星基AIS信號解調算法性能分析*

吳川隆，初翠強，王 翔，姜文利，柳 征

（1.國防科技大學電子科學與工程學院，湖南長沙410073；2.中國人民解放軍61541部隊，北京100094）

星基AIS信號解調算法性能分析*

吳川隆1，初翠強2，王 翔1，姜文利1，柳 征1

（1.國防科技大學電子科學與工程學院，湖南長沙410073；2.中國人民解放軍61541部隊，北京100094）

星基AIS采用非合作式通信方式，具有覆蓋范圍廣、通信距離遠等特點。為了考察現有算法對星基AIS低信噪比、強干擾信號等復雜工作環境的適應能力，從低信噪比環境、抗干擾能力等四個方面對1比特差分（1D）解調算法、2比特差分（2D）解調算法、1+2比特聯合差分反饋（1+2DF）解調算法、1+2+3比特聯合差分反饋（1+2+3DF）解調算法以及基于PSP的最大似然序列估計（PSP-MLSE）算法進行了性能分析。分析結果表明，PSP-MLSE算法抗干能力較強，能夠更好地適應低信噪比和強干擾環境；1+2DF解調算法和1+2+3DF解調算法雖然抗干擾能力及適應低信噪比環境的能力相對較弱，但是能夠容忍更大的中心頻率估計誤差，并且算法復雜度較低。分析結論對于不同的應用場合選用不同的解調算法有較好的指導意義。

星基AIS；GMSK；差分解調；AMP；逐留存處理

0 引言

為便于船舶之間的通信，國際海事組織（IMO）、國際航標協會（IALA）和國際電信聯盟（ITU-R）等聯合推廣了自動識別系統（AIS），該系統是一個具有船舶識別、通信和導航等功能的協航電子系統，通過TDMA方式實現自組織通信。然而，由于AIS系統通信距離僅為20海里［1］，該系統只能用于臨近船舶之間的通信。為實現大區域內船舶的監管、避免船舶發生安全事故，星基AIS平臺逐漸被廣泛應用。星基AIS覆蓋范圍可達到1000km以上，能同時監控多個自組織小區內的船舶。星基AIS采用非合作式的通信并且工作在具有多普勒效應、法拉第偏轉等復雜的空間環境中，這使得接收到的AIS信號具有信噪比低、多信號相互干擾的特點。因此，尋找能適應低信噪比、抗干擾能力強、算法復雜度低的解調算法就具有實際意義。

當前的星基AIS解調算法主要包括：1比特差分（1D）解調算法［2］；2比特差分（2D）解調算法［3］；1+2比特聯合差分反饋（1+2DF）解調算法［2-3］；1+2+3比特聯合差分反饋（1+2+3DF）解調算法［4］；基于逐留存處理［5-6］（PSP）的最大似然序列估計（PSPMLSE）算法。本文將從不同的信噪比環境、中心頻率估計誤差、信干比環境及算法復雜度等方面考察以上算法對星基AIS單信號的解調能力。

1 AIS信號模型

AIS系統采用GMSK調制方式。與MSK調制系統相比，GMSK調制系統是在MSK調制系統前端添加入一個高斯低通濾波器。這使得GMSK信號不但具有MSK信號相位連續、功率譜在主瓣外衰減較快的特點，還具有緊湊的功率譜密度等優點。GMSK

的表達式可寫為：

式中，an∈｛1，-1｝表示預調制序列，r（t）表示高斯濾波器對寬度為T的矩形脈沖響應，可寫為：r（x）=T-1（Q（2πB（ln2）-1/2（x-T/2））-

式中，Q函數定義為：

設GMSK信號的記憶長度M為4，由AMP［7］分解理論可知，GMSK信號99%以上的能量都集中在主脈沖g（t）內，因此，GMSK可近似寫為：

含噪情況下AIS信號可表示為：

式中，h表示信號x（t）的幅度，θ0分別表示初始相位，Δf分別表示殘余中心頻率，s（t）分別表示AIS發射機發出的GMSK基帶信號，n（t）表示加性高斯白噪聲。

利用實部能量最大的方法對信號y（t）進行碼速率采樣抽取，那么（5）式可寫為：

式中，M=M1+M2表示GMSK信號的記憶長度，k= 0，1，2，3，…。于是可得：

那么接收信號的表達式可以表示為：

PSP-MLSE信號解調算法就是從觀測序列y（k T）中估計出最優碼序列。

2 解調算法

2.1 差分解調算法

1D解調算法和2D解調算法是GMSK信號解調算法中最常見的也是最易實現的算法。然而，1D解調算法解調能力弱，算法適應能力差。相比于1D解調算法，2D解調算法有更高的正確判斷率，但具有錯判連帶性。因此，文獻［2］充分利用1D解調算法和2D解調算法的優點，將兩種算法并行用于AIS信號的解調，并利用解調結果修正當前解調碼元的判決門限，使得處理GMSK信號的能力有了大幅度的提升。文獻［4］在文獻［2～3］的基礎上，通過擴大判決距離，提出了1+2+3DF解調算法，使得解調星基AIS信號的能力有了進一步提升。

