一種認知ais設計方案的制作方法
【技術領域】：
[0001 ]本發明屬于通信技術領域，涉及AIS(Automatic Identification System)、0FDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)、認知無線電技術。 (二)
【背景技術】：
[0002] AIS能夠實現船舶與船舶、船舶與岸基間自動交互靜態、動態以及相關的安全等信 息，通過自組織、交互式的通信可以增強船舶航行的避碰能力、提高船舶航行的安全性、減 少水上交通事故的發生。然而，隨著AIS在全球的廣泛應用，海上載有AIS設備的船舶數量不 斷增加，世界上重要航道的船舶密度越來越大，在現有AIS的兩個專用信道中，當信道負載 率大于60.5%時，系統就會發生時隙沖突，導致用戶接入系統困難。另外，由于遠洋運輸船 舶工作的特殊性，船舶需要長期獨自在大洋上漂泊，而如今各類海難事故、海盜事件時有發 生，及時了解突發事件的現場情況并采取有效應對措施，已成為保障船舶安全航行的重中 之重。當發生重大安全問題時，載有AIS設備的船舶若能將船舶內部、周邊環境的情況通過 視頻信息迅速與周圍載有AIS設備的船臺或者岸基自組織交互，那么周邊船臺工作人員或 岸基專家就能夠根據現場情況及時采取應對措施、指揮部署營救工作，從而減少生命和財 產損失，提高遠洋船舶航行的安全性。但是，現有的AIS在設計之初尚未考慮安保視頻信息 交互的問題。隨著航運事業的快速發展，上述問題越來越突出。此外，0FDM是目前公認的比 較容易實現頻譜資源控制和有效利用的傳輸方式，是認知無線電首選的復用和調制技術。 而且，由于0FDM具有抗頻率選擇性衰落能力、較高的頻譜效率等優點，得到了廣泛的應用 (如WiMAX，DVB-T，CMMB等標準）。因此，本發明引入認知無線電中頻譜感知這一核心技術，充 分利用現有AIS的兩個專用信道周圍未被使用的"授權頻段"（8卩"空穴頻譜"）并結合0FDM技 術，不僅解決了用戶接入系統困難的問題，而且也解決了現有系統在應對突發事件時，不利 于安保視頻信息在船舶之間、船岸之間傳輸的缺陷。 (三)
【發明內容】
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[0003] 本發明的目的是解決現有AIS系統容量小而導致高負載下接入系統困難，以及現 有的AIS在設計之初尚未考慮安保視頻信息交互的問題。
[0004] 本發明的技術方案：
[0005] -種基于頻譜感知和0FDM核心技術的CAIS設計方案，其方案如圖1所示，具體步驟 以及各步驟細節如下：
[0006] 第1步、空閑頻譜感知及認知結果分配設計方案；
[0007] 第2步、0FDM技術在CAIS中應用設計方案。
[0008] 所述第1步中，海上移動業務VHF頻段為156~174MHz，被劃分為不同的頻道。如數 字選擇性呼叫（DSC)的專用頻道為CH70，發射頻率為156.525MHz ; CH16的發射頻率 156.80MHz，其作用為無線電話遇險、安全和日常呼叫;AIS的兩個專用頻道(AIS1和AIS2)分 另IJ占用CH87(161.975MHz)和CH88(162.025MHz)。上述專用頻段稱之為"授權頻段"。隨著載 有AIS設備的船舶數量的迅速增加，AIS信道資源越來越緊張，系統超過一定負載率時就會 發生時隙沖突，其任意一幀數據中時隙占用、預約、接入示意圖如圖2所示。然而，現有研究 結果表明上述專用頻道在一定程度上處于空閑狀態，即"頻譜空洞"。為此，本發明提出的 CAIS設計方案可以通過頻譜感知技術對CH87和CH88周圍的海上移動業務電磁環境（156~ 174MHz)以及167~223MHz的廣播頻段進行掃描監測，確定其頻譜利用狀況。若載有CAIS設 備的船臺搜索到"頻譜空洞"，將認知的結果(空閑頻譜)直接或通過衛星轉發設備發送給岸 基平臺。岸基平臺收集到一定空閑頻譜信息后，再根據信道占用及申請情況通過廣播信道 按需分配頻譜，其利用空閑頻譜解決用戶接入系統示意圖如圖3所示。所述第1步中具體步 驟總結如下：
