基于CRC纠错与迭代干扰消除的星载AIS接收机*

孙　乾，张陶盛，李洪星，杨　峰，钱　良 ，丁良辉

(1.上海交通大学 电子工程系,上海 200240;2.上海航天电子技术研究所,上海 201109)



基于CRC纠错与迭代干扰消除的星载AIS接收机*

孙乾**，张陶盛1，李洪星2，杨峰1，钱良1，丁良辉1

(1.上海交通大学 电子工程系,上海 200240;2.上海航天电子技术研究所,上海 201109)

为了提升星载船舶自动识别系统(AIS)的卫星接收性能，提出了一种采用4 b循环冗余校验(CRC)纠错与迭代干扰消除算法的星载AIS接收方案。针对星载AIS系统中多路信号碰撞明显的情况，首先，通过分析星载AIS系统中CRC错误类型，采用比特反转的方式进行纠错;其次，对纠错后的序列进行AIS数据重构，采用迭代干扰消除方法消除重构信号，并将余下信号作为输入信号再次进入系统进行解调。仿真结果表明，和传统的CRC纠错系统相比，针对典型的两路信号碰撞情况，基于4 b CRC校验与迭代干扰消除的星载AIS系统能够带来1～2 dB的误码率增益，对星载AIS系统的性能提升有重要指导意义。

星载AIS；Viterbi解调；信号重构；CRC纠错；迭代干扰消除

1　引　言

船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)实现了不同船只和船岸之间的互相通信，在海洋航运方面得到了广泛应用。由于更广阔海域范围内的AIS应用需求增加，星载AIS成为航运系统的研究热点之一。然而，卫星覆盖面积广、距离地面高等特点导致其不可避免地存在时延大、多普勒频偏大等问题。同时，由于卫星覆盖范围大，卫星会接收到多个同频段信号，发生信号碰撞[1]。因此，在有信号碰撞的情况下如何提升解调性能，成为星载AIS接收应用的难点之一。

传统的低成本星载AIS接收方案主要基于2 b差分解调器[2]，其优势在于实现简单，并且受载频相位错误影响小。但是由于星载AIS存在同频信号干扰，2 b差分解调器解调效果不够理想。文献[1]采用最大似然检测相干解调方案解决此问题，虽然能有效改善解调性能，但是要求接收端恢复出一个与调制载波严格同步的相干载波，实现难度大。文献[3]提出基于Laurent分解的非相干维特比解调方案，这种方案不需要进行载波的精确恢复，同时能够获得接近文献[1]的解调效果。

研究发现循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)不仅能够用于校验错误，还具有一定的纠错能力，因此文献[4]在文献[3]的基础上加入2 b CRC纠错使得性能提升，但是其在低信噪比下的解调效果不够理想，在信干比为5 dB、信噪比15 dB时的丢包率仍然在10-1量级，无法满足实际应用中的解调需求。

本文研究发现AIS解调信号的比特错误模式大部分为连续的2 b及4 b错误。因此，本文提出在2 b CRC纠错[4]的基础上加入4 b纠错功能进一步提升系统性能。同时，迭代作为通信系统中一种常见的改进措施普遍应用于Turbo解码，碰撞干扰消除，并在不同场景下均能带来0.2～2 dB的增益[5]。本文据此提出一种基于迭代干扰消除的方案，在解调出其中一路信号后，利用迭代干扰消除消去干扰信号，重复以上步骤至各路信号均完成解调。两种改进措施使得性能有1～2 dB的提升。

2　AIS信号模型

2.1AIS信号

AIS信号遵守时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)规则，1 min时间长度被划分为2 250个时隙，每一帧相当于一个时隙，每帧信号包含256 b，每个时隙大约26 ms，调制速率为9.6 kb/s。

AIS帧结构如表1所示，其中数据位(Data)长度168 b，表示真正传输的数据内容;FCS代表帧校验序列，采用CRC进行误码检测。

表1　AIS信号帧结构

AIS信号采用高斯最小频移键控(Gaussian Filtered Minimum Shift Keying,GMSK)调制方式，经过调制后的GMSK信号表达式如下[4]：

