面向海上安全信息广播系统的波形关键技术研究

张玖鹏，张洪铭，彭木根

(北京邮电大学 信息与通信工程学院，北京100876)

0 引言

近年来，随着海洋经济的迅猛发展，世界范围内的海事活动日趋频繁。建立高效可靠的海上信息安全服务系统，为海上航行船舶提供实时准确的安全信息服务，对保障海上从业人员的生命财产安全具有重要意义。新一代海上安全信息播报系统海上数字广播(Navigational Data，NAVDAT)是一种岸基数字广播系统，可以播发海上航行所需的安全信息[1-2]。NAVDAT系统采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)作为无线链路传输的关键技术，以实现高速数据传输。当前学界关于NAVDAT系统的研究多集中在站台播发调度、硬件实现等方面，对于NAVDAT系统波形的增强研究稍显不足。目前，传统OFDM波形固有的带外辐射大、对频率偏移敏感等问题,一定程度上制约了NAVDAT系统性能的进一步提升。

针对上述问题，研究者们在面向未来移动通信技术的研究中提出了许多波形方案，包括滤波器组多载波(Filter Bank Multicarrier，FBMC)[3]、广义频分复用(Generalized Frequency Division Multiplexing，GFDM)[4]以及通用滤波多载波(Universal Filtered Multicarrier，UFMC)[5]。这些方案在一定程度上解决了传统OFDM面临的带外辐射严重及其他问题，在学界引起了诸多关注与讨论，有望成为未来NAVDAT系统性能提升的可选参考方案。通过对NAVDAT系统的调研以及对上述三种波形方案的分析，本文讨论了将上述波形应用于NAVDAT系统的可行性，并通过仿真实验的方式进行了验证。结合仿真结果，本文对将上述三种波形应用于NAVDAT系统的优缺点及面临的挑战进行了总结，并给出未来研究方向。

1 NAVDAT系统简介

海上通信在海洋经济、海洋军事、海洋生态保护等方面具有广阔的应用场景。在海洋安全信息播报方面，传统的奈伏泰斯系统难以满足高速数据传输的需求，因此，新一代海上无线数字广播系统NAVDAT应运而生。NAVDAT是一种岸基数字广播系统，可以播发航行安全、海盗预警、海上搜救、气象海况、导航和船舶交通管理等当前海上航行所需的各类信息，传输的消息类型包括文本和图像等[6]。相较于奈伏泰斯系统，NAVDAT具有更高的数据传输速率，可以满足大部分海上安全信息传输需求。

NAVDAT系统最早提于21世纪初，主要针对传统奈伏泰斯系统速率不足的问题。2006—2012年间，部分欧洲国家最先展开了对NAVDAT技术的研究，并对其可行性进行了论证，形成了较为成熟的技术方案。2012年举行的世界无线电通信大会正式将中频(Medium Frequency，MF)频段中的495～505 kHz频段规定为NAVDAT系统的专属频段[7]。在2013年的国际海事组织无线电通信与搜救分委会会议上，NAVDAT被列为全球海上遇险与安全系统(Global Maritime Distress and Safety System，GMDSS)的参考技术，成为GMDSS现代化的一项参考方案。2014年，为满足高速数据传输的要求，国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)对NAVDAT系统做出了补充，建议了高频(High Frequency，HF)频段中6个10 kHz带宽的可用频段，如表1所示。无线传输方面，如图1所示，NAVDAT系统主要采用海洋表面波和天波两种传输方式。在500 kHz的MF频段，主要以表面波传输为主；在4～30 MHz的HF频段，两种传输方式通常是共存的。特别的，对于3～6 MHz的HF频段，可以利用近垂直入射天波补充覆盖盲区。得益于天波和表面波的传输特性，NAVDAT可以实现超视距的远距离传输。根据ITU基于实测结果的计算，位于中国花鸟岛和丹麦哥本哈根的NAVDAT系统的传输距离分别可达365.6 n mile和391 n mile[7]。

