一種認(rèn)知ais設(shè)計(jì)方案的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001 ]本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及AIS(Automatic Identification System)、0FDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)、認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)。 (二)
【背景技術(shù)】：
[0002] AIS能夠?qū)崿F(xiàn)船舶與船舶、船舶與岸基間自動(dòng)交互靜態(tài)、動(dòng)態(tài)以及相關(guān)的安全等信 息，通過(guò)自組織、交互式的通信可以增強(qiáng)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(fā)生。然而，隨著AIS在全球的廣泛應(yīng)用，海上載有AIS設(shè)備的船舶數(shù)量不 斷增加，世界上重要航道的船舶密度越來(lái)越大，在現(xiàn)有AIS的兩個(gè)專(zhuān)用信道中，當(dāng)信道負(fù)載 率大于60.5%時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生時(shí)隙沖突，導(dǎo)致用戶接入系統(tǒng)困難。另外，由于遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船 舶工作的特殊性，船舶需要長(zhǎng)期獨(dú)自在大洋上漂泊，而如今各類(lèi)海難事故、海盜事件時(shí)有發(fā) 生，及時(shí)了解突發(fā)事件的現(xiàn)場(chǎng)情況并采取有效應(yīng)對(duì)措施，已成為保障船舶安全航行的重中 之重。當(dāng)發(fā)生重大安全問(wèn)題時(shí)，載有AIS設(shè)備的船舶若能將船舶內(nèi)部、周邊環(huán)境的情況通過(guò) 視頻信息迅速與周?chē)d有AIS設(shè)備的船臺(tái)或者岸基自組織交互，那么周邊船臺(tái)工作人員或 岸基專(zhuān)家就能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施、指揮部署營(yíng)救工作，從而減少生命和財(cái) 產(chǎn)損失，提高遠(yuǎn)洋船舶航行的安全性。但是，現(xiàn)有的AIS在設(shè)計(jì)之初尚未考慮安保視頻信息 交互的問(wèn)題。隨著航運(yùn)事業(yè)的快速發(fā)展，上述問(wèn)題越來(lái)越突出。此外，0FDM是目前公認(rèn)的比 較容易實(shí)現(xiàn)頻譜資源控制和有效利用的傳輸方式，是認(rèn)知無(wú)線電首選的復(fù)用和調(diào)制技術(shù)。 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(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用 (如WiMAX，DVB-T，CMMB等標(biāo)準(zhǔn)）。因此，本發(fā)明引入認(rèn)知無(wú)線電中頻譜感知這一核心技術(shù)，充 分利用現(xiàn)有AIS的兩個(gè)專(zhuān)用信道周?chē)幢皇褂玫?授權(quán)頻段"（8卩"空穴頻譜"）并結(jié)合0FDM技 術(shù)，不僅解決了用戶接入系統(tǒng)困難的問(wèn)題，而且也解決了現(xiàn)有系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)突發(fā)事件時(shí)，不利 于安保視頻信息在船舶之間、船岸之間傳輸?shù)娜毕荨?(三)

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0003] 本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有AIS系統(tǒng)容量小而導(dǎo)致高負(fù)載下接入系統(tǒng)困難，以及現(xiàn) 有的AIS在設(shè)計(jì)之初尚未考慮安保視頻信息交互的問(wèn)題。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0005] -種基于頻譜感知和0FDM核心技術(shù)的CAIS設(shè)計(jì)方案，其方案如圖1所示，具體步驟 以及各步驟細(xì)節(jié)如下：