(1)

式中：Es代表每个信息码元的能量；T代表码元周期；调制系数h=1/2；{ai}代表二进制码元序列；q(t)代表相位冲激响应，如下式所示：

(2)

其中f(t)满足以下条件：

f(t)=f(LT-t)；

(3)

(4)

式中：t∈(0,LT)，L是信号关联长度。

2.2AIS信号分解

Laurent在文献[6]中提出任意二进制恒幅调相信号均可由一系列脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)信号表示，而AIS信号调制类型为GMSK，属于二进制恒幅调相信号，可以对其进行Laurent分解，并进行Viterbi解调，这种方式可以减小解调算法复杂度。

根据文献[6]，式(1)展开为一系列PAM波形[4]，信号能量主要集中在第一个脉冲波形C0中，因此可简化为

(5)

其中b0,n可以根据下式递归计算：

bn,0=janbn-1,0；

(6)

bn-1,0=ej∅n。

(7)

卫星相对船只做高速运动，因此产生较大的多普勒频偏，根据文献[7]，对于单通道卫星解调算法2 kHz是解调算法的最大值，超过2 kHz通过多通道解调实现，并且由于不同船只到卫星的距离不同，多个信号到达卫星的时间也会存在较大相对时延。虽然存在多个信号混叠的情况，但是最常见的是两路信号混叠情况，所以本文只考虑两路信号碰撞场景。根据式(5)建立两路信号混叠数学模型：

s(t)=s1(t)+s2(t)=

(8)

3　基于CRC纠错与迭代干扰消除的接收机方案设计

本文提出的针对两路冲突信号的星载AIS接收机框架如图1所示，主要由解调器、校验纠错模块与信号重构模块组成。

图1　AIS接收系统框架

3.1CRC纠错

3.1.1CRC错误类型分析

本文对两路信号混叠情况下的解调性能进行仿真，并统计每种错误比特个数在总的错误情况中所占百分比。信干比(强信号比弱信号)为5 dB、相对时延40 b、相对频偏-375 Hz的统计结果如图2所示，不同信噪比对应的误码率如表2所示。可以看出：不同信噪比下，两路信号中1 b错误和3 b错误在全部错误情况中占比始终很低；相反，2 b错误在总的错误情况中占比不断增加，同时第一路强信号4 b错误在10～14 dB等相对较低的信噪比情况下占总错误比例维持在20%以上，第二路弱信号4 b错误在信噪比高于12 dB之后占总错误比例一直大于30%。因此，在已有2 b纠错的基础上有必要加入4 b纠错算法提升解调性能。

图2　不同错误比特个数所占百分比

SNR/dB误码率Signal1Signal2100.05190.1197110.03530.0705120.02400.0416130.01740.0289140.00930.0158150.00640.0111160.00350.0063170.00220.0040180.00150.0025190.000780.0019200.000620.0013

3.1.24 b CRC纠错算法

文献[4]指出，在高信噪比下解调结果会存在2 b连续错误，由于AIS信号使用差分编码，输出解调结果错误会变成“错对错”(简写为WCW)的形式。

本文对图2示例中4 b错误形式进行分析，发现4 b错误中大部分是两组“错对错”的形式。不同信噪比下，两组“错对错”的形式在两路信号中占4 b总错误比例基本都在90%以上，如图3所示。

图3　两组WCW形式在4 b错误包所占比例

基于以上特征，为了兼顾性能提升和降低算法复杂度,我们采取比特反转(将0变成1，将1变成0)的方式进行纠错，即从头开始首先纠正一组“错对错”，然后从第一组位置后面开始依次纠正第二组“错对错”的错误对，并依次将结果进行CRC校验。如果CRC校验通过，则说明两对“错对错”均得到正确纠正，否则继续上述遍历过程。算法的伪代码描述如下：

