謝于晨

(1. 江西科技學(xué)院協(xié)同創(chuàng)新中心, 江西 南昌 330098；2. 江西科技學(xué)院 信息工程學(xué)院, 江西 南昌 330098)

0 引 言

作為下一代通信技術(shù)，5G 通信在艦船領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊，包括：

1）艦船內(nèi)部通信：5G 通信技術(shù)可以提供更高的帶寬和更低的延遲，使得艦船內(nèi)部的通信更加快速和高效，比如基于5G 技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶內(nèi)部的高清視頻會(huì)議、虛擬現(xiàn)實(shí)等功能。

2）艦船外部通信：5G 通信技術(shù)可以提供更遠(yuǎn)距離和更高速度的通信，使得艦船可以更加快速地與其他船舶、基地、衛(wèi)星等進(jìn)行通信，這對(duì)于海上作戰(zhàn)、海上救援等任務(wù)非常重要[1]。

3）艦船自主駕駛：5G 通信技術(shù)可以提供更高的帶寬和更低的延遲，使得艦船自主駕駛的實(shí)現(xiàn)更加可行，實(shí)現(xiàn)高精度的定位、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，提高船舶的智能化?/p>

基于上述背景，本文將研究重點(diǎn)放在艦船遠(yuǎn)程航行過程中的5G 通信技術(shù)研究，分別從5G 通信MIMO技術(shù)、信號(hào)調(diào)制和識(shí)別技術(shù)等方面進(jìn)行詳細(xì)研究。

1 艦船遠(yuǎn)程航行信息交互系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

艦船在遠(yuǎn)程航行時(shí)通常采用衛(wèi)星通信鏈路與水面或陸上基站進(jìn)行通信，隨著船舶自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)量增加，遠(yuǎn)程航行過程中的數(shù)據(jù)量已經(jīng)超出了現(xiàn)有通信鏈路的負(fù)荷，因此，本文開發(fā)一種艦船遠(yuǎn)程航行信息交互系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用的核心架構(gòu)是一種異構(gòu)通信系統(tǒng)，包括船舶終端、基站、電臺(tái)等部件，異構(gòu)系統(tǒng)能夠在短波通信、衛(wèi)星報(bào)文通信和5G 通信鏈路之間切換，圖1為艦船遠(yuǎn)程航行信息交互系統(tǒng)的框架圖。

圖1 艦船遠(yuǎn)程航行信息交互系統(tǒng)的框架圖Fig. 1 Fig.1The frame diagram of ship long-range navigation information interaction system

圖2 MIMO 技術(shù)的通信鏈路示意圖Fig. 2 Communication link diagram of MIMO technology

艦船遠(yuǎn)程航行信息交互系統(tǒng)的關(guān)鍵功能包括：

1）數(shù)據(jù)采集功能[2]

遠(yuǎn)程航行信息交互系統(tǒng)需要進(jìn)行多類數(shù)據(jù)的采集，又包括：

①船舶位置和航速數(shù)據(jù)采集：通過GPS、船舶慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等技術(shù)，實(shí)時(shí)采集船舶的位置和航速信息，以便進(jìn)行航行路徑規(guī)劃和船舶位置監(jiān)控。

②氣象和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)采集：通過船載氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備、海洋浮標(biāo)等設(shè)備，采集氣象和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，包括海域的風(fēng)速、風(fēng)向、海浪高度、海水溫度等，以便進(jìn)行船舶航行安全評(píng)估和氣象預(yù)報(bào)。

③船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)采集：通過速度傳感器、GPS、AIS 等設(shè)備，采集船舶各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，比如船體傾斜角度、船舶荷載參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)等，以便進(jìn)行船舶性能監(jiān)測(cè)和故障診斷。

④船舶能源數(shù)據(jù)采集：通過船舶動(dòng)力系統(tǒng)的能源管理設(shè)備，采集船舶能源數(shù)據(jù)，包括燃油消耗、發(fā)電機(jī)輸出功率等，以便進(jìn)行船舶能源管理和節(jié)能減排。