[0006] 第1步、空閑頻譜感知及認(rèn)知結(jié)果分配設(shè)計(jì)方案；
[0007] 第2步、0FDM技術(shù)在CAIS中應(yīng)用設(shè)計(jì)方案。
[0008] 所述第1步中，海上移動(dòng)業(yè)務(wù)VHF頻段為156~174MHz，被劃分為不同的頻道。如數(shù) 字選擇性呼叫（DSC)的專(zhuān)用頻道為CH70，發(fā)射頻率為156.525MHz ; CH16的發(fā)射頻率 156.80MHz，其作用為無(wú)線電話遇險(xiǎn)、安全和日常呼叫;AIS的兩個(gè)專(zhuān)用頻道(AIS1和AIS2)分 另IJ占用CH87(161.975MHz)和CH88(162.025MHz)。上述專(zhuān)用頻段稱之為"授權(quán)頻段"。隨著載 有AIS設(shè)備的船舶數(shù)量的迅速增加，AIS信道資源越來(lái)越緊張，系統(tǒng)超過(guò)一定負(fù)載率時(shí)就會(huì) 發(fā)生時(shí)隙沖突，其任意一幀數(shù)據(jù)中時(shí)隙占用、預(yù)約、接入示意圖如圖2所示。然而，現(xiàn)有研究 結(jié)果表明上述專(zhuān)用頻道在一定程度上處于空閑狀態(tài)，即"頻譜空洞"。為此，本發(fā)明提出的 CAIS設(shè)計(jì)方案可以通過(guò)頻譜感知技術(shù)對(duì)CH87和CH88周?chē)暮Ｉ弦苿?dòng)業(yè)務(wù)電磁環(huán)境（156~ 174MHz)以及167~223MHz的廣播頻段進(jìn)行掃描監(jiān)測(cè)，確定其頻譜利用狀況。若載有CAIS設(shè) 備的船臺(tái)搜索到"頻譜空洞"，將認(rèn)知的結(jié)果(空閑頻譜)直接或通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備發(fā)送給岸 基平臺(tái)。岸基平臺(tái)收集到一定空閑頻譜信息后，再根據(jù)信道占用及申請(qǐng)情況通過(guò)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(tǒng)示意圖如圖3所示。所述第1步中具體步 驟總結(jié)如下：
[0009]第1.1步、CAIS設(shè)備利用頻譜感知技術(shù)感知除AIS授權(quán)頻道之外的VHF空閑頻譜。 [0010]第1.2步、將認(rèn)知的結(jié)果（空閑頻譜)和信道申請(qǐng)信息直接或通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備發(fā) 送給岸基平臺(tái)。本步驟中信道申請(qǐng)包括新用戶入網(wǎng)信道申請(qǐng)、在網(wǎng)用戶常規(guī)數(shù)據(jù)發(fā)送信道 申請(qǐng)和在網(wǎng)用戶視頻數(shù)據(jù)發(fā)送信道申請(qǐng)。
[0011] 第1.3步、岸基平臺(tái)根據(jù)信道占用及申請(qǐng)情況通過(guò)廣播信道按需分配頻譜。本步驟 中按需分配頻譜是指根據(jù)信道申請(qǐng)情況將感知到的部分空閑頻譜(根據(jù)感知空閑頻譜及信 道申請(qǐng)情況確定其大小)連續(xù)或非連續(xù)(0FDM技術(shù)可以靈活地選擇頻率，具有非連續(xù)占用載 波同時(shí)傳輸信息的功能)分配給一個(gè)待傳輸視頻數(shù)據(jù)或一個(gè)待傳輸二進(jìn)制信息數(shù)據(jù)（占用 幾條標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文信息長(zhǎng)度）的在網(wǎng)用戶、或?qū)⑦B續(xù)或非連續(xù)24+0.25 X N KHz (N與系統(tǒng)分配的 頻譜有關(guān)）中全部或部分載波分配給一個(gè)待傳輸位置信息數(shù)據(jù)（占用一條標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文信息長(zhǎng) 度）的在網(wǎng)用戶、或?qū)⑦B續(xù)或非連續(xù)24+0.25 XN KHz全部分配給一個(gè)待入網(wǎng)的新用戶。
