一種基于海上甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)（VDEs）的自適應(yīng)QAM改進(jìn)算法

劉俠　鄭建道　張偉　胡勤友

【摘 要】由于傳輸速率較低的低階調(diào)制能夠保障可靠傳輸，而傳輸速率較高的高階調(diào)制能夠提升系統(tǒng)容量，對(duì)于海上甚高頻時(shí)變衰落的無線信道，我們需要折中考慮數(shù)據(jù)傳輸速率和誤碼率，因此本文提出一種自適應(yīng)子帶劃分的多進(jìn)制QAM算法（ASD-MQAM），根據(jù)當(dāng)前信道的狀態(tài)自適應(yīng)地選擇合適的不同進(jìn)制QAM調(diào)制方式，以適應(yīng)信道動(dòng)態(tài)變化、優(yōu)化發(fā)射功率，提高海上VDEs通信系統(tǒng)的性能。

【關(guān)鍵詞】海上甚高頻；甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)；正交幅度調(diào)制；自適應(yīng)子帶劃分

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）36-0075-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.032

An Enhanced Adaptive QAM Algorithm for Maritime VHF Data Exchange System （VDEs）

LIU Xia ZHENG Jian-dao ZHANG Wei HU Qin-you

（Merchant Marine College，Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

【Abstract】For the Low-order modulation with low transmission rate provides reliable transmission，and the high-order modulation improves the system capacity， we need to compromise the data transfer rate and BER in VHF time-varying fading wireless channels.In this paper，we propose the multi-band QAM algorithm based on an adaptive sub-band division （ASD-MQAM）.According to the current state of channels， the ASD-MQAM can select the appropriate Multi-band QAM modulation in order to meet the channels dynamic changes and optimize the transmit power.The simulation results show that the proposed algorithm can improve the performance of the maritime VDEs communication system.

【Key words】Maritime VHF； VDEs； QAM； Adaptive sub-band division

0 引言

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[1]，根據(jù)水上甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)（VDEs）業(yè)務(wù)類型的不同特性，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。隨著傳輸距離的增加，VHF無線信道傳輸會(huì)出現(xiàn)多徑衰落，傳統(tǒng)QAM調(diào)制的鏈路預(yù)算需滿足信道質(zhì)量最差的狀況，不能有效利用較好信道的信道容量，造成頻譜的浪費(fèi)，且不能有效應(yīng)對(duì)多徑衰落。

水上VDEs系統(tǒng)需要采用傳輸速率較低的低階調(diào)制來保障可靠傳輸，要求即使信道處于深度衰落，也能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的可靠傳輸。但是，當(dāng)信道處于高信噪比時(shí)，較低的傳輸速率會(huì)妨礙系統(tǒng)容量的提升，從而制約頻譜資源的利用[2]；另一方面，為了提高VDES的通信容量，需要采用傳輸速率較高的高階調(diào)制。當(dāng)信道處于高信噪比時(shí)，高階調(diào)制系統(tǒng)的通信容量能夠獲得顯著提高，但當(dāng)信道處于深度衰落、低信噪比時(shí)，高階調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率大，則無法保障可靠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸[3]。

對(duì)于水上甚高頻時(shí)變衰落的無線信道，我們需要折中考慮通信系統(tǒng)的通信容量和誤碼率（BER）的性能，因此本文提出一種自適應(yīng)子帶劃分的多進(jìn)制QAM算法（ASD-MQAM），根據(jù)當(dāng)前信道的狀態(tài)自適應(yīng)地選擇合適的不同進(jìn)制QAM調(diào)制方式，以適應(yīng)信道動(dòng)態(tài)變化、優(yōu)化發(fā)射功率，利用自適應(yīng)技術(shù)提高水上寬帶VDEs通信系統(tǒng)的性能。

1 OFDM自適應(yīng)調(diào)制算法

自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)和OFDM技術(shù)結(jié)合，可以根據(jù)移動(dòng)無線信道的瞬時(shí)質(zhì)量狀況決定子信道的調(diào)制方式，使信道的傳輸能力在任何時(shí)刻都能達(dá)到最大，自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)可以使通信系統(tǒng)獲得較高的頻譜利用率和比特傳輸速率。