[0009]第1.1步、CAIS設備利用頻譜感知技術感知除AIS授權頻道之外的VHF空閑頻譜。 [0010]第1.2步、將認知的結果（空閑頻譜)和信道申請信息直接或通過衛星轉發設備發 送給岸基平臺。本步驟中信道申請包括新用戶入網信道申請、在網用戶常規數據發送信道 申請和在網用戶視頻數據發送信道申請。
[0011] 第1.3步、岸基平臺根據信道占用及申請情況通過廣播信道按需分配頻譜。本步驟 中按需分配頻譜是指根據信道申請情況將感知到的部分空閑頻譜(根據感知空閑頻譜及信 道申請情況確定其大小)連續或非連續(0FDM技術可以靈活地選擇頻率，具有非連續占用載 波同時傳輸信息的功能)分配給一個待傳輸視頻數據或一個待傳輸二進制信息數據（占用 幾條標準報文信息長度）的在網用戶、或將連續或非連續24+0.25 X N KHz (N與系統分配的 頻譜有關）中全部或部分載波分配給一個待傳輸位置信息數據（占用一條標準報文信息長 度）的在網用戶、或將連續或非連續24+0.25 XN KHz全部分配給一個待入網的新用戶。
[0012] 所述第2步中，(FDM技術應用于CAIS，在用戶獲取分配頻譜后，合理選擇子載波進 行數據傳輸。為此，本發明對CAIS的系統參數設計如下：
[0013] 在海上甚高頻段，最大時延擴展為T = 300ys，本發明選擇保護間隔的長度Tg = 1.33ms ?4t，〇FDM符號周期T = 5Tg = 6.667ms，則有效時間長度為 AT = T-Tg = 5.336ms，子載 波間隔A f = 187.5Hz。本發明選擇Nsubcarr = 128個子載波來傳輸位置信息數據，其占用的帶 寬為128 X 187.5Hz = 24kHz，同時選擇IFFT/FFT的變換點數為128。由；《 ，故循環前 綴的長度為128/4 = 32，本發明在船臺選擇?瓜]^-!16；[1]1；[1161'變換序列來填充循環前綴用于 用戶識別同時還可以用于信號恢復時的信道相關參數估計，Frank-Heimiller變換序列的 自相關和互相關特性如圖4所示。
[0014] 由于AIS周期為1分鐘的每一幀由2250個時隙構成，而一個0FDM符號周期恰好是現 有AIS-個時隙長度的1/4，即6.667ms = 26.67/4ms，故本設計選擇四個0FDM符號組成一個 CAIS時隙，CAIS時隙結構如圖5所示。此外，像AIS數據傳輸采用面向比特的協議一樣，在 CAIS中為了高效傳輸信息，采用以下措施:若待傳輸信息為動態或靜態位置信息，則本發明 采用MPSK調制方式;若待傳輸信息為視頻數據或一個待傳輸二進制信息數據，則本發明采 用更高頻譜效率的MQAM調制方式。