表1 HF频段NAVDAT系统频谱使用

图1 NAVDAT广播远距离传输Fig.1 Long-range transmissions for NAVDAT brodcasting

NAVDAT广播有两种工作方式:一种是与现行奈伏泰斯系统类似的分时隙广播;另一种是采用世界数字无线电广播(Digital Radio Mondiale，DRM)系统支持的单频网络(Single Frequency Network，SFN)模式，通过单一频率覆盖某一国家和地区，可以完全覆盖单个时隙，有效提高频谱效率并释放广播时隙[1]。NAVDAT在海上安全信息广播方面具有十分重要的应用价值，根据国际海事组织的建议，NAVDAT系统应当由信息中心、岸基发射台和船载接收机组成，本文的研究聚焦于从发射台到接收机的物理层无线链路。

2 NAVDAT中的OFDM技术

NAVDAT系统采用OFDM技术进行无线传输，通过将高速串行数据信号转换成并行低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输，实现了高速数据传输。相较于奈伏泰斯系统100 bit/s的速率，NAVDAT的数据速率可以达到25 kbit/s，提高约250倍。

2.1 OFDM的调制与解调

如图2所示，NAVDAT系统采用经典OFDM收发架构。

图2 OFDM收发机示意图Fig.2 Illustration of the OFDM transceiver diagram

其中，输入比特流经过符号映射得到第m个OFDM符号周期内的K个子载波符号{dm,k}，并通过串并变换分配到K个并行子载波上，为保证子载波之间的正交性，子载波间的频率间隔Δf应设为OFDM符号周期Ts的倒数。OFDM的调制和解调过程可以用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)对实现，如式(1)所示：

(1a)

(1b)

式中，xm[n]与ym[n]分别表示第m个OFDM符号周期内插入循环前缀前的发射信号序列和去除循环前缀后的接收信号序列。文献[7]对NAVDAT所用OFDM技术给出了4种工作模式的建议，对应4种频谱占用，如表2所示。

表2 NAVDAT系统不同工作模式下的频谱占用

此外，对于子载波数不满足2的整数次幂的情况，可进行补0处理，不额外占用实际通信带宽。在符号映射方面，NAVDAT采用正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)，有4-QAM、16-QAM和64-QAM三种映射方式，可以依据通信速率需求选择。为提高NAVDAT系统对抗海上多径效应的能力，OFDM符号间应插入保护间隔。在多径信道下，通常采用循环前缀作为保护间隔，在克服OFDM符号间干扰的同时，可以保证子载波之间的正交性。ITU为NAVDAT系统建议的保护间隔长度为2.66 ms[7]，对应于NAVDAT信道的时延扩展。

2.2 NAVDAT信道模型

表3 NAVDAT系统仿真信道参数

在无线电噪声方面，ITU通过测量分析了NAVDAT接收端无线电噪声的组成，主要分为大气噪声、人为噪声和天体噪声三大类，其中天体噪声通常出现在HF及更高频段，对MF频段几乎没有影响。上述噪声通常呈现出区域及季节性的变化，需要对发射功率进行合理设置及调整。根据ITU建议，NAVDAT接收端信噪比理想范围为14～26 dB[7]。

2.3 NAVDAT物理层技术总结

NAVDAT采用OFDM技术进行传输，在有效抵抗多径干扰的同时提高了海上安全信息播报的数据速率。然而，目前海上MF及HF频段存在着奈伏泰斯、数字选择性呼叫等多种海上广播及通信业务，这要求NAVDAT广播必须尽可能避免对相邻频段的干扰。但是由于OFDM的带外辐射较大，使得NAVDAT系统通常需要一段较宽的邻频保护带[1]，这制约了NAVDAT可用频谱的拓展。另外， NAVDAT信道具有较大的多径时延扩展，使得每个OFDM符号前都需要添加2.66 ms的保护间隔，降低了信息播发的频谱效率。最后，考虑到电离层移动带来的频率偏移问题， OFDM对频率偏移的敏感使得NAVDAT接收机需要进行高精度的频率校正，为NAVDAT接收机的设计带来挑战。

3 未来移动通信参考波形概述

本节针对NAVDAT系统采用传统OFDM带来的不足，介绍了三种未来移动通信参考波形,分别是FBMC、GFDM和UFMC，描述了其调制和解调原理，并对其优缺点进行了分析和总结。

3.1 FBMC基本原理

FBMC的概念最早于上世纪60年代由Saltzber和Chang提出[10-11]，是多载波技术的一种。如图3所示，不同于传统OFDM所采用的矩形滤波器，FBMC采用基于原型滤波器构建的滤波器组，原型滤波器通常采用来自PHYDYAS项目的PHYDYAS滤波器[3]，能够有效抑制带外辐射。采用PHYDYAS原型滤波器的FBMC滤波器组频率响应如图3(b)所示。