4比特CRC纠错算法

FOR i from0 to 181

反转接收结果Result_dec中的第i和i+2位

FOR j from i+1 to 182

反转Result_dec中的第j和j+2位

翻转后结果进行CRC校验

If CRC校验值为0

Return 纠错后结果Result_dec；

End if

End FOR

3.2信号重构与迭代干扰消除

3.2.1单次干扰消除性能分析

第一次解调时，相对第二路信号s2(t)，干扰信息为信号s1(t)和噪声ε(t)，所以有用信息和干扰信息加噪声的平均功率比(CINR)如式(9)所示：

(9)

式中：

(10)

(11)

(12)

（66）绒苔 Trichocolea tomentella（Ehrh.）Dumort.杨志平（2006）；李粉霞等（2011）；余夏君等（2018）

(13)

(14)由此可见第二路弱信号s2(t)的CINR得到提升,因此第一次干扰消除之后，能够成功解调出s2(t)信息。

3.2.2迭代干扰消除性能分析

(15)

(16)

变为

(17)

4　仿真结果与分析

本节对上文提出的4 b CRC纠错算法及迭代算法进行仿真，针对不同时延、不同频偏、不同信干比的情况也分别进行仿真对比。

4.14 b CRC纠错性能仿真

保持信干比、时延、频偏不变，在不同的信噪比下对采用4 b CRC纠错算法、2 b纠错算法以及不使用CRC纠错算法的方案进行仿真对比，结果如图4所示。

图4　4 b CRC纠错BER性能

由图4可知，相比采用2 b CRC纠错算法的方案，加入4 b纠错算法后，两路信号的解调性能均有不同程度的提升。结合图2可知，随着信噪比的提升，2 b及4 b错误之外的多比特错误占比逐渐下降，因此4 b纠错算法对性能的改善效果逐渐提升，在误码率为2×10-3时，两路信号性能增益约为0.8 dB。相比未采用CRC纠错算法的方案，加入4 b纠错算法带来的解调性能提升更为明显，误码率为2×10-3时，第一路强信号性能增益约为2 dB，第二路弱信号性能增益约为1.6 dB。

4.2迭代干扰消除性能仿真

为了说明迭代干扰消除算法对解调性能的影响，我们首先分析不含纠错算法下迭代干扰消除性能，仿真方法同4.1节，结果如图5所示。根据3.2节知迭代算法能提高两路信号的CINR，仿真结果证明迭代干扰消除在误码率为1×10-2时可以为第一路强信号和第二路弱信号的解调性能带来0.4 dB左右的改善。

图5　迭代算法仿真结果

综合考虑4 b CRC纠错和迭代算法的解调性能对比如图6所示。观察仿真结果可以发现，性能改善趋势和图5类似，但是在迭代算法的优化下改善效果明显提升，例如：在误码率为1×10-3时第一路强信号性能得到1.5 dB提升，第二路弱信号解调性能得到2.2 dB提升。两种改进措施彼此产生了很好的协同效果。

图6　改进方案对比结果

4.3系统性能仿真

为了说明本文提出的改进方案在不同时延、频偏、信干比下的解调效果，我们分别在不同时延、不同频偏、不同信干比情况下保持其余参数不变情况下进行仿真，由于卫星通信信噪比很高，因此我们选取信噪比为14 dB和18 dB给出仿真结果。

4.3.1时延影响分析

保持频偏、信干比不变，本文提出的改进方案和未采用改进措施的方案在不同时延下的性能对比如图7所示，仿真结果说明本文提出的改进方案在不同时延下均能带来解调性能改善。信噪比为14 dB、时延为60 b时，本文提出的改进措施使得第一路强信号的误码率从6×10-3减少至3×10-3，第二路弱信号的误码率从1.5×10-2减少至9×10-3;信噪比为18 dB时，误码率的改善更为明显，第一路强信号误码率在时延为60 b时，从5×10-4下降至2×10-4，误码率减少了60%，第二路弱信号误码率也减少了20%。同时，结果表明时延大小对解调性能影响较小。

(a)SNR=4 dB

(b)SNR=18 dB

4.3.2频偏影响分析

在保持时延、信干比不变的情况下，本文提出的改进方案在不同频偏下的性能对比如图8所示。仿真结果说明本文提出的改进方案在不同频偏下均能带来性能提升。信噪比为14 dB、频偏1 000 Hz时，第一路强信号的误码率从4×10-3下降至1.8×10-3，误码个数减少约50%，第二路弱信号误码率从1×10-2下降至6×10-3，误码个数减少约40%；在信噪比为18 dB时，本文提出的改进措施同样使两路信号的误码个数减少了20%～40%。