[0012] 所述第2步中，(FDM技術(shù)應(yīng)用于CAIS，在用戶獲取分配頻譜后，合理選擇子載波進(jìn) 行數(shù)據(jù)傳輸。為此，本發(fā)明對(duì)CAIS的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：
[0013] 在海上甚高頻段，最大時(shí)延擴(kuò)展為T(mén) = 300ys，本發(fā)明選擇保護(hù)間隔的長(zhǎng)度Tg = 1.33ms ?4t，〇FDM符號(hào)周期T = 5Tg = 6.667ms，則有效時(shí)間長(zhǎng)度為 AT = T-Tg = 5.336ms，子載 波間隔A f = 187.5Hz。本發(fā)明選擇Nsubcarr = 128個(gè)子載波來(lái)傳輸位置信息數(shù)據(jù)，其占用的帶 寬為128 X 187.5Hz = 24kHz，同時(shí)選擇IFFT/FFT的變換點(diǎn)數(shù)為128。由；《 ，故循環(huán)前 綴的長(zhǎng)度為128/4 = 32，本發(fā)明在船臺(tái)選擇?瓜]^-!16；[1]1；[1161'變換序列來(lái)填充循環(huán)前綴用于 用戶識(shí)別同時(shí)還可以用于信號(hào)恢復(fù)時(shí)的信道相關(guān)參數(shù)估計(jì)，F(xiàn)rank-Heimiller變換序列的 自相關(guān)和互相關(guān)特性如圖4所示。
[0014] 由于AIS周期為1分鐘的每一幀由2250個(gè)時(shí)隙構(gòu)成，而一個(gè)0FDM符號(hào)周期恰好是現(xiàn) 有AIS-個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度的1/4，即6.667ms = 26.67/4ms，故本設(shè)計(jì)選擇四個(gè)0FDM符號(hào)組成一個(gè) CAIS時(shí)隙，CAIS時(shí)隙結(jié)構(gòu)如圖5所示。此外，像AIS數(shù)據(jù)傳輸采用面向比特的協(xié)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(dòng)態(tài)或靜態(tài)位置信息，則本發(fā)明 采用MPSK調(diào)制方式;若待傳輸信息為視頻數(shù)據(jù)或一個(gè)待傳輸二進(jìn)制信息數(shù)據(jù)，則本發(fā)明采 用更高頻譜效率的MQAM調(diào)制方式。以AIS傳輸一條動(dòng)態(tài)位置信息（一個(gè)AIS標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文長(zhǎng)度為 256bit)和一條靜態(tài)位置信息為例:若CAIS采用QPSK調(diào)制方式，則每個(gè)子載波可以攜帶2bit 的信息，一條動(dòng)態(tài)位置信息需要占用256bit/2bit = 128個(gè)子載波，其正好用一個(gè)OFDM符號(hào) 表示;若CAIS采用QPSK調(diào)制方式來(lái)傳輸一條靜態(tài)位置信息（占用四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文長(zhǎng)度），其正 好用一個(gè)CAIS時(shí)隙表示;若CAIS采用16PSK調(diào)制方式，每個(gè)子載波可以攜帶4bit的信息，一 條動(dòng)態(tài)位置信息需要占用256bit/4bit = 64個(gè)子載波，其占用頻譜為QPSK調(diào)制方式的一半， 則CAIS可以分配12+0.5KHz帶寬（連續(xù)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(diào)制方式提高了頻譜利用率，但是系統(tǒng)性能可能有所下降，傳輸視頻數(shù) 據(jù)或二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息時(shí)也如此，故采用折中設(shè)計(jì)原則來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)的調(diào)制方式。所述第2 步中具體步驟總結(jié)如下：
[0015] 第2.1步、確定CAIS的系統(tǒng)參數(shù)；
[0016] 第2.2步、結(jié)合第2.1步所得參數(shù)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的時(shí)隙結(jié)構(gòu)和調(diào)制方式。