(a) 传统OFDM滤波器组频率响应

(b) FBMC滤波器组频率响应

FBMC可以抑制带外辐射，但会破坏子载波之间的正交性，产生子载波间干扰，需要通过额外操作消除。得益于原型滤波器的低通特性，FMBC的子载波间干扰几乎只存在于相邻子载波之间。仅用奇数或偶数子载波可以消除载波间干扰，但会降低数据速率。为保证与OFDM相同的数据速率，FBMC引入了偏移正交幅度调制(Offset Quadrature Amplitude Modulation，OQAM)以消除相邻子载波间干扰。OQAM中子载波数据符号的虚部和实部在时间上被错位Ts/2(Ts表示多载波符号周期)，并在相邻子载波间引入π/2的相位旋转。这样，具有偶数索引的子载波携带数据符号的实部，奇数索引的子载波携带数据符号的虚部。在解调时，可以通过实部和虚部的分别处理来去除干扰项。FBMC-OQAM的基带发射端架构如图4所示。

图4 FBMC发射机示意图Fig.4 Illustration of the FBMC transmitter diagram

图4中，m表示当前符号周期，第k个子载波上的滤波器冲激响应Cm,k[n]可以表示为：

(2)

(3)

在FBMC的接收端，通常需要先对信号进行均衡，如采用迫零均衡等信道均衡技术。之后经过一个与发射端滤波器组匹配的接收滤波器组，得到解调信号。

3.2 GFDM基本原理

GFDM[4]是一种灵活的多载波调制技术。在传统OFDM中，每个OFDM符号周期内的K个子载波符号{dm,k}被分别调制，而GFDM则将所有子符号包含的子载波符号组成GFDM符号块一同调制。设子载波数和子符号数分别为K和M，调制信号可以表示为：

(4)

其中，Cm,k[n]为滤波器的冲激响应，可以表示为：

(5)

其中，N=MK，p[n]为原型滤波器的冲激响应。与FBMC相似，GFDM也使用了多载波滤波器组，可以有效降低信号的带外辐射。另外，GFDM通过循环滤波器构建信号，使得信号波形呈现循环特性，可以使用循环前缀来抵抗多径干扰。与传统OFDM不同，GFDM以M个子符号为单位添加循环前缀，相较于传统OFDM可以有效提升频谱效率。GFDM的调制过程可以通过矩阵形式表示为：

(6)

图5 GFDM收发机示意图Fig.5 Illustration of the GFDM transceiver diagram

3.3 UFMC基本原理

UFMC[12]技术是5GNOW项目的研究成果之一，被认为是FBMC与传统OFDM方案的折中，其灵活可变的多载波方案使其能够适配多种业务场景。在UFMC系统中，K个子载波被划分为B个子带，每个子带包含的载波数可以根据场景需求进行灵活设置。在UFMC的调制过程中，K个子载波符号{dk}被分配到B个子带上，每个子带上的子载波符号做NF点IFFT变换得到时域信号,每个子带上的时域信号可以表示为：

(7)

式中，Ib为第b个子带的起始索引，Lb为第b个子带的子载波数量。经过IFFT后，每个子带输出的时域信号需要经过滤波器滤波：

(8)

式中，“*”表示卷积运算，qb[n]表示第b个子带滤波器的冲激响应，其长度可以根据业务需求灵活选择，较长的长度可以增强系统稳定性，较短的长度则可以降低处理时延。UFMC基带收发端架构如图6所示。

图6 UFMC收发机示意图Fig.6 Illustration of the UFMC transceiver diagram

3.4 未来移动通信参考波形性能总结

本节对讨论的UFMC、GFDM和FBMC三种未来移动通信参考波形的性能进行了总结，如表4所示，并分析了其应用于NAVDAT系统的优势和不足。

表4 参考波形性能对比

FBMC由于对每一个子载波都进行了滤波，具有较好的抑制带外辐射的能力，能够减少NAVDAT系统邻频保护带的宽度，扩展可用频谱。滤波器的使用也增强了FBMC对抗频率偏移的能力，可以提升NAVDAT接收机的性能。另外，由于不使用循环前缀，FBMC在处理长数据流时可以获得较高的频谱效率，使得其在NAVDAT系统长数据流通用广播场景中具有一定的应用前景。但是FBMC也存在着不足，例如FBMC滤波器长度较长导致符号周期变长，使得其在处理短数据流时，在相当一段时间内没有有效信号传输，造成频谱效率下降，使得FBMC难以在以短数据流为主的突发紧急广播中发挥优势。

