Division Multiplexing （OFDM）
0引言
甚高频（Very High Frequency， VHF）通信作为海上近距离通信的主要手段已有几十年的历史，其工作频段范围为156～174 MHz.采用模拟信号的语音通信目前仍是船舶间和船岸间通信的主要方式.[1]甚高频数据通信系统（VHF Data Exchange System， VDES）是由国际灯塔与航标协会（International Association of Lighthouse Authorities， IALA）的eNAV委员会提出的，并被国际电信联盟（International Telecommunication Union， ITU）、国际海事组织（International Maritime Organization， IMO）以及其他国际组织广泛讨论.VDES的设计研究用于解决由于传统海上VHF频段频带窄、通信容量小而造成的AIS VHF数据链中网络繁忙和拥堵问题，同时也为海上数据通信提供了更广泛的高速通信途径，以促进e航海（eNavigation）和海上通信现代化的发展.VDES的研究对未来船舶导航和船舶交通管理具有重要的指导意义.[2]
目前，VDES处于研究阶段，ITU和IMO等相关国际组织尚未形成统一的标准，可以参考的主要是由ITU在2008年发布的ITUR M.18421建议书[3].该建议书提出了VDES的技术发展目标，展示了几种应用示例，其中100 kHz带宽应用示例为采用4个VHF频道组合成的100 kHz带宽的数据通信频道，并且具有32个子载波结构.利用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM）的多载波通信技术能够满足VDES的要求.海上VHF频段的无线信号传输信道环境存在多径效应，选择OFDM能在有效提高频带利用率的同时，有效对抗海上的多径时延的影响.[4]OFDM系统对抗多径时延的性能取决于最大程度消除符号间干扰（Inter Symbol Interference，ISI），通过设置大于无线信道的最大时延的保护间隔能够满足该需求.海上VHF信道中最大多径时延成为VDES参数设计的关键，因此有必要研究建立一种海上VHF多径传输模型以完成和实现VDES的通信需求.
1海面参数
在建立海上VHF多径信道模型前，首先要选定合适的海面参数.电磁波在海洋环境下传播受到海上气候和海浪的影响，导致海上信道参数发生改变.海面状态可以用数值级数即海情级（sea state）描述，常用世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）和Douglas采用的波高划分[5]，具体海情级划分见表1.
2多径传播模型
2.1海上无线多径信道
海面的粗糙导致海上电磁波传输存在海面镜面反射和海面漫反射[6]，因此海上无线信号传输路径包含3种（见图1），即直达路径、镜面反射路径和漫反射路径.直达路径是指射频发射端与接收端之间的可视路径；镜面反射路径是指经一次镜面反射的路径；漫反射路径是指经多方向海面漫反射的路径.
镜面反射路径与直达路径的路径差是固定的，即时延固定，镜面反射的时延差也是多径时延的最小值.漫反射时延差大于镜面反射的时延差.漫反射点可能会落在镜面反射点附近的任意区域，与实际海况有关，漫反射路径与直达路径的路径差是随机的，即时延是随机的.一般认为镜面反射路径来自单独的一个点，而漫反射路径来自具有一定范围的区域[7].海上无线信号传输示意图见图1.
2.2漫反射区域和多径时延
电磁波发生漫反射（即经过有一定倾斜的无限小的漫反射面反射）时，部分漫反射面反射的电磁波能够被接收端所接收，这些漫反射面所组成的区域即称为有效漫反射区域[8]，见图2.如果在接收端接收到的多路漫反射路径时延相近，则会产生叠加效应[9]，影响有效信号的接收.有效漫反射区域的位置和范围直接决定了接收信号的最大时延，确定有效漫反射区域的位置和范围即可确定海上无线信道的最大时延.
参考文献：
[1]MOTZ F， DALINGER E， HCKEL S， et al. Development of requirements for communication management on board in the framework of the enavigation concept[J]. TransNav， the International Journal on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation， 2011， 5（1）： 1522.
[2]EDUARDO Bolas， NUNO Borges de Carvalho， JOS Neto Vieira， et al. Opportunistic usage of maritime VHF banddeployment challenges for a new regulatory framework[J]. Wireless Engineering and Technology， 2014， 5（1）： 110.
[3]ITUR. Characteristics of VHF radio systems and equipment for the exchange of data and electronic mail in the maritime mobile service RR Appendix 18 channels[R/OL]. https：//www.itu.int/rec/RRECM.18421200906I/en.
[4]NEE R， PRASAD R. OFDM for wireless multimedia communications[M]. Norwood， USA： Artech House， Inc.， 2000： 1112.
[5]董玫， 赵永波， 张守宏. 米波段下海面多径模型研究[J]. 电子学报， 2009， 36（6）： 13731377.
[6]郭立新. 随机粗糙面散射的基本理论与方法[M]. 北京： 科学出版社， 2010： 810.
[7]LEI Q， RICE M. Multipath channel model for overwater aeronautical telemetry[J]. Aerospace and Electronic Systems， IEEE Transactions on， 2009， 45（2）： 735742.
[8]杨伟. 三维复杂粗糙海面电磁散射建模研究与特性分析[D].成都： 电子科技大学， 2012.
[9]THEODORE S. Rappaport， wireless communications： principles and practice second edition[M]. Beijing， China： Publishing House of Electronics Industry， 2008： 159162.
[10]DONALD E. BARRICK. Rough surface scattering based on the specular point theory[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1968， 16（4）： 449454.
（编辑贾裙平）