[0017]在第1.1步中通常假設(shè)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(biāo)就是根據(jù)接收信號(hào)判斷感知頻段是否空閑，即在上述兩個(gè)假設(shè)中選一;基于上述 對(duì)不確定條件和假設(shè)理論的分析，CAIS接收機(jī)感知到的信號(hào)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(shí)域傳輸?shù)男盘?hào)，h(n，l)為信道響應(yīng)，τ為定 時(shí)偏差，@表示隨機(jī)相位，j(n)為其他信號(hào)帶外輻射于待檢測(cè)頻段的干擾信號(hào)，w(n)為高斯 白噪聲。本發(fā)明中將采用基于能量的盲頻譜感知方法，即用
（η為判決 門(mén)限)對(duì)VHF空閑頻譜進(jìn)行檢測(cè)；
[0020] 在第1.2步中，由于認(rèn)知結(jié)果和信道申請(qǐng)信息比較簡(jiǎn)單，而且在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(zhuān)屬頻道進(jìn)行認(rèn)知結(jié) 果和信道申請(qǐng)信息傳輸；
[0021 ]在第1.3步中，CAIS設(shè)備同AIS設(shè)備一樣在岸基平臺(tái)廣播信道上采用RATDMA協(xié)議選 擇第一個(gè)發(fā)射時(shí)隙，但是在采用ITDMA協(xié)議時(shí)除非該分配頻段在預(yù)定位置所屬時(shí)間段內(nèi)處 于空閑狀態(tài)，否則其預(yù)定位置只能設(shè)置在兩個(gè)授權(quán)頻道的空閑時(shí)隙上，其余的應(yīng)用和操作 模式采用AIS協(xié)議。
[0022]在第2.1步中，CAIS選擇Nsubcarr=128個(gè)子載波來(lái)傳輸位置信息數(shù)據(jù)，包括靜態(tài)、動(dòng) 態(tài)信息；(FDM符號(hào)周期T = 6.667ms，同時(shí)選擇Frank-Heimiller變換序列來(lái)填充循環(huán)前綴； 針對(duì)傳輸視頻數(shù)據(jù)或二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息情況，本發(fā)明將根據(jù)頻譜感知結(jié)果、信道占用及申請(qǐng) 情況自適應(yīng)增加子載波個(gè)數(shù)以滿足數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。
[0023]在第2.2步中，選擇四個(gè)0FDM符號(hào)組成一個(gè)CAIS時(shí)隙；CAIS為了高效傳輸信息，采 用以下措施:若待傳輸信息為動(dòng)態(tài)或靜態(tài)位置信息，則本發(fā)明采用MPSK調(diào)制方式;若待傳輸 信息為視頻數(shù)據(jù)或一個(gè)待傳輸二進(jìn)制信息數(shù)據(jù)，則本發(fā)明采用更高頻譜效率的MQAM調(diào)制方 式。
[0024]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0025]①本發(fā)明設(shè)計(jì)CAIS的主要目的在于提高AIS網(wǎng)絡(luò)的容量，從而減少了時(shí)隙沖突。② CAIS設(shè)計(jì)方案充分利用了原有兩個(gè)專(zhuān)用頻道及其周?chē)臻e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(diào)制方式，每個(gè)時(shí)隙可以發(fā)送一條靜態(tài)位置信息。此外， 該系統(tǒng)采用空閑頻譜和0FDM技術(shù)也可以解決現(xiàn)有AIS在設(shè)計(jì)之初尚未考慮安保視頻信息交 互的問(wèn)題。 (四）
【附圖說(shuō)明】：
[0026] 圖1為本發(fā)明方案設(shè)計(jì)示意圖。
[0027] 圖2為AIS任意一幀數(shù)據(jù)中時(shí)隙占用、預(yù)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(tǒng)示意圖。
[0029]圖4為本發(fā)明方案中Frank-He imi 1 ler變換序列的自相關(guān)和互