相關(guān)函數(shù)。
[0030] 圖5為本發(fā)明方案中系統(tǒng)的時隙結(jié)構(gòu)示意圖。 (五)
【具體實施方式】：
[0031] 實施例1:
[0032] 一種CAIS設(shè)計方案如圖1所示，該方案使用頻譜感知和0FDM作為CAIS的核心技術(shù)， 其步驟以及各步驟細節(jié)如下：
[0033]第1步、空閑頻譜感知及認知結(jié)果分配設(shè)計方案；
[0034] 第2步、0FDM技術(shù)在CAIS中應用設(shè)計方案。
[0035]所述第1步中，由于CAIS采用頻譜感知技術(shù)，故其通信協(xié)議與AIS有所不同。在CAIS 工作流程的初始化階段，CAIS設(shè)備除需要連續(xù)監(jiān)測時頻二維的TDMA信道動態(tài)幀（圖3中時頻 動態(tài)幀)外，還需要連續(xù)完成：
[0036]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 (156~174MHz海上移動業(yè)務(wù)電磁環(huán)境以及167~223MHz的廣播頻段）。該步驟中通常假設(shè) 山和心分別表示感知頻段空閑和感知頻段非空閑。頻譜感知的目標就是根據(jù)接收信號判 斷感知頻段是否空閑（即在上述兩個假設(shè)中選一）。基于上述對不確定條件和假設(shè)理論的分 析，CAIS接收機感知到的信號為
[0037] H〇：y(n) =w(n)
(I)
[0038] Η,:
[0039] 其中，Δ f為歸一化載波頻偏，χ(η)為時域傳輸?shù)男盘?，h(n，l)為信道響應，τ為定 時偏差，於表示隨機相位，j(n)為其他信號帶外輻射于待檢測頻段的干擾信號，w(n)為高斯 白噪聲。本發(fā)明中將采用現(xiàn)有的基于能量的盲頻譜感知方法對VHF空閑頻譜進行檢測，即檢 測統(tǒng)計量為
[0040]
(2)
[0041 ]其中τι為判決門限。判決門限的取值與虛警概率Pf和檢測概率Pd有關(guān)，Pf和Pd分別 為 f Λ
[0042] Pr=Q Μ? (3) V y f \
[0043] P^Q ^ (4) V ai J
[0044] 其中以14 = 0，1為出4 = 0，1假設(shè)下的均值，〇14=0，1為出4=0，1假設(shè)下的方差， Q( ·)為高斯Q函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，需要連續(xù)完成：
[0045] 第1.2步、將認知的結(jié)果（空閑頻譜)和信道申請信息直接或通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備發(fā) 送給岸基平臺。該步驟中由于認知結(jié)果和信道申請信息比較簡單，而且在系統(tǒng)設(shè)計時采用 Frank-Heimiller變換序列作為用戶碼，故可以為其指定較窄帶寬的專屬頻道進行認知結(jié) 果和信道申請信息傳輸。岸基平臺收到一定的動態(tài)頻譜信息后，需要連續(xù)完成：
[0046] 第1.3步、岸基平臺根據(jù)信道占用及申請情況通過廣播信道按需分配頻譜。像第 1.2步一樣，該步驟中廣播信道也可以指定專屬頻道。
[0047] CAIS設(shè)備在完成初始化階段工作后進入網(wǎng)絡(luò)登錄階段、第一幀階段、自主連續(xù)工 作階段(分配工作、輪詢）、改變報告率階段。在岸基平臺廣播信道上，CAIS設(shè)備同AIS設(shè)備一 樣采用RATDMA協(xié)議選擇第一個發(fā)射時隙，但是在采用ITDMA協(xié)議時除非該分配頻段在預定 位置所屬時間段內(nèi)處于空閑狀態(tài)，否則其預定位置只能設(shè)置在兩個專用頻道的空閑時隙 上，其余的應用和操作模式可適當采用AIS協(xié)議。
[0048]所述第2步中，CAIS物理層的系統(tǒng)參數(shù)、時隙結(jié)構(gòu)和調(diào)制方式的設(shè)計為第1步數(shù)據(jù) 傳輸?shù)於嘶A(chǔ)，具體設(shè)計過程通過下面兩步對其進行描述。
[0049]第2.1步、確定CAIS的系統(tǒng)參數(shù)過程如下：
[0050]在海上甚高頻段，最大時延擴展為τ = 300μ8,本發(fā)明選擇保護間隔的長度Tg = 1.33ms ?4t，〇FDM符號周期T = 5Tg = 6.667ms，則有效時間長度為 AT = T-Tg = 5.336ms，子載 波間隔A f = 187.5Hz。本發(fā)明選擇Nsubcarr = 128個子載波來傳輸位置信息數(shù)據(jù)(靜態(tài)、動態(tài) 信息），其占用的帶寬為128\187.5取=241^取，同時選擇正?1'^^1'的變換點數(shù)為128。由 7二》ΤΔΓ，故循環(huán)前綴的長度為128/4 = 32,本發(fā)明在船臺選擇Frank-Heimiller變換序列 ' 4 來填充循環(huán)前綴用于用戶識別同時還可以用于信號恢復時的信道相關(guān)參數(shù)估計。針對傳輸 視頻數(shù)據(jù)或二進制數(shù)據(jù)信息情況，本發(fā)明將根據(jù)頻譜感知結(jié)果、信道占用及申請情況自適 應增加子載波個數(shù)以滿足數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。CAIS數(shù)據(jù)速率為 Μ X ·χ·Μ
[0051 ] Mibla =~~(5) Τ??α?
