水上宽带甚高频(B-VHF)无线通信系统的性能分析*

刘 侠，金东日，胡勤友

(上海海事大学 商船学院，上海201306)

水上宽带甚高频(B-VHF)无线通信系统的性能分析*

刘 侠，金东日，胡勤友

(上海海事大学 商船学院，上海201306)

水上宽带甚高频无线通信系统作为GMDSS现代化的发展重点，通过分析《ITU-R M.2092-0建议书》的地面部分通信技术特性和《ITU-R M.1842-1建议书》附件 4的系统性能，得出如下结论：在达到 307.2 kb/s传输速率的条件下，发射机信噪比应至少达到 7.41；选择合适的发射机、接收机天线高度能够实现宽带 VHF信号25海里的覆盖范围；接收机误码率、信道容量都随着多阶 QAM的阶数增加而增加，则阶数为 16时，即16QAM可作为满足低误码率、高信道容量的优化选择。

宽带甚高频；信道容量；传输距离；误码率

0 引言

随着我国海上运输及港口物流事业的迅速发展，数据通信逐渐成为支撑现代航运业的重要通信手段，甚高频(VHF)频段是沿海和内河航运的通信频段[1]。工作频率范围为156~174 MHz的传统VHF通信技术作为近距离海上通信的主要手段，发挥了巨大的作用，可用于专门的遇险呼叫、DSC通信和AIS通信，发射功率不大于50 W。目前我国沿海共有VHF岸台 210座，其中有14个操作中心。但传统VHF系统存在频带窄、通信容量小等缺陷，无法满足日益增长的现代通信业务的需求[2]。

GMDSS复审和现代化作为国际海事组织(IMO)制定的未来海事通信重点发展内容之一，甚高频数据交换系统(VDES)是其主要研究方向，部分国家已经开展 VHF海上数据通信试验[3]。新一代的水上宽带甚高频通信系统(Broadband Very High Frequency，B-VHF)对海上信息交换带来新的革命，将为海上运输安全提供有力保障。本文旨在验证和分析新一代的水上宽带VHF通信系统可以实现的性能。

1 水上宽带甚高频(B-VHF)通信系统

2008 年初国际电联(ITU)正式发布水上 VHF频段无线电数字通信新技术的研究成果ITU-R M.1842号技术建议书《水上移动业务频道交换数据和电子邮件的VHF无线电系统和设备的特性》，为VHF频段水上移动业务数字系统的开发提供指南[4]。2015年 10月国际电信联盟发布《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》[5]，通过业务类型的不同，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。由于现有的技术条件的限制和AIS数字信道面临的压力，地面VDES计划被首先实施，甚至早于卫星设备资源获取之前。通过运用现代高速宽带数字通信的技术，可以提供一个高速的拥有更广阔运用前景的高速VHF通信系统，如图1所示。

图1 水上宽带VHF无线通信系统

综合《ITU-R M.2092-0建议书》的地面部分通信技术特性和《ITU-R M.1842-1建议书》附件 4的要求，可以获得用于水上移动业务数据和电子邮件交换的宽带VHF无线电系统特性为：

(1)发射类别应为100K0F1DDN。

(2)频段应满足《无线电规则》（RR）附录 18脚注)规定的两个相邻频道100 kHz的频道要求，每频道带宽为25 kHz。

(3)如ETSI标准 EN 300 392-2 v.3.2.1(2007-09年)所述，系统应在100 kHz带宽内包含32个功率相等的子载频，每一个子载频采用16-QAM调制，其数据速率（空中）为307.2 kb/s。

本文按照上述水上B-VHF无线电系统特性要求，分析信道容量与发射机信噪比的关系、影响VHF信号传输距离的因素，以及误码率与接收机信噪比的关系。

2 水上B-VHF通信系统的性能分析

2.1 信道容量

在评价无线信道时，信道容量是最重要的性能指标之一。信道容量描述的是在给定的信噪比和带宽条件下，某一信道能可靠传输的信息速率极限。根据香农有噪信道编码定理，系统传输速率只有在小于信道容量的前提下，才能实现无失真传输。根据香农公式，连续信道的信道容量为：

