0 引言

    隨著我國海上運輸及港口物流事業的迅速發展，數據通信逐漸成為支撐現代航運業的重要通信手段，甚高頻(VHF)頻段是沿海和內河航運的通信頻段^[1]。工作頻率范圍為156~174 MHz的傳統VHF通信技術作為近距離海上通信的主要手段，發揮了巨大的作用，可用于專門的遇險呼叫、DSC通信和AIS通信，發射功率不大于50 W。目前我國沿海共有VHF岸臺210座，其中有14個操作中心。但傳統VHF系統存在頻帶窄、通信容量小等缺陷，無法滿足日益增長的現代通信業務的需求^[2]。

    GMDSS復審和現代化作為國際海事組織(IMO)制定的未來海事通信重點發展內容之一，甚高頻數據交換系統(VDES)是其主要研究方向，部分國家已經開展VHF 海上數據通信試驗^[3]。新一代的水上寬帶甚高頻通信系統(Broadband Very High Frequency，B-VHF)對海上信息交換帶來新的革命，將為海上運輸安全提供有力保障。本文旨在驗證和分析新一代的水上寬帶VHF通信系統可以實現的性能。

1 水上寬帶甚高頻(B-VHF)通信系統

    2008年初國際電聯(ITU)正式發布水上VHF頻段無線電數字通信新技術的研究成果ITU-R M.1842號技術建議書《水上移動業務頻道交換數據和電子郵件的VHF無線電系統和設備的特性》，為VHF頻段水上移動業務數字系統的開發提供指南^[4]。2015年10月國際電信聯盟發布《水上移動頻段內的VHF數據交換系統的技術特性》，即《ITU-R M.2092-0建議書》^[5]，通過業務類型的不同，劃分為VDES的應用特定消息、VDES的地面部分通信、VDES的衛星下行鏈路三方面的技術特性要求和建議。由于現有的技術條件的限制和AIS數字信道面臨的壓力，地面VDES計劃被首先實施，甚至早于衛星設備資源獲取之前。通過運用現代高速寬帶數字通信的技術，可以提供一個高速的擁有更廣闊運用前景的高速VHF通信系統，如圖1所示。

    綜合《ITU-R M.2092-0建議書》的地面部分通信技術特性和《ITU-R M.1842-1建議書》附件4的要求，可以獲得用于水上移動業務數據和電子郵件交換的寬帶VHF無線電系統特性為：

    (1)發射類別應為100K0F1DDN。

    (2)頻段應滿足《無線電規則》（RR）附錄18腳注)規定的兩個相鄰頻道100 kHz的頻道要求，每頻道帶寬為25 kHz。

    (3)如ETSI標準EN 300 392-2 v.3.2.1(2007-09年)所述，系統應在100 kHz帶寬內包含32個功率相等的子載頻，每一個子載頻采用16-QAM調制，其數據速率（空中）為307.2 kb/s。

    本文按照上述水上B-VHF無線電系統特性要求，分析信道容量與發射機信噪比的關系、影響VHF信號傳輸距離的因素，以及誤碼率與接收機信噪比的關系。  2 水上B-VHF通信系統的性能分析

2.1 信道容量

    在評價無線信道時，信道容量是最重要的性能指標之一。信道容量描述的是在給定的信噪比和帶寬條件下，某一信道能可靠傳輸的信息速率極限。根據香農有噪信道編碼定理，系統傳輸速率只有在小于信道容量的前提下，才能實現無失真傳輸。根據香農公式，連續信道的信道容量為：

其中，C代表信道容量(bit/s)，N表示信道的加性高斯白噪聲功率，S表示信號的功率，ρ=S/N是信道的信噪比。式（1）表示的是單位時間內傳輸信息量的理論最大值。

    《ITU-R M.1842-1建議書》附件4建立的水上B-VHF通信系統的信道容量，即傳輸速率為307.2 kbit/s，信道帶寬為100 kHz，由此可得達到理論最大信道容量需要的無線信道的信噪比為：

2.2 傳輸距離

    傳播路徑損耗是決定無線電波傳輸距離的主要因素。考慮到水上甚高頻無線電波的頻率范圍是157~174 MHz、海岸電臺天線高度為20 m~60 m、船舶電臺天線高度為2 m~5 m，相當于工作在大蜂窩基站覆蓋開闊區域。因此本文選擇適用于基站天線高度高于其周圍建筑物、信號頻率范圍150~1 500 MHz 、基站天線高度為30 m~200 m、移動臺天線高度為1 m~10 m、收發天線間距離為1 km~20 km的Okumura—Hata模型，作為預測水上VHF頻段無線電波的傳播路徑損耗模型。由于水上甚高頻無線通信系統的工作環境在開闊水域區域，因此本文采用開闊水域的Okumura—Hata模型^[6]，則該模型的傳播路徑損耗公式為：

