面向海上安全信息廣播系統的波形關鍵技術研究

張玖鵬，張洪銘，彭木根

(北京郵電大學 信息與通信工程學院，北京100876)

0 引言

近年來，隨著海洋經濟的迅猛發展，世界范圍內的海事活動日趨頻繁。建立高效可靠的海上信息安全服務系統，為海上航行船舶提供實時準確的安全信息服務，對保障海上從業人員的生命財產安全具有重要意義。新一代海上安全信息播報系統海上數字廣播(Navigational Data，NAVDAT)是一種岸基數字廣播系統，可以播發海上航行所需的安全信息[1-2]。NAVDAT系統采用正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)作為無線鏈路傳輸的關鍵技術，以實現高速數據傳輸。當前學界關于NAVDAT系統的研究多集中在站臺播發調度、硬件實現等方面，對于NAVDAT系統波形的增強研究稍顯不足。目前，傳統OFDM波形固有的帶外輻射大、對頻率偏移敏感等問題,一定程度上制約了NAVDAT系統性能的進一步提升。

針對上述問題，研究者們在面向未來移動通信技術的研究中提出了許多波形方案，包括濾波器組多載波(Filter Bank Multicarrier，FBMC)[3]、廣義頻分復用(Generalized Frequency Division Multiplexing，GFDM)[4]以及通用濾波多載波(Universal Filtered Multicarrier，UFMC)[5]。這些方案在一定程度上解決了傳統OFDM面臨的帶外輻射嚴重及其他問題，在學界引起了諸多關注與討論，有望成為未來NAVDAT系統性能提升的可選參考方案。通過對NAVDAT系統的調研以及對上述三種波形方案的分析，本文討論了將上述波形應用于NAVDAT系統的可行性，并通過仿真實驗的方式進行了驗證。結合仿真結果，本文對將上述三種波形應用于NAVDAT系統的優缺點及面臨的挑戰進行了總結，并給出未來研究方向。

1 NAVDAT系統簡介

海上通信在海洋經濟、海洋軍事、海洋生態保護等方面具有廣闊的應用場景。在海洋安全信息播報方面，傳統的奈伏泰斯系統難以滿足高速數據傳輸的需求，因此，新一代海上無線數字廣播系統NAVDAT應運而生。NAVDAT是一種岸基數字廣播系統，可以播發航行安全、海盜預警、海上搜救、氣象海況、導航和船舶交通管理等當前海上航行所需的各類信息，傳輸的消息類型包括文本和圖像等[6]。相較于奈伏泰斯系統，NAVDAT具有更高的數據傳輸速率，可以滿足大部分海上安全信息傳輸需求。

NAVDAT系統最早提于21世紀初，主要針對傳統奈伏泰斯系統速率不足的問題。2006—2012年間，部分歐洲國家最先展開了對NAVDAT技術的研究，并對其可行性進行了論證，形成了較為成熟的技術方案。2012年舉行的世界無線電通信大會正式將中頻(Medium Frequency，MF)頻段中的495～505 kHz頻段規定為NAVDAT系統的專屬頻段[7]。在2013年的國際海事組織無線電通信與搜救分委會會議上，NAVDAT被列為全球海上遇險與安全系統(Global Maritime Distress and Safety System，GMDSS)的參考技術，成為GMDSS現代化的一項參考方案。2014年，為滿足高速數據傳輸的要求，國際電信聯盟(International Telecommunication Union，ITU)對NAVDAT系統做出了補充，建議了高頻(High Frequency，HF)頻段中6個10 kHz帶寬的可用頻段，如表1所示。無線傳輸方面，如圖1所示，NAVDAT系統主要采用海洋表面波和天波兩種傳輸方式。在500 kHz的MF頻段，主要以表面波傳輸為主；在4～30 MHz的HF頻段，兩種傳輸方式通常是共存的。特別的，對于3～6 MHz的HF頻段，可以利用近垂直入射天波補充覆蓋盲區。得益于天波和表面波的傳輸特性，NAVDAT可以實現超視距的遠距離傳輸。根據ITU基于實測結果的計算，位于中國花鳥島和丹麥哥本哈根的NAVDAT系統的傳輸距離分別可達365.6 n mile和391 n mile[7]。

