基于自适应空间调制的水上甚高频数据交换系统的关键技术研究

Considering of the particularity of offshore wireless channels, the importance of water VHF data exchange system (VDEs) for GMDSS modernization, the introduction of new modulation and demodulation technology, and the high transmission rate of voice / data / pictures / video, the water VDEs becomes a challenging research direction..In this project, the adaptive spatial modulation (SM) technique is used to study the high transmission rate, low error rate and low complexity of the transmitter’s modulation coding algorithms and the receiver’s detection algorithms for the VDEs in uncertain communication environment..Firstly, the VHF signal transmission model and the channel capacity are used to derive the VHF antenna distribution model and the boundary of multi-antenna numbers..Then, optimized coding algorithms with channel-variation robustness and transmit-bit flexibility are proposed by using link-adaptive SM technology; Using the MMSE criterion, some receiver detection algorithms with bit error rate and low complexity are generated..On the basics, the application of Generalized SM (GSM) technology generates the adaptive selection algorithm of GSM antenna candidate set to achieve the communication capacity and the transmission rate significantly improved..Finally, the project team has the water VDEs experimental platform to verify the effectiveness of the proposed modulation and detection algorithms based on link-adaptive SM.

近海无线信道的特殊性，水上VHF数据交换系统(VDEs)对于GMDSS现代化的重要性、引入新调制解调技术、传输语音／数据／图片／视频的强大功能，使得具有高传输速率的水上VDEs成为一个十分具有挑战性的研究领域。.本项目采用链路自适应的空间调制(SM)技术，研究不确定通信环境下水上VDEs系统高传输速率、低误码率、低复杂度的调制和接收检测技术。首先，利用VHF信号传输模型、信道容量推导VHF天线分布模型和多天线数目的边界。接着，利用链路自适应的SM技术提出具有信道变化鲁棒性、发射比特灵活的优化编码算法；利用最小均方误差准则，产生权衡系统误码率与低复杂度的接收机检测算法。在此基础上应用广义SM(GSM)技术产生GSM天线候选集方案的自适应选择算法，实现通信容量、传输速率的显著提升。最后，利用项目组已有水上VDEs实验平台，验证所提基于链路自适应SM的调制和接收检测技术的有效性。

水上VDEs通信系统的研究和发展能够满足海事、搜救等部门对水上生命安全业务相关的数据传输需求，还能满足港口作业及船舶调度管理等应用广泛的数据传输需求，为我国大力发展海洋经济、建设海洋强国、维护海洋权益的发展战略提供有力技术支撑和保障。.本项目的主要研究内容包括：.（1）水上通信模型的建立。采取BP神经网络算法建立更准确的动态通信模型，以传输距离为输入层，以频率、天线高度、海面的反射、空气吸收的损耗数值为输出层，建立了与实测数据高度拟合的基于BP神经网络损耗模型。.（2）VDEs系统发射机的相关研究。提出一种结合SBLA算法的自适应子带划分的多进制QAM调制算法(ASD-MQAM算法)，能够有效降低信号的误比特率、提高发射机的抗干扰能力、算法的复杂度也有明显下降。此外，考虑到VDEs系统中基于空间调制的发射机天线均采用相同的调制方式，会造成空间调制系统的弱干扰性，提出一种基于预编码技术的功率分配优化算法。通过采用数据绘图可视化分析、哈希查找方式以及注水算法，从而达到功率的合理分配，获得最佳传输效率。.（3）VDEs系统接收机的相关研究。提出利用OMP算法的最初解得到最大似然的代价函数，再以此代价函数作为球形半径建立低复杂度的球形译码算法（NCS-SD算法），进而为了在复杂度和BER性能之间取得一个平衡，通过设定两个边界值来限定搜索范围，在保证误码率的前提下，有效降低搜索次数。此外，采用空间调制的VDEs系统接收机存在信道状态信息估计错误的平台效应，提出一种基于最大最小距离的K均值聚类信号检测改进方法，在保证检测性能的前提下，该算法的复杂度有效下降。