(a)SNR=14 dB

(b)SNR=18 dB

4.3.3信干比影响分析

保持频偏、时延不变，本文提出的改进方案和原方案在不同信干比下的性能对比如图9所示，仿真结果说明本文提出的改进措施在不同信干比下均能带来解调性能提升。第一路强信号的解调误码率随信干比的增加而降低，但是信干比的增加代表第一路强信号和第二路弱信号的功率比逐渐增加，第一路信号的能量逐渐增强，第二路信号的能量逐渐减弱，因此第二路弱信号的解调误码率在不同信干比下呈现先下降后上升的趋势。同时,信噪比为14 dB时，随着信干比的增加，本文提出的改进措施为第二路弱信号带来的性能增益逐渐减少;信噪比为18 dB时，改进措施仍能使相同信干比下第二路弱信号的误码率减少20%～40%。

(a)SNR=14 dB

(b)SNR=18 dB

5　结束语

本文提出了一种改进的星载AIS系统高性能接收方案。从AIS信号模型出发，通过采用4 b CRC纠错及迭代干扰消除改进了原有的解调方案，并针对实际工程中比较常见的两信号碰撞的情况进行了计算机仿真。结果表明，对比没有采用CRC纠错方案的系统，该方案在不同功率比、不同时延以及不同频偏的情况下均能较大改善两路信号的解调性能，而且该方案算法复杂度不高，适用于星载AIS工程实现，具有很好的应用前景。影响系统解调性能的因素有许多，通过从CRC纠错方向来提高星载AIS系统性能是一种解决方案，同时也可以对系统接收机的解调算法进行深入研究来提高系统性能。

[1]CERVERA M A,GINESI A,ECKSTEIN K.Satellite-based vessel automatic identification system:a feasibility and performance analysis[J].International Journal of Satellite Communications & Networking,2011,29(2):117-142.

[2]HICKS J E,CLARK J S,STOCKER J,et al.AIS/GMSK receiver on FPGA platform for satellite application[J].Proceedings of SPIE,2005,5819(1):403-414.

[3]BURZIGOTTI P,GINESI A,COLAVOLPE G.Advanced receiver design for satellite-based automatic identification system signal detection[J].International Journal of Satellite Communications & Networking,2012,30(2):52-63.

[4]COLAVOLPE G,FOGGI T,UGOLINI A,et al.A highly efficient receiver for satellite-based automatic identification system signal detection[J].International Journal of Satellite Communications & Networking,2014,30(2):120-127.

[5]YANG R H H,CHERN S J,HSU Z Y.Differential detection of serially concatenated precoded GMSK with iterative decoding[C]//Proceedings of 2007 IEEE Wireless Communications and Networking Conference. Hong Kong:IEEE,2007:698-703.

[6]LAURENT P. Exact and approximate construction of digital phase modulations by superposition of amplitude modulated pulses(AMP)[J].IEEE Transactions on Communications,1986,34(2):150-160.

[7]LAN W T,ZHANG T S,GUO M R,et al.A pipelined synchronization approach for satellite-based automatic identification system[C]//Proceedings of 2016 IEEE International Conference on Communications.Kuala Lumpur,Malaysia:IEEE,2016:1-5.

孙乾(1991—)，男，山东菏泽人，2016年于上海交通大学获硕士学位，主要研究方向为卫星导航技术、无线信号传输技术等；

SUN Qian was born in Heze,Shandong Province,in 1991.He received the M.S.degree from Shanghai Jiaotong University in 2016.His research concerns satellite navigation technology and wireless signal transmission.

Email：sunqiansjtu@163.com

张陶盛(1991—)，男，湖北荆州人，2010年于湖北大学获学士学位，现为硕士研究生，主要研究方向为卫星导航技术；

ZHANG Taosheng was born in Jingzhou,Hubei Province,in 1991.He received the B.S.degree from Hubei Province in 2010.He is now a graduate student.His research concerns satellite navigation technology.