表1 HF頻段NAVDAT系統頻譜使用

圖1 NAVDAT廣播遠距離傳輸Fig.1 Long-range transmissions for NAVDAT brodcasting

NAVDAT廣播有兩種工作方式:一種是與現行奈伏泰斯系統類似的分時隙廣播;另一種是采用世界數字無線電廣播(Digital Radio Mondiale，DRM)系統支持的單頻網絡(Single Frequency Network，SFN)模式，通過單一頻率覆蓋某一國家和地區，可以完全覆蓋單個時隙，有效提高頻譜效率并釋放廣播時隙[1]。NAVDAT在海上安全信息廣播方面具有十分重要的應用價值，根據國際海事組織的建議，NAVDAT系統應當由信息中心、岸基發射臺和船載接收機組成，本文的研究聚焦于從發射臺到接收機的物理層無線鏈路。

2 NAVDAT中的OFDM技術

NAVDAT系統采用OFDM技術進行無線傳輸，通過將高速串行數據信號轉換成并行低速子數據流，調制到每個子信道上進行傳輸，實現了高速數據傳輸。相較于奈伏泰斯系統100 bit/s的速率，NAVDAT的數據速率可以達到25 kbit/s，提高約250倍。

2.1 OFDM的調制與解調

如圖2所示，NAVDAT系統采用經典OFDM收發架構。

圖2 OFDM收發機示意圖Fig.2 Illustration of the OFDM transceiver diagram

其中，輸入比特流經過符號映射得到第m個OFDM符號周期內的K個子載波符號{dm,k}，并通過串并變換分配到K個并行子載波上，為保證子載波之間的正交性，子載波間的頻率間隔Δf應設為OFDM符號周期Ts的倒數。OFDM的調制和解調過程可以用快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)對實現，如式(1)所示：

(1a)

(1b)

式中，xm[n]與ym[n]分別表示第m個OFDM符號周期內插入循環前綴前的發射信號序列和去除循環前綴后的接收信號序列。文獻[7]對NAVDAT所用OFDM技術給出了4種工作模式的建議，對應4種頻譜占用，如表2所示。

表2 NAVDAT系統不同工作模式下的頻譜占用

此外，對于子載波數不滿足2的整數次冪的情況，可進行補0處理，不額外占用實際通信帶寬。在符號映射方面，NAVDAT采用正交幅度調制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)，有4-QAM、16-QAM和64-QAM三種映射方式，可以依據通信速率需求選擇。為提高NAVDAT系統對抗海上多徑效應的能力，OFDM符號間應插入保護間隔。在多徑信道下，通常采用循環前綴作為保護間隔，在克服OFDM符號間干擾的同時，可以保證子載波之間的正交性。ITU為NAVDAT系統建議的保護間隔長度為2.66 ms[7]，對應于NAVDAT信道的時延擴展。

2.2 NAVDAT信道模型

表3 NAVDAT系統仿真信道參數

在無線電噪聲方面，ITU通過測量分析了NAVDAT接收端無線電噪聲的組成，主要分為大氣噪聲、人為噪聲和天體噪聲三大類，其中天體噪聲通常出現在HF及更高頻段，對MF頻段幾乎沒有影響。上述噪聲通常呈現出區域及季節性的變化，需要對發射功率進行合理設置及調整。根據ITU建議，NAVDAT接收端信噪比理想范圍為14～26 dB[7]。

2.3 NAVDAT物理層技術總結

NAVDAT采用OFDM技術進行傳輸，在有效抵抗多徑干擾的同時提高了海上安全信息播報的數據速率。然而，目前海上MF及HF頻段存在著奈伏泰斯、數字選擇性呼叫等多種海上廣播及通信業務，這要求NAVDAT廣播必須盡可能避免對相鄰頻段的干擾。但是由于OFDM的帶外輻射較大，使得NAVDAT系統通常需要一段較寬的鄰頻保護帶[1]，這制約了NAVDAT可用頻譜的拓展。另外， NAVDAT信道具有較大的多徑時延擴展，使得每個OFDM符號前都需要添加2.66 ms的保護間隔，降低了信息播發的頻譜效率。最后，考慮到電離層移動帶來的頻率偏移問題， OFDM對頻率偏移的敏感使得NAVDAT接收機需要進行高精度的頻率校正，為NAVDAT接收機的設計帶來挑戰。

3 未來移動通信參考波形概述

本節針對NAVDAT系統采用傳統OFDM帶來的不足，介紹了三種未來移動通信參考波形,分別是FBMC、GFDM和UFMC，描述了其調制和解調原理，并對其優缺點進行了分析和總結。

3.1 FBMC基本原理

FBMC的概念最早于上世紀60年代由Saltzber和Chang提出[10-11]，是多載波技術的一種。如圖3所示，不同于傳統OFDM所采用的矩形濾波器，FBMC采用基于原型濾波器構建的濾波器組，原型濾波器通常采用來自PHYDYAS項目的PHYDYAS濾波器[3]，能夠有效抑制帶外輻射。采用PHYDYAS原型濾波器的FBMC濾波器組頻率響應如圖3(b)所示。