2.2 基于PSP的序列估計算法

PSP算法是由Riccardo等人在未知信道參數的最大似然序列估計算法的結構之上提出的一種能夠自適應追蹤信道參數的符號序列估計算法。該算法將基于數據輔助的未知信道參數估計方法嵌入到經典的Viterbi算法結構中，能夠在不需要知道信號參數的前提下，利用LMS算法、RLS或者卡爾曼濾波追蹤信道參數以實現信號的解調。同時，Riccardo也指出，相比于傳統的跟蹤時變信道算法，PSP技術更為穩健。

定義k時刻狀態為［ak-M1+1，ak-M1+2，…，ak+M2］。當輸入ak+M2時，狀態將會從μk-1轉移到μk，并且輸出yk，狀態轉移記為：

定義k-1時刻的分支路徑度量為：

式中，ck（μk-1→μk）表示狀態轉移μk-1→μk對應的向量，g＇k=h exp（j2πΔfk T+θ0）gk。

對于下一狀態μk，累計路徑度量為：

PSP算法對每條幸存路徑上對應的符號序列進行參數估計，并將參數估計值用于下一時刻分支路徑度量的計算。信道參數估計的方法使用LMS算法，如下所示：

式中，β表示步長參數，（·）*表示取共軛。

3 性能分析

星基AIS作為一種非合作式的通信系統，具有通信距離遠、覆蓋范圍廣及衛星飛行速度快等特點，這使得接收到的AIS信號信噪比較低，信號時域和頻域混疊及存在多普勒頻差。為了充分評估算法的性能，本節將從以下四個方面對算法進行性能對比分析：1）在平坦信道衰落條件下低信噪比（SNR）適應能力分析；2）對中心頻率估計誤差的適應能力分析；3）在AIS信號混疊條件下抗干擾能力分析；4）算法復雜度分析。

3.1 低信噪比條件下適應能力分析

為測試在低信噪比條件下的適應能力，設蒙特卡洛仿真次數為500，AIS信號中心頻率為0Hz，不同解調算法在低信噪比條件下的解調性能如圖1所示。可以看出，在信噪比為0dB的條件下，PSP-MLSE解調算法達到100%解包率，而1+2DF和1+2+3DF解調算法僅僅能達到80%的解包率。在信噪比為-4～0dB范圍內，PSP-MLSE解調算法較1+2+3DF解調算法有了20%以上的性能提升。可見，PSP-MLSE解調算法在低信噪比的條件下解調性能遠遠優于其他四種算法。

圖1 低信噪比條件下算法性能分析

3.2 頻率估計誤差的影響

星基AIS工作環境復雜，在估計信號中心頻率時，存在一定的估計誤差，本小節將通過仿真分析來評估算法對頻率估計誤差的適應能力。設AIS信號的信噪比分別為0dB、5dB，蒙特卡洛仿真次數為500。從圖2（a）中可以看出，當信噪比為0dB時，中心頻率估計誤差在-60～60 Hz范圍時PSP-MLSE解調算法的解包率大于差分解調算法。中心頻率估計誤差超出-60～60 Hz時，PSP-MLSE解調算法性能明顯下降。從圖2（b）中可以看出，當信噪比為5dB，中心頻率估計誤差在-60～60 Hz之間時，PSP-MLSE解包率曲線與1+2DF解調算法和1+2+3DF解調算法的解包率曲線基本重合并接近100%。當頻率誤差超出-60～60 Hz后，PSP-MLSE解調算法的解包率曲線迅速下降。通過以上分析可知，1+2DF解調算法和1+ 2+3DF解調算法的性能較優且抗頻偏能力較強；PSP-MLSE解調算法對頻率估計誤差適應范圍較小，但是，在-60～60Hz內的頻率估計誤差范圍內解調性能優于其他算法。

圖2 不同頻率估計誤差下的算法性能分析

3.3 抗干擾能力分析

在船舶密度較大的區域，星基AIS信號碰撞概率較大，即可能接收到多個時頻域混疊的AIS信號，這就增加了從混疊信號中提取碼序列的難度。為便于分析，本小節僅考慮兩信號混疊條件下對強信號的提取能力。