GFDM使用了循环前缀，所以保留了一部分传统OFDM的优点，可以方便地进行信道均衡等工作。更重要的是，GFDM具有灵活的块调制结构，能够兼顾频谱效率和处理时延。此外，GFDM与现有4G技术具有很好的兼容性，便于NAVDAT系统的升级换代。然而，由于非正交的设计，GFDM存在着自干扰问题。GFDM可以通过OQAM来实现正交性，但会导致系统兼容性问题。如何在不显著增加系统复杂度并且兼顾兼容性的前提下克服GFDM非正交的问题，仍是当前面临的一大挑战。

UFMC被认为是传统OFDM与FBMC的折中方案，在保留FBMC抑制带外辐射能力的同时，也避免了符号周期过长的问题。另外，UFMC灵活的子载波配置和滤波器选择也提高了UFMC对NAVDAT系统不同业务需求的适应能力。UFMC还可以通过调节子带配置获得与传统OFDM或FBMC相似的优点。然而，循环前缀的缺失使得UFMC接收端存在均衡和解调复杂度较大的问题。

矿体主要分布在内外接触带，矿床成因厘定为矽卡岩型。含矿岩性以透辉石矽卡岩和石榴石透辉石矽卡岩为主。矿体主要分布在3～16线间，东西长约500 m，南北宽约300 m，面积约0.15 km2。

4 仿真结果

本节介绍了未来移动通信参考波形在NAVDAT广播信道下的仿真结果，为其在NAVDAT系统中的应用提供了参考，仿真采用的滤波器设计及符号调制方式如表5所示。

表5 仿真所用滤波器设计及符号调制方式

其中，FBMC采用重叠因子A=4的PHYDYAS滤波器，GFDM采用滚降系数为R=0.1的根升余弦滤波器。UFMC的子带滤波器选用切比雪夫滤波器，面向MF和HF信道，UFMC的子带滤波器使用了两种不同的长度。

4.1 未来移动通信参考波形带外辐射对比

图7比较了传统OFDM以及FBMC、GFDM和UFMC等未来移动通信参考波形的带外辐射，采用68个子载波，使用汉宁窗作为窗函数进行功率谱计算。滤波器设计如表5所示，其中GFDM的子符号数为9。UFMC共有4个子带，每个子带包含17个子载波，切比雪夫滤波器旁瓣衰减为30 dB。根据文献[13]，使用时域加窗可以进一步降低GFDM系统的带外辐射，所以本文对文献[13]提出的UTW-GFDM的带外辐射抑制性能进行了仿真，作为参考。

图7 参考波形带外辐射对比Fig.7 Out-of-band emission comparison among waveform candidates

从图7所示仿真结果可以看出，传统OFDM由于使用矩形滤波器进行脉冲成型，导致频域频谱泄露严重。与之相反，FBMC对每一个子载波都采用了严格的低通滤波，具有最低的带外辐射。UFMC可以认为是FBMC与传统OFDM的折中方案，所以UFMC抑制带外辐射的性能介于UFMC和传统OFDM之间。GFDM也是基于滤波器组进行实现，所以其抑制带外辐射的性能也介于传统OFDM与FBMC之间。特别的，如图7中UTW-GFDM所示，通过时域加窗的方法降低带外辐射是可行的，但是也会带来较高的实现复杂度。

4.2 未来移动通信参考波形抗多径能力对比

图8和图9分别展示了传统OFDM以及FBMC、GFDM和UFMC等未来移动通信参考波形在前文中NAVDATMF和HF信道下的误比特率(Bit Error Ratio，BER)仿真结果。仿真共采用120个子载波，子载波频率间隔采用与NAVDAT系统相同的41.66 Hz，调制方式采用4-QAM，使用的滤波器种类如表5所示。另外，GFDM的子符号数设置为12，在接收端采用复杂度最低的匹配滤波接收机进行解调。UFMC共有12个子带，每个子带包含10个子载波，切比雪夫滤波器旁瓣衰减为40 dB。本部分仿真在已知信道状态信息且具有完美的频偏校正的前提下进行，为尽量保证在低复杂度下进行直观的性能对比，所有波形均仅采用简单的迫零均衡方法进行信道均衡，且不对符号间干扰进行额外处理。