Chow算法[4]是根據(jù)各個(gè)子信道的信道容量來分配比特，其優(yōu)化準(zhǔn)則是在維持目標(biāo)誤比特率的前提下使系統(tǒng)的頻譜效率達(dá)到最優(yōu)。該算法主要由三個(gè)步驟完成，首先確定使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)的門限，然后確定各個(gè)子載波的調(diào)制方式，最后調(diào)整各個(gè)子載波的功率。與Chow算法以信道容量的優(yōu)化準(zhǔn)則不同，F(xiàn)ischer算法[5]是在維持恒定傳輸速率和給定總發(fā)射功率的前提下，使系統(tǒng)的誤比特率性能達(dá)到最優(yōu)。通過統(tǒng)計(jì)全部子載波上誤比特率，并且在所有子載波上誤比特率相等時(shí)，系統(tǒng)的誤比特率達(dá)到最小值。Fischer算法可獲得比特分配和功率分配的閉式解，所以算法復(fù)雜度較小，適合高速無線數(shù)據(jù)傳輸。SBLA（Simple Block Loading Algorithm）即簡(jiǎn)單分組比特算法[5]，根據(jù)每組子載波的平均信噪比來確定采用何種調(diào)制方式。首先對(duì)全部子載波進(jìn)行分組，根據(jù)信道狀況分別計(jì)算它們的信噪比。然后根據(jù)一系列信噪比門限確定每一組子載波的調(diào)制方式。信噪比門限可變，但是各個(gè)門限間的間隔不變。由于這種算法主要是加減運(yùn)算，所以計(jì)算復(fù)雜度很低、開銷信令得到消減，同時(shí)又可以獲得很好的抗干擾性能。因此，它是一種實(shí)用有效的算法，適合在OFDM系統(tǒng)中應(yīng)用。

2 基于自適應(yīng)子帶劃分的多進(jìn)制QAM調(diào)制算法（ASD-MQAM）

正交幅度調(diào)制（QAM）是將2ASK和2PSK結(jié)合起來的調(diào)制技術(shù)，用兩路獨(dú)立的基帶信號(hào)對(duì)頻率相同、相位正交的兩個(gè)載波進(jìn)行抑制載波雙邊帶調(diào)幅，再將兩路已調(diào)信號(hào)加起來一起傳輸。QAM可以將信號(hào)帶寬雙倍擴(kuò)展，被廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。多進(jìn)制QAM（MQAM）與MPSK、MFSK相比，在相同的M時(shí)，MQAM可以得到最大數(shù)據(jù)吞吐量[6]。

另一方面，SBLA算法與其他算法相比，運(yùn)算量最小，而且其誤比特率與Fischer算法相近，其誤比特曲線與Chow算法相近，因此SBLA算法是一種非常適用于海上寬帶甚高頻數(shù)據(jù)傳輸，并且能夠滿足海上寬帶甚高頻通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性。 因此，為了保證海上寬帶通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和誤比特性能，本文以數(shù)據(jù)傳輸速率最大化為準(zhǔn)則，提出一種結(jié)合SBLA算法的自適應(yīng)子帶劃分的多進(jìn)制QAM調(diào)制算法（ASD-MQAM）。

2.1 自適應(yīng)多進(jìn)制QAM調(diào)制算法（ASD-MQAM）

ASD-MQAM算法可以分為兩部分，一部分是自適應(yīng)MQAM調(diào)制模型，另一部分是通信子載波的動(dòng)態(tài)劃分。自適應(yīng)MQAM調(diào)制（如圖1所示）是對(duì)QAM星座圖進(jìn)行的自適應(yīng)調(diào)制，收發(fā)方通過雙工方式進(jìn)行信息交互，在接收端認(rèn)為鏈路可接收時(shí)，通知發(fā)射端，而發(fā)射端根據(jù)信道質(zhì)量的估計(jì)確定QAM的調(diào)制階數(shù)。根據(jù)成功傳輸需要快衰落信道的變化要慢于符號(hào)周期的原則，當(dāng)信道條件不滿足時(shí)，則采用低階QAM調(diào)制方式，這樣會(huì)明顯降低通信系統(tǒng)的復(fù)雜度和冗余度。

調(diào)制方式選擇器采用自適應(yīng)MQAM算法，根據(jù)信道當(dāng)前狀態(tài)，選擇合適的調(diào)制方式。在水上VDEs通信系統(tǒng)中，假設(shè)子載波個(gè)數(shù)為K，平均分為NB個(gè)子帶，各子帶含有的子載波的個(gè)數(shù)定義為子帶的寬度b=K/NB。首先根據(jù)通信系統(tǒng)要求的目標(biāo)誤碼率，獲得信噪比門限，記為SNRst（j），其中j=0，1，2，3，4，5，6，分別對(duì)應(yīng)于不調(diào)制、2QAM、4QAM、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM七種調(diào)制方式。第m個(gè)子帶內(nèi)每個(gè)子載波上的比特?cái)?shù)為Rj（m），第m個(gè)子帶內(nèi)NB個(gè)子載波的平均信噪比可表示為：