星基AIS收到來自不同小區內船舶發出的AIS信號，使得接收到的混疊的信號具有不同的頻率和幅度。經過計算，星基AIS混疊信號的CFD（載頻差，即接收的兩個AIS信號間的頻率差）在0～7k Hz范圍內，SIR（信干比，本文將幅度較小的AIS信號定義為干擾信號）一般在0～10dB。由圖3可知，當CFD分別取0 Hz、3000 Hz、6000 Hz時，不同SIR下，PSPMLSE解調算法的解調能力均優于差分算法，而且CFD越大，算法的解調能力就越強，這主要是由于濾波預處理可將部分干擾信號濾除。

圖3 不同SIR下的算法性能分析

3.4 算法復雜度分析

以解調一條AIS消息為例，經過最優碼速率采樣后，有n個采樣點。對于1D解調算法和2D解調算法，都需要做n次乘法運算和n次加法運算；對于1+2DF解調算法，需要進行4n次乘法運算和8n次加法運算；對于1+2+3DF解調算法，需要進行11n次乘法運算和12n次加法。對于PSP-MLSE解調算法而言，由于涉及到路徑追蹤以及信道參數的更新，相比于以上算法，復雜度比較高，假設LMS算法迭代次數取10，那么乘法次數約為120n次乘法運算和150n次加法。通過以上分析可知，基于PSP的序列估計算法的復雜度遠遠超過了差分解調算法的運算次數，算法復雜度較高，要求星基AIS載荷具有較強的運算能力。

4 結束語

本文對1D解調算法、2D解調算法、1+2DF解調算法、1+2+3DF解調算法以及PSP-MLSE解調算法等五種AIS信號解調算法進行了性能對比分析。從分析結果可知，1+2DF解調算法和1+2+3DF解調算法適應低信噪比環境和抗干擾能力相對較弱，但是能夠適應較大的中心頻率估計誤差且算法復雜度遠低于PSP-MLSE解調算法，適合實時解調；PSP-MLSE解調算法能夠很好地適應低信噪比環境，抗干擾能力強，但算法復雜度遠高于其他算法，如果星際AIS載荷運算能力較強或者要求在地面系統處理星基AIS信號，則可以采用該算法。■

［1］ Eriksen T，H?ye G，Narheim B，et al．Maritime traffic monitoring using a space-based AIS receiver［J］.Acta Astronautica，2006，58（10）：537-549.

［2］ Abbas Y，Dimitrios M，Kamilo F.Differential detection of GMSK using decision feedback［J］.IEEE Trans.on Communication，1988，36（6）：641-646.

［3］ ZhangZ，John WF，Tarun S.Combined differential demodulation schemes for satellite-based AIS with GMSK signals［C］∥Qrlando，Florida，USA：Space Missions and Technonlogies，2010：1-12.

［4］ 程歡，王小華，曹志鋒.一種改進的星載AIS信號非相干解調算法［J］.電訊技術，2014，54（2）：160-173.

［5］ Raheli R，Polydoros A，Ching-Kae T.Per-survivor processing：a general approach to MLSE in uncertain environments［J］.IEEE Trans.on Communication，1995，43：354-364.

［6］ Raheli R，Marino G，Castoldi P.Per-survivor processing and tentative decisions：what is in between？［J］.IEEE Trans.on Communication，1996，44（2）：127-129.

［7］ Laurent PA.Exact and approximate construction of digital phase modulations by superposition of amplitude modulated pulses［J］.IEEE Trans.on Communication，1986，34（2）：150-160.

Performance analysis of demodulation algorithms for satellite-based AISsignals

Wu Chuanlong1，Chu Cuiqiang2，Wang Xiang1，Jiang Wenli1，Liu Zheng1
（1.College of Electronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，Hunan，China；2.Unit 61541 of PLA，Beijng 100094，China）

Satellite-based AIS，adopting the non-cooperative communication mode，has the characteristics of wide coverage and long communication distance.In order to adapt to the complicated space environments，demodulation algorithms for satellite-based AIS signals are discussed from different aspects，including low SNR，frequency estimation error，anti-interference ability，and so on.Simulation results show that the ratio of correct demodulation packages with PSP-MLSE is obviously higher than the differential demodulation algorithms，but has the higher complexity；1+2DF demodulation algorithm and 1+2+3DF demodulation algorithm have lower complexity and endure the greater center frequency error.The conclusions have a good guidance significance to select corresponding demodulation algorithms for different applications.

satellite-based AIS；GMSK；differential demodulation；AMP；per-survivor processing

TN975；TN927

A

國家自然科學基金資助項目（61401490）

2015-04-22；2015-06-08修回。

吳川隆（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向為通信信號處理。