2.3 誤碼率

    最小距離d是表征系統抗誤碼率性能強弱的重要參數^[7]，d與抗誤碼率能力成正比例關系，即最小距離越大，誤碼率越低。在寬帶甚高頻通信系統中，發射機采用正交幅度調制(QAM)。不同階數(M)的正交幅度調制(MQAM)采用星座圖表示，最小距離表示為：

    由式(5)可以看出，隨著階數M的增加，雖然可以增加信息的傳輸速率，但是最小距離逐漸減少，抗誤碼性能下降，噪聲容限隨之減少，即誤碼率要求逐漸難以保證。在寬帶甚高頻通信系統中，發射機采用MQAM調制方式，在加性高斯白噪聲信道中傳輸，接收機采用相干解調，則信號的平均誤碼率為：

其中，E表示傳輸信號的平均能量，E/N₀表示接收機信噪比。

3 仿真分析

    本文根據《ITU-R M.2092-0建議書》的地面部分通信技術特性和《ITU-R M.1842-1建議書》附件4的相關技術參數建立的寬帶水上VHF無線通信系統，分析了系統中信道容量與輸入信噪比的關系、通信傳輸距離與收發天線高度的關系、信號差錯概率與接收機信噪比的關系。

3.1 信道容量

    圖2表明，當輸入信噪比較小時，信道容量與輸入信噪比成正比關系；當信道條件較好時，即輸入信噪比較大時，信道容量達到飽和狀態，此時信道容量不受輸入信噪比的影響。

    此外可以看到，當輸入信噪比為7.41左右時，采用4QAM和8QAM調制方式的發射機幾乎達到信道容量的最大值，采用16QAM和32QAM調制方式的發射機處于較高的信道容量階段，而采用64QAM調制方式的發射機還有較多的空余信道容量。可見，水上B-VHF通信系統采用16QAM調制達到307.2 kb/s的空中信道速率，能夠適應實際通信條件，具有較高的信道利用率。

3.2 路徑損耗

    根據國際電信聯盟對水上VHF移動通信系統分配的頻段，水上B-VHF通信系統使用頻段157.200 MHz~ 157.300 MHz，本文性能分析中選取工作頻率157 MHz。首先研究傳輸路徑損耗與發射天線、接收天線的關系，選取通信方向為岸上基站發射、船上基站接收信號，船站與岸站之間的距離為20 km。

    當船站接收天線為3 m時，由圖3可以看出，隨著岸站發射天線的不斷增高，傳輸路徑損耗單調下降。同樣，當岸站發射天線為34 m時，由圖4可以看出，隨著船站接收天線的不斷增高，傳輸路徑損耗單調下降。當實際通信環境、工作頻率、最大通信距離確定時，可根據路徑損耗的估算值選取岸站天線、船站天線的恰當高度。

    在分析傳輸路徑損耗與傳輸距離的關系中，同樣選取工作頻率157 MHz，通信方向為岸上基站發射、船上基站接收信號，岸站發射天線為34 m，船站接收天線為3 m。由圖5可以看出，傳輸路徑損耗隨著傳輸距離的不斷增加而增大；達到水上甚高頻電波要求覆蓋的最大距離25海里（約45 km）時，路徑損耗大約是105 dB。

3.3 接收機誤碼率

    由圖6直觀地看出，不同階數(M)的QAM接收機隨著接收機信噪比的增加，誤碼率非線性下降；而隨著M的增大，最小距離d不斷減小，接收機誤碼率有一定的增加；但在接收機信噪比小于10時，不同階數QAM接收機的誤碼率差別不明顯。因此采用16-QAM調制的水上B-VHF通信系統在實際信道環境下，能夠滿足較高的誤碼率要求，同時保證較高的數據傳輸速率。

4 結論

    水上寬帶VHF數據通信技術能夠提供強大的通信傳輸功能，從而提高海上通信、執法、搜救的能力。本文通過對水上B-VHF無線通信系統的通信容量、通信距離、誤碼率的分析得出，傳輸容量、傳輸距離以及系統誤碼率三者之間相互矛盾，所以選擇調制方式時要綜合考慮，根據系統的具體要求來取舍，由此設計出合理的通信系統。因此水上B-VHF無線通信系統按照《ITU-R M.2092-0建議書》的地面部分通信技術特性和《ITU-R M.1842-1建議書》附件4給出的技術參數來實現，可以滿足水上甚高頻數據傳輸的有效性和可靠性。

參考文獻

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[5] ITU-R M.2092-0建議書(10/2015)：VHF水上移動頻段內的VHF數據交換系統的技術特性[R]．2015.

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