2.2 動(dòng)態(tài)劃分子載波算法

動(dòng)態(tài)劃分子載波算法依據(jù)信道當(dāng)前狀態(tài)信息完成，并對(duì)相同子帶內(nèi)所有子載波采用相同的調(diào)制方式。根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知，當(dāng)MSE（m）≤15dB時(shí)，子帶劃分產(chǎn)生的頻譜損耗較少，此時(shí)子帶的數(shù)目最少，子帶劃分方法適用于甚高頻通信。本文采用不連續(xù)的子帶劃分方式，在子帶劃分前，按照子載波信道增益由小到大對(duì)子載波重新的排序，保證頻譜利用率的前提下，降低自適應(yīng)QAM算法的迭代次數(shù)，使算法的復(fù)雜度進(jìn)一步降低。動(dòng)態(tài)劃分子載波算法的流程如圖2所示，其中接收端一個(gè)子載波信噪比為：

2.3 ASD-MQAM算法

將子帶動(dòng)態(tài)劃分方法應(yīng)用于自適應(yīng)多進(jìn)制QAM算法，本文獲得ASD-MQAM算法的計(jì)算流程如下：

2.3.1 比特分配初始化：

（1）設(shè)置OFDM符號(hào)的子載波個(gè)數(shù)K，每個(gè)子載波需要傳送的平均比特?cái)?shù)為n，則一個(gè)OFDM符號(hào)所包含的比特?cái)?shù)為Rtar=nK。

（2）動(dòng)態(tài)劃分子帶。由本文2.2估算出子帶數(shù)NB以及子帶寬度b。

（3）自適應(yīng)選擇調(diào)制方式。由本文2.1確定MQAM其中之一。

2.3.2 比特功率的調(diào)整：

（1）如果Rtar=RTotal，直接轉(zhuǎn)到步驟3。

（2）如果Rtar>RTotal，找到最小的ΔRj（m）且Rj（m）>0，調(diào)整Rj（m）=Rj（m）-1，Rtar=Rtar-1，ΔRj（m）=SNR*（m）-SNRst（Rj（m）-1），調(diào)整Rj直至Rtar=RTotal。

（3）如果Rtar0，調(diào)整Rj（m）=Rj（m）+1，Rtar=Rtar+1，ΔRj（m）=SNR*（m）-SNRst（Rj（m）+1），調(diào)整Rj直至Rtar=RTotal。

2.3.3 將信號(hào)的功率歸一化。

3 數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)ITU-R M.2092-0建議書的地面部分通信技術(shù)特性的相關(guān)技術(shù)參數(shù)建立的水上 VDEs無線通信系統(tǒng)的信道模型（見表1），分析該通信系統(tǒng)采用不同調(diào)制算法的誤碼率。

由圖3可以看出，ASD-MQAM算法在信噪比小于8dB時(shí)，誤比特率略好于SBLA算法以及16QAM；隨著信道信噪比的增加，ASD-MQAM算法性能明顯優(yōu)于16QAM，誤碼率顯著下降。對(duì)于目標(biāo)誤碼率，自適應(yīng)QAM算法在信噪比處于12dB就能夠達(dá)到，其抗干擾能力比SBLA算法提升了25%。

4 結(jié)論

本文通過比較Fischer、Chow、SBLA三種自適應(yīng)調(diào)制算法可以看出，SBLA算法在保證通信系統(tǒng)的可靠性和有效性的同時(shí)，運(yùn)算量明顯小于Fischer、Chow，因此SBLA算法最適用于海上寬帶甚高頻數(shù)據(jù)通信。本文提出了一種改進(jìn)型的自適應(yīng)多進(jìn)制QAM調(diào)制算法，根據(jù)信道條件自適應(yīng)地選擇MQAM調(diào)制方式，既可以保證數(shù)據(jù)傳輸速率，又降低了計(jì)算復(fù)雜度。此外，對(duì)子載波進(jìn)行動(dòng)態(tài)劃分，引入MSE信道估計(jì)，抗干擾性能得到提升，改善了甚高頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

【參考文獻(xiàn)】

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