(a) 傳統OFDM濾波器組頻率響應

(b) FBMC濾波器組頻率響應

FBMC可以抑制帶外輻射，但會破壞子載波之間的正交性，產生子載波間干擾，需要通過額外操作消除。得益于原型濾波器的低通特性，FMBC的子載波間干擾幾乎只存在于相鄰子載波之間。僅用奇數或偶數子載波可以消除載波間干擾，但會降低數據速率。為保證與OFDM相同的數據速率，FBMC引入了偏移正交幅度調制(Offset Quadrature Amplitude Modulation，OQAM)以消除相鄰子載波間干擾。OQAM中子載波數據符號的虛部和實部在時間上被錯位Ts/2(Ts表示多載波符號周期)，并在相鄰子載波間引入π/2的相位旋轉。這樣，具有偶數索引的子載波攜帶數據符號的實部，奇數索引的子載波攜帶數據符號的虛部。在解調時，可以通過實部和虛部的分別處理來去除干擾項。FBMC-OQAM的基帶發射端架構如圖4所示。

圖4 FBMC發射機示意圖Fig.4 Illustration of the FBMC transmitter diagram

圖4中，m表示當前符號周期，第k個子載波上的濾波器沖激響應Cm,k[n]可以表示為：

(2)

(3)

在FBMC的接收端，通常需要先對信號進行均衡，如采用迫零均衡等信道均衡技術。之后經過一個與發射端濾波器組匹配的接收濾波器組，得到解調信號。

3.2 GFDM基本原理

GFDM[4]是一種靈活的多載波調制技術。在傳統OFDM中，每個OFDM符號周期內的K個子載波符號{dm,k}被分別調制，而GFDM則將所有子符號包含的子載波符號組成GFDM符號塊一同調制。設子載波數和子符號數分別為K和M，調制信號可以表示為：

(4)

其中，Cm,k[n]為濾波器的沖激響應，可以表示為：

(5)

其中，N=MK，p[n]為原型濾波器的沖激響應。與FBMC相似，GFDM也使用了多載波濾波器組，可以有效降低信號的帶外輻射。另外，GFDM通過循環濾波器構建信號，使得信號波形呈現循環特性，可以使用循環前綴來抵抗多徑干擾。與傳統OFDM不同，GFDM以M個子符號為單位添加循環前綴，相較于傳統OFDM可以有效提升頻譜效率。GFDM的調制過程可以通過矩陣形式表示為：

(6)

圖5 GFDM收發機示意圖Fig.5 Illustration of the GFDM transceiver diagram

3.3 UFMC基本原理

UFMC[12]技術是5GNOW項目的研究成果之一，被認為是FBMC與傳統OFDM方案的折中，其靈活可變的多載波方案使其能夠適配多種業務場景。在UFMC系統中，K個子載波被劃分為B個子帶，每個子帶包含的載波數可以根據場景需求進行靈活設置。在UFMC的調制過程中，K個子載波符號{dk}被分配到B個子帶上，每個子帶上的子載波符號做NF點IFFT變換得到時域信號,每個子帶上的時域信號可以表示為：

(7)

式中，Ib為第b個子帶的起始索引，Lb為第b個子帶的子載波數量。經過IFFT后，每個子帶輸出的時域信號需要經過濾波器濾波：

(8)

式中，“*”表示卷積運算，qb[n]表示第b個子帶濾波器的沖激響應，其長度可以根據業務需求靈活選擇，較長的長度可以增強系統穩定性，較短的長度則可以降低處理時延。UFMC基帶收發端架構如圖6所示。

圖6 UFMC收發機示意圖Fig.6 Illustration of the UFMC transceiver diagram

3.4 未來移動通信參考波形性能總結

本節對討論的UFMC、GFDM和FBMC三種未來移動通信參考波形的性能進行了總結，如表4所示，并分析了其應用于NAVDAT系統的優勢和不足。

表4 參考波形性能對比

FBMC由于對每一個子載波都進行了濾波，具有較好的抑制帶外輻射的能力，能夠減少NAVDAT系統鄰頻保護帶的寬度，擴展可用頻譜。濾波器的使用也增強了FBMC對抗頻率偏移的能力，可以提升NAVDAT接收機的性能。另外，由于不使用循環前綴，FBMC在處理長數據流時可以獲得較高的頻譜效率，使得其在NAVDAT系統長數據流通用廣播場景中具有一定的應用前景。但是FBMC也存在著不足，例如FBMC濾波器長度較長導致符號周期變長，使得其在處理短數據流時，在相當一段時間內沒有有效信號傳輸，造成頻譜效率下降，使得FBMC難以在以短數據流為主的突發緊急廣播中發揮優勢。

