一种基于海上甚高频数据交换系统（VDEs）的自适应QAM改进算法

刘侠　郑建道　张伟　胡勤友

【摘 要】由于传输速率较低的低阶调制能够保障可靠传输，而传输速率较高的高阶调制能够提升系统容量，对于海上甚高频时变衰落的无线信道，我们需要折中考虑数据传输速率和误码率，因此本文提出一种自适应子带划分的多进制QAM算法（ASD-MQAM），根据当前信道的状态自适应地选择合适的不同进制QAM调制方式，以适应信道动态变化、优化发射功率，提高海上VDEs通信系统的性能。

【关键词】海上甚高频；甚高频数据交换系统；正交幅度调制；自适应子带划分

中图分类号：TN929.5 文献标识码： A 文章编号： 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月國际电信联盟发布《水上移动频段内的VHF数据交换系统的技术特性》，即ITU-R M.2092-0建议书[1]，根据水上甚高频数据交换系统（VDEs）业务类型的不同特性，划分为VDES的应用特定消息、VDEs的地面部分通信、VDEs的卫星下行链路三方面的技术特性要求和建议。随着传输距离的增加，VHF无线信道传输会出现多径衰落，传统QAM调制的链路预算需满足信道质量最差的状况，不能有效利用较好信道的信道容量，造成频谱的浪费，且不能有效应对多径衰落。

水上VDEs系统需要采用传输速率较低的低阶调制来保障可靠传输，要求即使信道处于深度衰落，也能够进行数据的可靠传输。但是，当信道处于高信噪比时，较低的传输速率会妨碍系统容量的提升，从而制约频谱资源的利用[2]；另一方面，为了提高VDES的通信容量，需要采用传输速率较高的高阶调制。当信道处于高信噪比时，高阶调制系统的通信容量能够获得显著提高，但当信道处于深度衰落、低信噪比时，高阶调制系统的误码率大，则无法保障可靠稳定的数据传输[3]。

对于水上甚高频时变衰落的无线信道，我们需要折中考虑通信系统的通信容量和误码率（BER）的性能，因此本文提出一种自适应子带划分的多进制QAM算法（ASD-MQAM），根据当前信道的状态自适应地选择合适的不同进制QAM调制方式，以适应信道动态变化、优化发射功率，利用自适应技术提高水上宽带VDEs通信系统的性能。

1 OFDM自适应调制算法

自适应调制技术和OFDM技术结合，可以根据移动无线信道的瞬时质量状况决定子信道的调制方式，使信道的传输能力在任何时刻都能达到最大，自适应调制技术可以使通信系统获得较高的频谱利用率和比特传输速率。

Chow算法[4]是根据各个子信道的信道容量来分配比特，其优化准则是在维持目标误比特率的前提下使系统的频谱效率达到最优。该算法主要由三个步骤完成，首先确定使系统性能达到最优的门限，然后确定各个子载波的调制方式，最后调整各个子载波的功率。与Chow算法以信道容量的优化准则不同，Fischer算法[5]是在维持恒定传输速率和给定总发射功率的前提下，使系统的误比特率性能达到最优。通过统计全部子载波上误比特率，并且在所有子载波上误比特率相等时，系统的误比特率达到最小值。Fischer算法可获得比特分配和功率分配的闭式解，所以算法复杂度较小，适合高速无线数据传输。SBLA（Simple Block Loading Algorithm）即简单分组比特算法[5]，根据每组子载波的平均信噪比来确定采用何种调制方式。首先对全部子载波进行分组，根据信道状况分别计算它们的信噪比。然后根据一系列信噪比门限确定每一组子载波的调制方式。信噪比门限可变，但是各个门限间的间隔不变。由于这种算法主要是加减运算，所以计算复杂度很低、开销信令得到消减，同时又可以获得很好的抗干扰性能。因此，它是一种实用有效的算法，适合在OFDM系统中应用。

2 基于自适应子带划分的多进制QAM调制算法（ASD-MQAM）

正交幅度调制（QAM）是将2ASK和2PSK结合起来的调制技术，用两路独立的基带信号对频率相同、相位正交的两个载波进行抑制载波双边带调幅，再将两路已调信号加起来一起传输。QAM可以将信号带宽双倍扩展，被广泛应用于高速数据传输系统。多进制QAM（MQAM）与MPSK、MFSK相比，在相同的M时，MQAM可以得到最大数据吞吐量[6]。

另一方面，SBLA算法与其他算法相比，运算量最小，而且其误比特率与Fischer算法相近，其误比特曲线与Chow算法相近，因此SBLA算法是一种非常适用于海上宽带甚高频数据传输，并且能够满足海上宽带甚高频通信系统的实时性与可靠性。 因此，为了保证海上宽带通信系统的数据传输速率和误比特性能，本文以数据传输速率最大化为准则，提出一种结合SBLA算法的自适应子带划分的多进制QAM调制算法（ASD-MQAM）。