2）通信功能

艦船遠(yuǎn)程航行信息交互系統(tǒng)采集到的信息，需要通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，同時(shí)地面控制中心對(duì)船舶進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控發(fā)送指令。

①異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換功能

遠(yuǎn)程航行信息交互系統(tǒng)中集成了包括短波通信、4g 通信、5g 通信等多種通信模式，遠(yuǎn)程航行信息交互系統(tǒng)需要具備良好的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換功能，尋找最優(yōu)的信號(hào)傳輸通道，當(dāng)一種通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障中斷，可以及時(shí)切換為另一種通信模式。

②實(shí)時(shí)性要；

遠(yuǎn)程航行信息交互系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的時(shí)效性要求較高，信號(hào)傳輸過程應(yīng)避免延時(shí)，提高信息的同步率，在異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)中，基于5G 的通信模式時(shí)延小、傳輸速度快，是優(yōu)選的通信模式。

③安全性要求

在船舶通信領(lǐng)域，尤其是軍事艦船的通信網(wǎng)絡(luò)中，信息的安全性是非常重要的因素，由于船舶通訊網(wǎng)絡(luò)的開放性特點(diǎn)，數(shù)據(jù)存在被第三方截取可能，所有敏感數(shù)據(jù)必須進(jìn)行加密傳輸，以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和竊取。系統(tǒng)有嚴(yán)格的訪問控制機(jī)制，只有經(jīng)過授權(quán)的用戶才能夠訪問系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，對(duì)于不同級(jí)別的用戶，有不同的權(quán)限控制機(jī)制。

2 艦船遠(yuǎn)程通信異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)5G 的MIMO 技術(shù)研究

MIMO 是一種無(wú)線通信技術(shù)，它利用多個(gè)天線來(lái)傳輸和接收數(shù)據(jù)，從而提高通信質(zhì)量和速度。MIMO技術(shù)可以將多個(gè)數(shù)據(jù)流同時(shí)傳輸?shù)酵活l帶，從而提高頻譜效率，同時(shí)還可以通過空間分集技術(shù)來(lái)提高信道容量和抗干擾能力。

MIMO 技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于4G 和5G 移動(dòng)通信、WiFi 和無(wú)線局域網(wǎng)等領(lǐng)域，成為無(wú)線通信領(lǐng)域中的重要技術(shù)。圖為MIMO 技術(shù)的通信鏈路示意圖。

本文在艦船遠(yuǎn)程航行信息交互系統(tǒng)中采用一種大規(guī)模MIMO 技術(shù)，利用預(yù)編碼矩陣同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)Nt個(gè)用戶、Nr個(gè)天線的數(shù)據(jù)傳輸。

單獨(dú)一個(gè)5G 天線信號(hào)可表示為：

定義信號(hào)的采樣間隔為Ts/N，載波頻率為：

規(guī)模化的MIMO 通信信號(hào)可表示為：

圖3 為大規(guī)模MIMO 通信技術(shù)的原理示意圖。

圖3 大規(guī)模MIMO 通信技術(shù)的原理示意Fig. 3 The principle of massive MIMO communication technology

可知，MIMO 的顯著特征是在信號(hào)發(fā)送端和接收端存在x1～xNi多個(gè)陣列天線和信道，以及n1～nNr多個(gè)信號(hào)接收網(wǎng)關(guān)。

3 艦船遠(yuǎn)程航行中5G 通信調(diào)制信號(hào)識(shí)別方法研究

3.1 艦船遠(yuǎn)程航行中的信號(hào)調(diào)制技術(shù)研究

艦船遠(yuǎn)程航行信息交互系統(tǒng)的5G 信號(hào)調(diào)制采用AM 幅度調(diào)制和FM 頻率調(diào)制2 種。

1）AM 調(diào)制

AM 調(diào)制是一種線性調(diào)制，調(diào)制信號(hào)模型為：

式中：Ac為調(diào)制信號(hào)的幅度，m(t)為5G 通信信號(hào)，fc為調(diào)制信號(hào)的頻率，信號(hào)調(diào)制需要保證(1+m(t))>0。