GFDM使用了循環前綴，所以保留了一部分傳統OFDM的優點，可以方便地進行信道均衡等工作。更重要的是，GFDM具有靈活的塊調制結構，能夠兼顧頻譜效率和處理時延。此外，GFDM與現有4G技術具有很好的兼容性，便于NAVDAT系統的升級換代。然而，由于非正交的設計，GFDM存在著自干擾問題。GFDM可以通過OQAM來實現正交性，但會導致系統兼容性問題。如何在不顯著增加系統復雜度并且兼顧兼容性的前提下克服GFDM非正交的問題，仍是當前面臨的一大挑戰。

UFMC被認為是傳統OFDM與FBMC的折中方案，在保留FBMC抑制帶外輻射能力的同時，也避免了符號周期過長的問題。另外，UFMC靈活的子載波配置和濾波器選擇也提高了UFMC對NAVDAT系統不同業務需求的適應能力。UFMC還可以通過調節子帶配置獲得與傳統OFDM或FBMC相似的優點。然而，循環前綴的缺失使得UFMC接收端存在均衡和解調復雜度較大的問題。

礦體主要分布在內外接觸帶，礦床成因厘定為矽卡巖型。含礦巖性以透輝石矽卡巖和石榴石透輝石矽卡巖為主。礦體主要分布在3～16線間，東西長約500 m，南北寬約300 m，面積約0.15 km2。

4 仿真結果

本節介紹了未來移動通信參考波形在NAVDAT廣播信道下的仿真結果，為其在NAVDAT系統中的應用提供了參考，仿真采用的濾波器設計及符號調制方式如表5所示。

表5 仿真所用濾波器設計及符號調制方式

其中，FBMC采用重疊因子A=4的PHYDYAS濾波器，GFDM采用滾降系數為R=0.1的根升余弦濾波器。UFMC的子帶濾波器選用切比雪夫濾波器，面向MF和HF信道，UFMC的子帶濾波器使用了兩種不同的長度。

4.1 未來移動通信參考波形帶外輻射對比

圖7比較了傳統OFDM以及FBMC、GFDM和UFMC等未來移動通信參考波形的帶外輻射，采用68個子載波，使用漢寧窗作為窗函數進行功率譜計算。濾波器設計如表5所示，其中GFDM的子符號數為9。UFMC共有4個子帶，每個子帶包含17個子載波，切比雪夫濾波器旁瓣衰減為30 dB。根據文獻[13]，使用時域加窗可以進一步降低GFDM系統的帶外輻射，所以本文對文獻[13]提出的UTW-GFDM的帶外輻射抑制性能進行了仿真，作為參考。

圖7 參考波形帶外輻射對比Fig.7 Out-of-band emission comparison among waveform candidates

從圖7所示仿真結果可以看出，傳統OFDM由于使用矩形濾波器進行脈沖成型，導致頻域頻譜泄露嚴重。與之相反，FBMC對每一個子載波都采用了嚴格的低通濾波，具有最低的帶外輻射。UFMC可以認為是FBMC與傳統OFDM的折中方案，所以UFMC抑制帶外輻射的性能介于UFMC和傳統OFDM之間。GFDM也是基于濾波器組進行實現，所以其抑制帶外輻射的性能也介于傳統OFDM與FBMC之間。特別的，如圖7中UTW-GFDM所示，通過時域加窗的方法降低帶外輻射是可行的，但是也會帶來較高的實現復雜度。

4.2 未來移動通信參考波形抗多徑能力對比

圖8和圖9分別展示了傳統OFDM以及FBMC、GFDM和UFMC等未來移動通信參考波形在前文中NAVDATMF和HF信道下的誤比特率(Bit Error Ratio，BER)仿真結果。仿真共采用120個子載波，子載波頻率間隔采用與NAVDAT系統相同的41.66 Hz，調制方式采用4-QAM，使用的濾波器種類如表5所示。另外，GFDM的子符號數設置為12，在接收端采用復雜度最低的匹配濾波接收機進行解調。UFMC共有12個子帶，每個子帶包含10個子載波，切比雪夫濾波器旁瓣衰減為40 dB。本部分仿真在已知信道狀態信息且具有完美的頻偏校正的前提下進行，為盡量保證在低復雜度下進行直觀的性能對比，所有波形均僅采用簡單的迫零均衡方法進行信道均衡，且不對符號間干擾進行額外處理。