[0052] 其中，Nmodu表不調(diào)制指數(shù)，Ndatasym表不一個時隙中0FDM符號個數(shù)，Nsubcarr表不一個 0FDM符號的數(shù)據(jù)子載波個數(shù)，1^。*表示時隙周期。
[0053]第2.2步、結(jié)合第2.1步所得參數(shù)對該系統(tǒng)的時隙結(jié)構(gòu)和調(diào)制方式設(shè)計如下：
[0054]由于AIS周期為1分鐘的每一幀由2250個時隙構(gòu)成，而一個0FDM符號周期恰好是現(xiàn) 有AIS-個時隙長度的1/4，即6.667ms = 26.67/4ms，故本設(shè)計選擇四個0FDM符號組成一個 CAIS時隙，CAIS時隙結(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)或一個待傳輸二進制信息數(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傳輸一條動態(tài)位置信息（一個AIS標準報文長度為 256bit)和一條靜態(tài)位置信息為例:若CAIS采用QPSK調(diào)制方式，則每個子載波可以攜帶2bit 的信息，一條動態(tài)位置信息需要占用256bit/2bit = 128個子載波，其正好用一個OFDM符號 表示;若CAIS采用QPSK調(diào)制方式來傳輸一條靜態(tài)位置信息（占用四個標準報文長度），其正 好用一個CAIS時隙表示;若CAIS采用16PSK調(diào)制方式，每個子載波可以攜帶4bit的信息，一 條動態(tài)位置信息需要占用256bit/4bit = 64個子載波，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(0.5KHz帶寬用于帶外輻射衰減）。另外，若CAIS-個OFDM符 號的數(shù)據(jù)子載波個數(shù)為128，則：當采用QPSK調(diào)制各個子載波時，調(diào)制指數(shù)N Mdu = 2,由公式 (5)可得Rdata = 38.4kbps，頻譜利用率為1.6b/s/Hz ;當采用16QAM調(diào)制各個子載波時，調(diào)制 指數(shù)Nm〇du = 4,由公式(5)可得Rdata = 76.8kbps，頻譜利用率為6.1b/s/Hz?？傊?，本發(fā)明在信 息傳輸速率和頻譜利用率方面已遠遠高于現(xiàn)有AIS的信息傳輸速率9.6kbps及其頻譜利用 率0.4b/s/Hz。
【主權(quán)項】
1. 一種認知AlS設(shè)計方案，其特征在于該方案包括： 第1步、空閑頻譜感知及認知結(jié)果分配設(shè)計方案； 第2步、OFDM技術(shù)在CAIS中應用設(shè)計方案。2. 如權(quán)利要求1所述認知AIS設(shè)計方案，其特征在于，第1步中所述設(shè)計包括： 本發(fā)明采用頻譜感知技術(shù)搜索AIS兩個授權(quán)頻道，即161.975MHz和162.025MHz，周圍的 VHF空閑頻譜并加以利用，具體過程如下： 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； 第1.2步、將認知的結(jié)果即空閑頻譜，和信道申請信息直接或通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備發(fā)送給 岸基平臺； 第1.3步、岸基平臺根據(jù)信道占用及申請情況通過廣播信道按需分配頻譜。3. 如權(quán)利要求1所述認知Al S設(shè)計方案，其特征在于，第2步中所述設(shè)計包括： 本發(fā)明使用OFDM有效實現(xiàn)頻譜資源控制和高效傳輸?shù)奶攸c，將其作為CAIS系統(tǒng)物理層 的另一核心技術(shù)能解決安保視頻信息在原AIS中傳輸缺陷的問題。