以AIS傳輸一條動態位置信息（一個AIS標準報文長度為 256bit)和一條靜態位置信息為例:若CAIS采用QPSK調制方式，則每個子載波可以攜帶2bit 的信息，一條動態位置信息需要占用256bit/2bit = 128個子載波，其正好用一個OFDM符號 表示;若CAIS采用QPSK調制方式來傳輸一條靜態位置信息（占用四個標準報文長度），其正 好用一個CAIS時隙表示;若CAIS采用16PSK調制方式，每個子載波可以攜帶4bit的信息，一 條動態位置信息需要占用256bit/4bit = 64個子載波，其占用頻譜為QPSK調制方式的一半， 則CAIS可以分配12+0.5KHz帶寬（連續分配12.5KHz，其中0.5KHz帶寬用于帶外輻射衰減）。 盡管CAIS采用16PSK調制方式提高了頻譜利用率，但是系統性能可能有所下降，傳輸視頻數 據或二進制數據信息時也如此，故采用折中設計原則來設計實際系統的調制方式。所述第2 步中具體步驟總結如下：
[0015] 第2.1步、確定CAIS的系統參數；
[0016] 第2.2步、結合第2.1步所得參數設計該系統的時隙結構和調制方式。
[0017]在第1.1步中通常假設山和心分別表示感知頻段空閑和感知頻段非空閑，頻譜感 知的目標就是根據接收信號判斷感知頻段是否空閑，即在上述兩個假設中選一;基于上述 對不確定條件和假設理論的分析，CAIS接收機感知到的信號為：H〇:y(n)=w(n);
[0018] Η；;
[0019] 其中，Af為歸一化載波頻偏，x(n)為時域傳輸的信號，h(n，l)為信道響應，τ為定 時偏差，@表示隨機相位，j(n)為其他信號帶外輻射于待檢測頻段的干擾信號，w(n)為高斯 白噪聲。本發明中將采用基于能量的盲頻譜感知方法，即用
（η為判決 門限)對VHF空閑頻譜進行檢測；
[0020] 在第1.2步中，由于認知結果和信道申請信息比較簡單，而且在系統設計時采用 Frank-Heimiller變換序列作為用戶碼，故可以為其指定較窄帶寬的專屬頻道進行認知結 果和信道申請信息傳輸；
[0021 ]在第1.3步中，CAIS設備同AIS設備一樣在岸基平臺廣播信道上采用RATDMA協議選 擇第一個發射時隙，但是在采用ITDMA協議時除非該分配頻段在預定位置所屬時間段內處 于空閑狀態，否則其預定位置只能設置在兩個授權頻道的空閑時隙上，其余的應用和操作 模式采用AIS協議。
[0022]在第2.1步中，CAIS選擇Nsubcarr=128個子載波來傳輸位置信息數據，包括靜態、動 態信息；(FDM符號周期T = 6.667ms，同時選擇Frank-Heimiller變換序列來填充循環前綴； 針對傳輸視頻數據或二進制數據信息情況，本發明將根據頻譜感知結果、信道占用及申請 情況自適應增加子載波個數以滿足數據傳輸速率的要求。
[0023]在第2.2步中，選擇四個0FDM符號組成一個CAIS時隙；CAIS為了高效傳輸信息，采 用以下措施:若待傳輸信息為動態或靜態位置信息，則本發明采用MPSK調制方式;若待傳輸 信息為視頻數據或一個待傳輸二進制信息數據，則本發明采用更高頻譜效率的MQAM調制方 式。
[0024]本發明的優點和有益效果：
[0025]①本發明設計CAIS的主要目的在于提高AIS網絡的容量，從而減少了時隙沖突。② CAIS設計方案充分利用了原有兩個專用頻道及其周圍空閑頻譜，提高了 AIS的頻譜利用率， 如在指定頻譜上采用QPSK作為CAIS調制方式，每個時隙可以發送一條靜態位置信息。此外， 該系統采用空閑頻譜和0FDM技術也可以解決現有AIS在設計之初尚未考慮安保視頻信息交 互的問題。 (四）
【附圖說明】：
[0026] 圖1為本發明方案設計示意圖。
[0027] 圖2為AIS任意一幀數據中時隙占用、預約、接入示意圖。
[0028] 圖3為CAIS利用空閑頻譜解決用戶接入系統示意圖。
[0029]圖4為本發明方案中Frank-He imi 1 ler變換序列的自相關和互