一種基于海上甚高頻數據交換系統（VDEs）的自適應QAM改進算法

劉俠　鄭建道　張偉　胡勤友

【摘 要】由于傳輸速率較低的低階調制能夠保障可靠傳輸，而傳輸速率較高的高階調制能夠提升系統容量，對于海上甚高頻時變衰落的無線信道，我們需要折中考慮數據傳輸速率和誤碼率，因此本文提出一種自適應子帶劃分的多進制QAM算法（ASD-MQAM），根據當前信道的狀態自適應地選擇合適的不同進制QAM調制方式，以適應信道動態變化、優化發射功率，提高海上VDEs通信系統的性能。

【關鍵詞】海上甚高頻；甚高頻數據交換系統；正交幅度調制；自適應子帶劃分

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）36-0075-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.032

An Enhanced Adaptive QAM Algorithm for Maritime VHF Data Exchange System （VDEs）

LIU Xia ZHENG Jian-dao ZHANG Wei HU Qin-you

（Merchant Marine College，Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

【Abstract】For the Low-order modulation with low transmission rate provides reliable transmission，and the high-order modulation improves the system capacity， we need to compromise the data transfer rate and BER in VHF time-varying fading wireless channels.In this paper，we propose the multi-band QAM algorithm based on an adaptive sub-band division （ASD-MQAM）.According to the current state of channels， the ASD-MQAM can select the appropriate Multi-band QAM modulation in order to meet the channels dynamic changes and optimize the transmit power.The simulation results show that the proposed algorithm can improve the performance of the maritime VDEs communication system.

【Key words】Maritime VHF； VDEs； QAM； Adaptive sub-band division

0 引言

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[1]，根據水上甚高頻數據交換系統（VDEs）業務類型的不同特性，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。隨著傳輸距離的增加，VHF無線信道傳輸會出現多徑衰落，傳統QAM調制的鏈路預算需滿足信道質量最差的狀況，不能有效利用較好信道的信道容量，造成頻譜的浪費，且不能有效應對多徑衰落。

水上VDEs系統需要采用傳輸速率較低的低階調制來保障可靠傳輸，要求即使信道處于深度衰落，也能夠進行數據的可靠傳輸。但是，當信道處于高信噪比時，較低的傳輸速率會妨礙系統容量的提升，從而制約頻譜資源的利用[2]；另一方面，為了提高VDES的通信容量，需要采用傳輸速率較高的高階調制。當信道處于高信噪比時，高階調制系統的通信容量能夠獲得顯著提高，但當信道處于深度衰落、低信噪比時，高階調制系統的誤碼率大，則無法保障可靠穩定的數據傳輸[3]。

對于水上甚高頻時變衰落的無線信道，我們需要折中考慮通信系統的通信容量和誤碼率（BER）的性能，因此本文提出一種自適應子帶劃分的多進制QAM算法（ASD-MQAM），根據當前信道的狀態自適應地選擇合適的不同進制QAM調制方式，以適應信道動態變化、優化發射功率，利用自適應技術提高水上寬帶VDEs通信系統的性能。

1 OFDM自適應調制算法

自適應調制技術和OFDM技術結合，可以根據移動無線信道的瞬時質量狀況決定子信道的調制方式，使信道的傳輸能力在任何時刻都能達到最大，自適應調制技術可以使通信系統獲得較高的頻譜利用率和比特傳輸速率。

Chow算法[4]是根據各個子信道的信道容量來分配比特，其優化準則是在維持目標誤比特率的前提下使系統的頻譜效率達到最優。該算法主要由三個步驟完成，首先確定使系統性能達到最優的門限，然后確定各個子載波的調制方式，最后調整各個子載波的功率。與Chow算法以信道容量的優化準則不同，Fischer算法[5]是在維持恒定傳輸速率和給定總發射功率的前提下，使系統的誤比特率性能達到最優。通過統計全部子載波上誤比特率，并且在所有子載波上誤比特率相等時，系統的誤比特率達到最小值。Fischer算法可獲得比特分配和功率分配的閉式解，所以算法復雜度較小，適合高速無線數據傳輸。SBLA（Simple Block Loading Algorithm）即簡單分組比特算法[5]，根據每組子載波的平均信噪比來確定采用何種調制方式。首先對全部子載波進行分組，根據信道狀況分別計算它們的信噪比。然后根據一系列信噪比門限確定每一組子載波的調制方式。信噪比門限可變，但是各個門限間的間隔不變。由于這種算法主要是加減運算，所以計算復雜度很低、開銷信令得到消減，同時又可以獲得很好的抗干擾性能。因此，它是一種實用有效的算法，適合在OFDM系統中應用。

2 基于自適應子帶劃分的多進制QAM調制算法（ASD-MQAM）

正交幅度調制（QAM）是將2ASK和2PSK結合起來的調制技術，用兩路獨立的基帶信號對頻率相同、相位正交的兩個載波進行抑制載波雙邊帶調幅，再將兩路已調信號加起來一起傳輸。QAM可以將信號帶寬雙倍擴展，被廣泛應用于高速數據傳輸系統。多進制QAM（MQAM）與MPSK、MFSK相比，在相同的M時，MQAM可以得到最大數據吞吐量[6]。

另一方面，SBLA算法與其他算法相比，運算量最小，而且其誤比特率與Fischer算法相近，其誤比特曲線與Chow算法相近，因此SBLA算法是一種非常適用于海上寬帶甚高頻數據傳輸，并且能夠滿足海上寬帶甚高頻通信系統的實時性與可靠性。 因此，為了保證海上寬帶通信系統的數據傳輸速率和誤比特性能，本文以數據傳輸速率最大化為準則，提出一種結合SBLA算法的自適應子帶劃分的多進制QAM調制算法（ASD-MQAM）。