其中，C代表信道容量(bit/s)，N表示信道的加性高斯白噪声功率，S表示信号的功率，ρ=S/N是信道的信噪比。式（1）表示的是单位时间内传输信息量的理论最大值。

《ITU-R M.1842-1建议书》附件4建立的水上B-VHF通信系统的信道容量，即传输速率为 307.2 kbit/s，信道带宽为100 kHz，由此可得达到理论最大信道容量需要的无线信道的信噪比为：

2.2 传输距离

传播路径损耗是决定无线电波传输距离的主要因素。考虑到水上甚高频无线电波的频率范围是157~174 MHz、海岸电台天线高度为20 m~60 m、船舶电台天线高度为2 m~5 m，相当于工作在大蜂窝基站覆盖开阔区域。因此本文选择适用于基站天线高度高于其周围建筑物、信号频率范围150~1 500 MHz、基站天线高度为30 m~200 m、移动台天线高度为1 m~10 m、收发天线间距离为1 km~ 20 km的Okumura—Hata模型，作为预测水上 VHF频段无线电波的传播路径损耗模型。由于水上甚高频无线通信系统的工作环境在开阔水域区域，因此本文采用开阔水域的 Okumura—Hata模型[6]，则该模型的传播路径损耗公式为：

其中，D为收发天线间的距离(单位为km)，f为天线的工作频率(单位为 MHz)；HT和 HR分别为发射天线、接收天线的有效高度(单位为 m)，α为移动台（即船舶电台）天线高度的校正因子，即α(HR)=8.29(lg1.53HR)2-1.1。由式(3)可得甚高频电台的通信传输距离：

2.3 误码率

最小距离d是表征系统抗误码率性能强弱的重要参数[7]，d与抗误码率能力成正比例关系，即最小距离越大，误码率越低。在宽带甚高频通信系统中，发射机采用正交幅度调制(QAM)。不同阶数(M)的正交幅度调制(MQAM)采用星座图表示，最小距离表示为：

由式(5)可以看出，随着阶数 M的增加，虽然可以增加信息的传输速率，但是最小距离逐渐减少，抗误码性能下降，噪声容限随之减少，即误码率要求逐渐难以保证。在宽带甚高频通信系统中，发射机采用MQAM调制方式，在加性高斯白噪声信道中传输，接收机采用相干解调，则信号的平均误码率为：

其中，E表示传输信号的平均能量，E/N0表示接收机信噪比。

3 仿真分析

本文根据《ITU-R M.2092-0建议书》的地面部分通信技术特性和《ITU-R M.1842-1建议书》附件4的相关技术参数建立的宽带水上VHF无线通信系统，分析了系统中信道容量与输入信噪比的关系、通信传输距离与收发天线高度的关系、信号差错概率与接收机信噪比的关系。

3.1 信道容量

图2表明，当输入信噪比较小时，信道容量与输入信噪比成正比关系；当信道条件较好时，即输入信噪比较大时，信道容量达到饱和状态，此时信道容量不受输入信噪比的影响。

图2 信道容量与输入信噪比的关系

此外可以看到，当输入信噪比为 7.41左右时，采用4QAM和8QAM调制方式的发射机几乎达到信道容量的最大值，采用16QAM和32QAM调制方式的发射机处于较高的信道容量阶段，而采用64QAM调制方式的发射机还有较多的空余信道容量。可见，水上B-VHF通信系统采用16QAM调制达到307.2 kb/s的空中信道速率，能够适应实际通信条件，具有较高的信道利用率。

3.2 路径损耗

根据国际电信联盟对水上VHF移动通信系统分配的频段，水上B-VHF通信系统使用频段157.200 MHz~ 157.300 MHz，本文性能分析中选取工作频率157 MHz。首先研究传输路径损耗与发射天线、接收天线的关系，选取通信方向为岸上基站发射、船上基站接收信号，船站与岸站之间的距离为20 km。

当船站接收天线为3 m时，由图3可以看出，随着岸站发射天线的不断增高，传输路径损耗单调下降。同样，当岸站发射天线为34 m时，由图4可以看出，随着船站接收天线的不断增高，传输路径损耗单调下降。当实际通信环境、工作频率、最大通信距离确定时，可根据路径损耗的估算值选取岸站天线、船站天线的恰当高度。