具體的設(shè)計如下： 第2.1步、確定CAIS的系統(tǒng)參數(shù)； 第2.2步、結(jié)合第2.1步所得參數(shù)設(shè)計該系統(tǒng)的時隙結(jié)構(gòu)和調(diào)制方式。4. 如權(quán)利要求1所述認知AIS設(shè)計方案，其特征在于，在第1.1步中通常假設(shè)Hq和H1* 別表示感知頻段空閑和感知頻段非空閑，頻譜感知的目標就是根據(jù)接收信號判斷感知頻段 是否空閑，即在上述兩個假設(shè)中選一;基于上述對不確定條件和假設(shè)理論的分析，CAIS接收 機感知到的信號為：H〇:y(n)=w(n);其中，Af為歸一化載波頻偏，x(n)為時域傳輸?shù)男盘?，h(n，l)為信道響應，τ為定時偏 差，供表示隨機相位，j(n)為其他信號帶外輻射于待檢測頻段的干擾信號，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，（η為判決門限） 對VHF空閑頻譜進行檢測； 在第1.2步中，由于認知結(jié)果和信道申請信息比較簡單，而且在系統(tǒng)設(shè)計時采用Frank-Heimiller變換序列作為用戶碼，故可以為其指定較窄帶寬的專屬頻道進行認知結(jié)果和信 道申請信息傳輸； 在第1.3步中，CAIS設(shè)備同AIS設(shè)備一樣在岸基平臺廣播信道上采用RATDMA協(xié)議選擇第 一個發(fā)射時隙，但是在采用ITDMA協(xié)議時除非該分配頻段在預定位置所屬時間段內(nèi)處于空 閑狀態(tài)，否則其預定位置只能設(shè)置在兩個授權(quán)頻道的空閑時隙上，其余的應用和操作模式 采用AIS協(xié)議。5. 如權(quán)利要求1所述認知AIS設(shè)計方案，其特征在于，在第2.1步中，CAIS選擇Nsubcarr = 128個子載波來傳輸位置信息數(shù)據(jù)，包括靜態(tài)、動態(tài)信息;OFDM符號周期T = 6.667ms，同時選 擇Frank-Heimi Iler變換序列來填充循環(huán)前綴;針對傳輸視頻數(shù)據(jù)或二進制數(shù)據(jù)信息情況， 本發(fā)明將根據(jù)頻譜感知結(jié)果、信道占用及申請情況自適應增加子載波個數(shù)以滿足數(shù)據(jù)傳輸 速率的要求。6.如權(quán)利要求1所述認知AlS設(shè)計方案，其特征在于，在第2.2步中，選擇四個OFDM符號 組成一個CAIS時隙;CAIS為了高效傳輸信息，采用以下措施:若待傳輸信息為動態(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)或一個待傳輸二進制信息 數(shù)據(jù)，則本發(fā)明采用更高頻譜效率的MQAM調(diào)制方式。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用頻譜感知和OFDM作為核心技術(shù)的認知AIS(CAIS)設(shè)計方案。該發(fā)明通過感知技術(shù)獲取AIS授權(quán)頻段之外的VHF空閑頻譜，并將可用的空閑頻譜動態(tài)地分配給系統(tǒng)用戶，實現(xiàn)船舶間、船岸間的用戶在分配子載波上利用OFDM技術(shù)進行交互信息。該方案不僅能有效解決載有AIS設(shè)備的船舶用戶接入系統(tǒng)困難的問題，而且也解決了現(xiàn)有系統(tǒng)在應對突發(fā)事件時，不利于安保視頻信息在船舶之間、船岸之間傳輸?shù)娜毕荨?br>【IPC分類】H04W16/14
【公開號】CN105530648
【申請?zhí)枴緾N201510995727
【發(fā)明人】王俊峰, 崔玥, 馬社祥, 孟鑫, 劉兆杰
【申請人】天津理工大學
【公開日】2016年4月27日
【申請日】2015年12月24日