Email：zhangtaosheng@sjtu.edu.cn

李洪星(1977—)，男，山东微山人，2010年于上海交通大学获博士学位，现为高级工程师，主要研究方向为卫星导航技术；

LI Hongxing was born in Weishan,Shandong Province,in 1977.He received the Ph.D.degree from Shanghai Jiaotong University in 2010.He is now a senior engineer.His research concerns satellite navigation technology.

杨峰(1978—)，男，北京人,2007年于上海交通大学获信息与通信系统专业工学博士学位，现为上海交通大学副教授，主要研究方向为导航技术、高速无线视频传输技术;

YANG Feng was born in Beijing，in 1978. He received the Ph.D. degree from Shanghai Jiaotong University in 2007. He is now an associate professor. His research concerns navigation technology and high-speed wireless video transmission.

Email:yangfeng@sjtu.edu.cn

钱良(1974—)，男，上海人,2004年于上海交通大学获信息与通信系统专业工学博士学位，现为上海交通大学电子工程系副教授，主要研究方向为多维信号和信息实时智能处理、复杂无线系统集成及链路协同信息处理、高动态抗干扰信号处理等；

QIAN Liang was born in Shanghai,in 1974. He received the Ph.D. degree from Shanghai Jiaotong University in 2004. He is now an associate professor. His research concerns real-time multi-dimensional signal processing,complex wireless communication system integration,data link cooperative information processing and dynamic anti-interference signal processing.

Email:lqian@sjtu.edu.cn

丁良辉(1981—)，男，江苏东台人，2008年于上海交通大学获信息与通信系统专业工学博士学位，现为副教授，主要研究方向为无线自组织网。

DING Lianghui was born in Dongtai,Jiangsu Province,in 1981. He received the Ph.D. degree from Shanghai Jiaotong University in 2008. He is now an associate professor.His research concerns wireless ad hoc networks.

Email:lhding@sjtu.edu.cn

The National Natural Science Foundation of China(No.61301117,61420106008)

A Satellite-borne AIS Receiver Based on CRC Error Correction and Iterative Interference Cancellation

SUN Qian1,ZHANG Taosheng1,LI Hongxing2,YANG Feng1,QIAN Liang1,DING Lianghui1

(1.Department of Electronic Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China;2.Shanghai Institute of Aerospace Electronics Technology,Shanghai 201109,China)

In order to improve the receiving performance of satellite-borne automatic identification system(AIS),this paper presents an AIS receiving scheme based on 4-bit cyclic redundancy check(CRC) error correction and iterative interference cancellation. For multi-path signal collisions of satellite-borne AIS,the CRC error types of the system are firstly analyzed and the error correction method by means of bit reversal is adopted to correct the binary sequence;then the sequence is reconstructed to the AIS signals which will be eliminated by iterative interference cancellation method and the remaining signals are input to the system as the input signal again. Simulation results show that compared with traditional non-CRC correction system,the 4-bit CRC error correction and iterative interference cancellation scheme can provide 1～2 dB gain for two collided AIS signals,which has important significance to the performance improvement of satellite-borne AIS.

satellite-borne AIS;Viterbi demodulation;signal reconstruction;CRC error correction;iteration interference cancellation

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.10.014

2015-12-08；

2016-06-08Received date:2015-12-08；Revised date：2016-06-08

基金名称：国家自然科学基金资助项目(61301117,61420106008)

TN850

A

1001-893X(2016)10-1140-07

引用格式：孙乾，张陶盛，李洪星,等.基于CRC纠错与迭代干扰消除的星载AIS接收机[J].电讯技术，2016,56(10):1140-1146.[SUN Qian,ZHANG Taosheng,LI Hongxing,et al.A satellite-borne AIS receiver based on CRC error correction and iterative interference cancellation[J].Telecommunication Engineering,2016,56(10):1140-1146.]

**通信作者：sunqiansjtu@163.comCorresponding author：sunqiansjtu@163.com1