當(dāng)信息交互系統(tǒng)的5G 信號(hào)m(t)幅值與頻率確定時(shí)，AM 信號(hào)可表示為：

2）FM 調(diào)制

FM 頻率調(diào)制信號(hào)模型為：

式中：φ(t)為調(diào)制信號(hào)的初始相位。

FM 頻率調(diào)制信號(hào)的頻率偏移表示為：

式中：Kf為偏移系數(shù)，當(dāng)偏移系數(shù)是隨時(shí)間變化的量時(shí)，可得。

FM 頻率調(diào)制信號(hào)在時(shí)域的表達(dá)式為：

定義信息交互系統(tǒng)的5G 信號(hào)的FM 頻率調(diào)制指數(shù)βf：

式中：W為5G信號(hào)的帶寬，?fmax為最大的頻率偏移量[3]，得到考慮頻率偏移的調(diào)制信號(hào)：

式中，Jn(v)為頻率偏移函數(shù)。

圖4 為5G 通信信號(hào)AM 和FM 調(diào)制的波形示意圖。

圖4 5G 通信信號(hào)AM 和FM 調(diào)制的波形示意圖Fig. 4 Waveform diagram of AM and FM modulation of 5G communication signal

可知，AM 調(diào)制使原始信號(hào)的幅值出現(xiàn)明顯的變化，F(xiàn)M 調(diào)制使原始信號(hào)的頻率發(fā)生明顯變化，幅值基本不變。

3.2 船舶遠(yuǎn)程航行信息交互系統(tǒng)的5G 信號(hào)模式識(shí)別研究

針對(duì)船舶遠(yuǎn)程航行信息交互系統(tǒng)的5G 信號(hào)模式識(shí)別問題，本節(jié)結(jié)合BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行研究，將5G 通信調(diào)制信號(hào)的識(shí)別分為樣本訓(xùn)練過程和信號(hào)識(shí)別過程2 個(gè)階段[4]。

基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的信號(hào)識(shí)別流程如圖5 所示。

圖5 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的信號(hào)識(shí)別流程圖Fig. 5 Signal recognition flow chart of BP neural network algorithm

調(diào)制后的5G 信號(hào)表示為：

式中：x(t)為5G 信號(hào)的實(shí)部，y(t)為5G 信號(hào)的虛部，虛部與實(shí)部相互正交，可得5G 信號(hào)的瞬時(shí)特征如下：

1）信號(hào)瞬時(shí)幅度特征為：

2）信號(hào)的瞬時(shí)相位分量為：

相位去卷疊是調(diào)制信號(hào)識(shí)別的重要環(huán)節(jié)，信號(hào)相位加上修正分量C(i)并不能直接得到正確的瞬時(shí)相位分量，引入相位修正序列如下式：

相位信息：

式中：fc和fs分別為載波頻率和采樣頻率。

此時(shí)，被識(shí)別信號(hào)的瞬時(shí)頻率特征為：

本節(jié)基于Matlab 軟件進(jìn)行船舶遠(yuǎn)程航行信息交互系統(tǒng)的5G 信號(hào)識(shí)別仿真，部分仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)表Tab. 1 Simulation parameter table

在Matlab 中分別得到5G 通信信號(hào)的信噪比和誤碼率曲線如圖6 所示?？芍?，經(jīng)過信號(hào)調(diào)制后，信號(hào)的誤碼率明顯降低。

圖6 Matlab 中5G 通信信號(hào)的信噪比和誤碼率曲線Fig. 6 Signal to noise ratio and bit error rate curves of 5G communication signals in matlab

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)船舶遠(yuǎn)程航行信息交互系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)制與識(shí)別技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合5G MIMO 技術(shù)和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，針對(duì)AM 和FM 信號(hào)調(diào)制下的5G 信號(hào)進(jìn)行識(shí)別研究，并結(jié)合Matlab 進(jìn)行船舶5G 通信的性能仿真。