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

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

从图8和图9所示仿真结果可以看出，在NAVDAT接收机14～26 dB的工作信噪比下，即使面向不对GFDM、UFMC和FBMC采用复杂均衡和解调手段的情况，也能获得与传统OFDM相似的BER性能，说明三种未来移动通信参考波形有效保留了传统OFDM的抗多径能力。需要注意的是，FBMC在低信噪比下的性能通常优于传统OFDM，但由于未对符号间干扰进行处理，导致在高信噪比条件下BER性能被抑制，呈现“性能平台”。同理，UFMC在多径信道下也存在着固有干扰的问题，这也是图中UFMC性能并不十分理想的原因。目前研究者们已经面向UFMC和FBMC分别给出了多种不同复杂度的固有干扰消除方案以进一步提高系统性能，在实际使用时可以根据业务需求灵活选择，本文仅验证未来移动通信参考波形在NAVDAT信道下的可行性，不对具体技术细节进行过多讨论。为进一步验证上述三种波形在NAVDAT信道下的可行性，本文对其采用16-QAM以及64-QAM调制方式下在MF信道中的BER性能进行了仿真评估，仿真结果如图10和图11所示。

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

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

从图11中可以看出随着调制阶数的增高，采用匹配滤波接收机的GFDM系统BER性能下降，这是因为随着调制阶数的升高，其对自干扰也更加敏感，正如前文中所述，匹配滤波接收机不能有效消除自干扰。可以通过降低GFDM滤波器滚降系数的办法来克服自干扰。将滚降系数降为R=0.01后的BER性能如图12所示。

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

通过图11与图12的对比可以看出，GFDM块内自干扰制约了采用匹配滤波接收机的GFDM系统性能。但在现实中，设计滚降系数为0.01的滤波器十分困难，而MMSE接收机虽然能对自干扰进行有效去除，却是以显著提升系统复杂度为代价的。

综上所述，FBMC、GFDM、UFMC三种波形在ITU建议的14～26 dB的信噪比范围内与传统OFDM性能相似，证明了上述三种波形应用于NAVDAT广播信道的可行性。

5 结束语

本文分析了FBMC、GFDM和UFMC三种未来移动通信技术参考波形，对其在NAVDAT广播信道下的可行性进行了仿真验证，探究了其应用于NAVDAT广播信道的优势及可行性。

首先，相较于传统OFDM，FBMC、GFDM和UFMC均能有效降低带外辐射，有利于拓展NAVDAT的可用频谱并减少对相邻频段的干扰。FBMC对每一个子载波采用了滤波器滤波，具有最低的带外辐射，对于扩展可用频谱、缓解海洋频谱紧张问题具有积极意义。在频谱效率方面，由于不采用循环前缀，FBMC在处理长数据流时可以显著提升频谱效率，在NAVDAT系统长数据流通用广播中具有较大的应用潜力。此外，GFDM由于能够以多个子符号为单位添加循环前缀，也是NAVDAT系统频谱效率提升的可选方案。在对抗电离层运动带来的频率偏移问题上，相较于传统OFDM、FBMC和UFMC具有更高的稳定性，然而UFMC通常需要较长的滤波器长度。

值得一提的是，UFMC和GFDM在设计上具有很大的灵活性。GFDM可以根据不同广播数据流的大小合理地选择块结构。UFMC则能通过改变滤波器参数动态地适应NAVDAT信道的变化，有效应对NAVDAT信道昼夜变化大、天波信道参数不稳定的问题。

但是要将上述波形应用于未来海上安全信息广播系统仍然面临着一些挑战。例如，FBMC虽然在长数据流广播中具有优势，但处理短报文紧急突发广播的能力尚显不足。另外，如何将FBMC采用的OQAM调制与现有通信体制兼容也是不小的挑战。GFDM非正交的问题也限制了其性能，目前仍难以实现在不提升复杂度且兼顾兼容性、带外辐射抑制能力的情况下实现GFDM的正交性。另外，上述三种波形均具有较高的峰均值比，这也制约了其在船载小型接收设备上的性能，也是未来值得研究的方向。