圖8 4-QAM MF信道BER性能Fig.8 4-QAM BER performance under MF channels

圖9 4-QAM HF信道BER性能Fig.9 4-QAM BER performance under HF channels

從圖8和圖9所示仿真結果可以看出，在NAVDAT接收機14～26 dB的工作信噪比下，即使面向不對GFDM、UFMC和FBMC采用復雜均衡和解調手段的情況，也能獲得與傳統OFDM相似的BER性能，說明三種未來移動通信參考波形有效保留了傳統OFDM的抗多徑能力。需要注意的是，FBMC在低信噪比下的性能通常優于傳統OFDM，但由于未對符號間干擾進行處理，導致在高信噪比條件下BER性能被抑制，呈現“性能平臺”。同理，UFMC在多徑信道下也存在著固有干擾的問題，這也是圖中UFMC性能并不十分理想的原因。目前研究者們已經面向UFMC和FBMC分別給出了多種不同復雜度的固有干擾消除方案以進一步提高系統性能，在實際使用時可以根據業務需求靈活選擇，本文僅驗證未來移動通信參考波形在NAVDAT信道下的可行性，不對具體技術細節進行過多討論。為進一步驗證上述三種波形在NAVDAT信道下的可行性，本文對其采用16-QAM以及64-QAM調制方式下在MF信道中的BER性能進行了仿真評估，仿真結果如圖10和圖11所示。

圖10 16-QAM MF信道BER性能Fig.10 16-QAM BER performance under MF channels

圖11 64-QAM MF信道BER性能Fig.11 64-QAM BER performance under MF channels

從圖11中可以看出隨著調制階數的增高，采用匹配濾波接收機的GFDM系統BER性能下降，這是因為隨著調制階數的升高，其對自干擾也更加敏感，正如前文中所述，匹配濾波接收機不能有效消除自干擾。可以通過降低GFDM濾波器滾降系數的辦法來克服自干擾。將滾降系數降為R=0.01后的BER性能如圖12所示。

圖12 64-QAM R=0.01 MF信道BER性能Fig.12 64-QAM R=0.01 BER performance under MF channels

通過圖11與圖12的對比可以看出，GFDM塊內自干擾制約了采用匹配濾波接收機的GFDM系統性能。但在現實中，設計滾降系數為0.01的濾波器十分困難，而MMSE接收機雖然能對自干擾進行有效去除，卻是以顯著提升系統復雜度為代價的。

綜上所述，FBMC、GFDM、UFMC三種波形在ITU建議的14～26 dB的信噪比范圍內與傳統OFDM性能相似，證明了上述三種波形應用于NAVDAT廣播信道的可行性。

5 結束語

本文分析了FBMC、GFDM和UFMC三種未來移動通信技術參考波形，對其在NAVDAT廣播信道下的可行性進行了仿真驗證，探究了其應用于NAVDAT廣播信道的優勢及可行性。

首先，相較于傳統OFDM，FBMC、GFDM和UFMC均能有效降低帶外輻射，有利于拓展NAVDAT的可用頻譜并減少對相鄰頻段的干擾。FBMC對每一個子載波采用了濾波器濾波，具有最低的帶外輻射，對于擴展可用頻譜、緩解海洋頻譜緊張問題具有積極意義。在頻譜效率方面，由于不采用循環前綴，FBMC在處理長數據流時可以顯著提升頻譜效率，在NAVDAT系統長數據流通用廣播中具有較大的應用潛力。此外，GFDM由于能夠以多個子符號為單位添加循環前綴，也是NAVDAT系統頻譜效率提升的可選方案。在對抗電離層運動帶來的頻率偏移問題上，相較于傳統OFDM、FBMC和UFMC具有更高的穩定性，然而UFMC通常需要較長的濾波器長度。

值得一提的是，UFMC和GFDM在設計上具有很大的靈活性。GFDM可以根據不同廣播數據流的大小合理地選擇塊結構。UFMC則能通過改變濾波器參數動態地適應NAVDAT信道的變化，有效應對NAVDAT信道晝夜變化大、天波信道參數不穩定的問題。

但是要將上述波形應用于未來海上安全信息廣播系統仍然面臨著一些挑戰。例如，FBMC雖然在長數據流廣播中具有優勢，但處理短報文緊急突發廣播的能力尚顯不足。另外，如何將FBMC采用的OQAM調制與現有通信體制兼容也是不小的挑戰。GFDM非正交的問題也限制了其性能，目前仍難以實現在不提升復雜度且兼顧兼容性、帶外輻射抑制能力的情況下實現GFDM的正交性。另外，上述三種波形均具有較高的峰均值比，這也制約了其在船載小型接收設備上的性能，也是未來值得研究的方向。