图3 路径损耗与发射天线的关系

图4 路径损耗与接收天线的关系

在分析传输路径损耗与传输距离的关系中，同样选取工作频率157 MHz，通信方向为岸上基站发射、船上基站接收信号，岸站发射天线为 34 m，船站接收天线为3 m。由图5可以看出，传输路径损耗随着传输距离的不断增加而增大；达到水上甚高频电波要求覆盖的最大距离25海里（约45 km）时，路径损耗大约是105 dB。

图5 传播路径损耗与传输距离的关系

3.3 接收机误码率

由图6直观地看出，不同阶数(M)的QAM接收机随着接收机信噪比的增加，误码率非线性下降；而随着M的增大，最小距离d不断减小，接收机误码率有一定的增加；但在接收机信噪比小于 10时，不同阶数 QAM接收机的误码率差别不明显。因此采用16-QAM调制的水上B-VHF通信系统在实际信道环境下，能够满足较高的误码率要求，同时保证较高的数据传输速率。

图6 接收机信噪比与误码率的关系

4 结论

水上宽带VHF数据通信技术能够提供强大的通信传输功能，从而提高海上通信、执法、搜救的能力。本文通过对水上B-VHF无线通信系统的通信容量、通信距离、误码率的分析得出，传输容量、传输距离以及系统误码率三者之间相互矛盾，所以选择调制方式时要综合考虑，根据系统的具体要求来取舍，由此设计出合理的通信系统。因此水上 B-VHF无线通信系统按照《ITU-R M. 2092-0建议书》的地面部分通信技术特性和《ITU-R M. 1842-1建议书》附件4给出的技术参数来实现，可以满足水上甚高频数据传输的有效性和可靠性。

[1]刘国良．船用甚高频(VHF)通信及使用注意事项[J]．航海技术，2009(4)：45-46．

[2]华夏．对用宽带无线网取代VHF实现海上通信的研究[J]．青岛远洋船员学院学报，2010，31(2)：6-10．

[3]BOLAS E D，CARVALHO N B，VIEIRA J N，et al.Opportunistic usage of maritime VHF band-deployment challenges for a new regulatory framework[J].Wireless Engineering and Technology，2014(1)：1.

[4]ITU-R M.1842-1(06/2009)建议书：在《无线电规则》附录18水上移动业务频道交换数据和电子邮件的VHF无线电系统和设备的特性[R]．2009.

[5]ITU-R M.2092-0建议书(10/2015)：VHF水上移动频段内的VHF数据交换系统的技术特性[R]．2015.

[6]陈能卿．海上超短波的通信计算[Z]．2002.

[7]张卫华，谢小芳，童峥嵘，等．CO-OFDM系统不同调制方式的性能分析[J]．光通信技术，2011(6)：36-38．

Performance analysis of B-VHF wireless communication system

Liu Xia，Jin Dongri，Hu Qinyou
(Department of Merchant Marine，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China)

The broadband VHF(B-VHF)wireless communication system on water is the key point of GMDSS modernization.By analysis of the recommendations of ITU-R M.2092-0 and ITU-R M.1842-1,the results show that(1)the SNR of transmitter should be 7.41 at least under the condition of reaching the the transmission rate of 307.2 kbps；(2)the B-VHF signal can be covered with a range of 25 nm on selecting the appropriate antenna heights of transmitter and receiver；(3)the BER of receiver and channel capacity are increased with the increase of M in MQAM,so M=16 is the optimal selection to meet the low BER and high channel capacity.

broadband VHF；channel capacity；range；BER

TN929.5；U675.75

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.024

刘侠，金东日，胡勤友.水上宽带甚高频(B-VHF)无线通信系统的性能分析[J].电子技术应用，2016，42 (11)：92-94，98.

英文引用格式：Liu Xia，Jin Dongri，Hu Qinyou.Performance analysis of B-VHF wireless communication system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：92-94，98.

2016-05-23)

刘侠(1978-)，女，博士，讲师，主要研究方向：海上无线电通信新技术与资源管理。

金东日(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向：水上无线通信技术。

胡勤友(1974-)，男，博士，教授，主要研究方向：海上交通信息控制理论与应用。

交通运输部应用基础研究项目(2015329810030)；国家自然科学基金项目(51579143)