2.1 自适应多进制QAM调制算法（ASD-MQAM）

ASD-MQAM算法可以分为两部分，一部分是自适应MQAM调制模型，另一部分是通信子载波的动态划分。自适应MQAM调制（如图1所示）是对QAM星座图进行的自适应调制，收发方通过双工方式进行信息交互，在接收端认为链路可接收时，通知发射端，而发射端根据信道质量的估计确定QAM的调制阶数。根据成功传输需要快衰落信道的变化要慢于符号周期的原则，当信道条件不满足时，则采用低阶QAM调制方式，这样会明显降低通信系统的复杂度和冗余度。

调制方式选择器采用自适应MQAM算法，根据信道当前状态，选择合适的调制方式。在水上VDEs通信系统中，假设子载波个数为K，平均分为NB个子带，各子带含有的子载波的个数定义为子带的宽度b=K/NB。首先根據通信系统要求的目标误码率，获得信噪比门限，记为SNRst（j），其中j=0，1，2，3，4，5，6，分别对应于不调制、2QAM、4QAM、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM七种调制方式。第m个子带内每个子载波上的比特数为Rj（m），第m个子带内NB个子载波的平均信噪比可表示为：

2.2 动态划分子载波算法

动态划分子载波算法依据信道当前状态信息完成，并对相同子带内所有子载波采用相同的调制方式。根据文献[6]可知，当MSE（m）≤15dB时，子带划分产生的频谱损耗较少，此时子带的数目最少，子带划分方法适用于甚高频通信。本文采用不连续的子带划分方式，在子带划分前，按照子载波信道增益由小到大对子载波重新的排序，保证频谱利用率的前提下，降低自适应QAM算法的迭代次数，使算法的复杂度进一步降低。动态划分子载波算法的流程如图2所示，其中接收端一个子载波信噪比为：

2.3 ASD-MQAM算法

将子带动态划分方法应用于自适应多进制QAM算法，本文获得ASD-MQAM算法的计算流程如下：

2.3.1 比特分配初始化：

（1）设置OFDM符号的子载波个数K，每个子载波需要传送的平均比特数为n，则一个OFDM符号所包含的比特数为Rtar=nK。

（2）动态划分子带。由本文2.2估算出子带数NB以及子带宽度b。

（3）自适应选择调制方式。由本文2.1确定MQAM其中之一。

2.3.2 比特功率的调整：

（1）如果Rtar=RTotal，直接转到步骤3。

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

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

2.3.3 将信号的功率归一化。

3 数值仿真实验

根据ITU-R M.2092-0建议书的地面部分通信技术特性的相关技术参数建立的水上 VDEs无线通信系统的信道模型（见表1），分析该通信系统采用不同调制算法的误码率。

由图3可以看出，ASD-MQAM算法在信噪比小于8dB时，误比特率略好于SBLA算法以及16QAM；随着信道信噪比的增加，ASD-MQAM算法性能明显优于16QAM，误码率显著下降。对于目标误码率，自适应QAM算法在信噪比处于12dB就能够达到，其抗干扰能力比SBLA算法提升了25%。

4 结论

本文通过比较Fischer、Chow、SBLA三种自适应调制算法可以看出，SBLA算法在保证通信系统的可靠性和有效性的同时，运算量明显小于Fischer、Chow，因此SBLA算法最适用于海上宽带甚高频数据通信。本文提出了一种改进型的自适应多进制QAM调制算法，根据信道条件自适应地选择MQAM调制方式，既可以保证数据传输速率，又降低了计算复杂度。此外，对子载波进行动态划分，引入MSE信道估计，抗干扰性能得到提升，改善了甚高频数据传输的可靠性。

【参考文献】

[1]ITU-R Rec.Technical characteristics for a VHF data exchange system in the VHF maritime mobile band[R]，ITU-R M.2092-0，2015，10.

[2]WANG Xiaobo.Research on the maritime mobile communication system based on Ad Hoc network[D].Dalian Maritime University，2009.

[3]Chen Liang，Jin Yongxing，Hu qinyou et.al.Transmission loss in maritime VHF communication system[J].Navigation of China，2015，38（3）：1-4.

[4]Chou Zhendong，Jiang Weining，Xiang Changbo，Li Min.Modulation Recognition Based on Constellation Diagram for M-QAM Signals[A].Proc.of IEEE 11th Electronic Measurement&Instruments，Beijing China，2013：5.

[5]L.Hanzo，J.Akhtman，L.Wang，et al.MIMO-OFDM for LTE，WiFi and WiMAX：coherent versus non-coherent and cooperative turbo transceivers[M].New York：John Wiley and IEEE Press，2010，130-267.

[6]XiaoShuai Liu，XiangBin Yu，TingTing Zhou.Performance Analysis of Discrete-rate Adaptive Modulation for OFDM Systems with Imperfect CSI in Rayleigh Fading Channel.Proc.Of the 4th IEEE International Symposium on Microwave Antenna Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications，Beijing China，2011：4.