2.1 自適應多進制QAM調制算法（ASD-MQAM）

ASD-MQAM算法可以分為兩部分，一部分是自適應MQAM調制模型，另一部分是通信子載波的動態劃分。自適應MQAM調制（如圖1所示）是對QAM星座圖進行的自適應調制，收發方通過雙工方式進行信息交互，在接收端認為鏈路可接收時，通知發射端，而發射端根據信道質量的估計確定QAM的調制階數。根據成功傳輸需要快衰落信道的變化要慢于符號周期的原則，當信道條件不滿足時，則采用低階QAM調制方式，這樣會明顯降低通信系統的復雜度和冗余度。

調制方式選擇器采用自適應MQAM算法，根據信道當前狀態，選擇合適的調制方式。在水上VDEs通信系統中，假設子載波個數為K，平均分為NB個子帶，各子帶含有的子載波的個數定義為子帶的寬度b=K/NB。首先根據通信系統要求的目標誤碼率，獲得信噪比門限，記為SNRst（j），其中j=0，1，2，3，4，5，6，分別對應于不調制、2QAM、4QAM、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM七種調制方式。第m個子帶內每個子載波上的比特數為Rj（m），第m個子帶內NB個子載波的平均信噪比可表示為：

2.2 動態劃分子載波算法

動態劃分子載波算法依據信道當前狀態信息完成，并對相同子帶內所有子載波采用相同的調制方式。根據文獻[6]可知，當MSE（m）≤15dB時，子帶劃分產生的頻譜損耗較少，此時子帶的數目最少，子帶劃分方法適用于甚高頻通信。本文采用不連續的子帶劃分方式，在子帶劃分前，按照子載波信道增益由小到大對子載波重新的排序，保證頻譜利用率的前提下，降低自適應QAM算法的迭代次數，使算法的復雜度進一步降低。動態劃分子載波算法的流程如圖2所示，其中接收端一個子載波信噪比為：

2.3 ASD-MQAM算法

將子帶動態劃分方法應用于自適應多進制QAM算法，本文獲得ASD-MQAM算法的計算流程如下：

2.3.1 比特分配初始化：

（1）設置OFDM符號的子載波個數K，每個子載波需要傳送的平均比特數為n，則一個OFDM符號所包含的比特數為Rtar=nK。

（2）動態劃分子帶。由本文2.2估算出子帶數NB以及子帶寬度b。

（3）自適應選擇調制方式。由本文2.1確定MQAM其中之一。

2.3.2 比特功率的調整：

（1）如果Rtar=RTotal，直接轉到步驟3。

（2）如果Rtar>RTotal，找到最小的ΔRj（m）且Rj（m）>0，調整Rj（m）=Rj（m）-1，Rtar=Rtar-1，ΔRj（m）=SNR*（m）-SNRst（Rj（m）-1），調整Rj直至Rtar=RTotal。

（3）如果Rtar0，調整Rj（m）=Rj（m）+1，Rtar=Rtar+1，ΔRj（m）=SNR*（m）-SNRst（Rj（m）+1），調整Rj直至Rtar=RTotal。

2.3.3 將信號的功率歸一化。

3 數值仿真實驗

根據ITU-R M.2092-0建議書的地面部分通信技術特性的相關技術參數建立的水上 VDEs無線通信系統的信道模型（見表1），分析該通信系統采用不同調制算法的誤碼率。

由圖3可以看出，ASD-MQAM算法在信噪比小于8dB時，誤比特率略好于SBLA算法以及16QAM；隨著信道信噪比的增加，ASD-MQAM算法性能明顯優于16QAM，誤碼率顯著下降。對于目標誤碼率，自適應QAM算法在信噪比處于12dB就能夠達到，其抗干擾能力比SBLA算法提升了25%。

4 結論

本文通過比較Fischer、Chow、SBLA三種自適應調制算法可以看出，SBLA算法在保證通信系統的可靠性和有效性的同時，運算量明顯小于Fischer、Chow，因此SBLA算法最適用于海上寬帶甚高頻數據通信。本文提出了一種改進型的自適應多進制QAM調制算法，根據信道條件自適應地選擇MQAM調制方式，既可以保證數據傳輸速率，又降低了計算復雜度。此外，對子載波進行動態劃分，引入MSE信道估計，抗干擾性能得到提升，改善了甚高頻數據傳輸的可靠性。

【參考文獻】

[1]ITU-R Rec.Technical characteristics for a VHF data exchange system in the VHF maritime mobile band[R]，ITU-R M.2092-0，2015，10.

[2]WANG Xiaobo.Research on the maritime mobile communication system based on Ad Hoc network[D].Dalian Maritime University，2009.

[3]Chen Liang，Jin Yongxing，Hu qinyou et.al.Transmission loss in maritime VHF communication system[J].Navigation of China，2015，38（3）：1-4.

[4]Chou Zhendong，Jiang Weining，Xiang Changbo，Li Min.Modulation Recognition Based on Constellation Diagram for M-QAM Signals[A].Proc.of IEEE 11th Electronic Measurement&Instruments，Beijing China，2013：5.

[5]L.Hanzo，J.Akhtman，L.Wang，et al.MIMO-OFDM for LTE，WiFi and WiMAX：coherent versus non-coherent and cooperative turbo transceivers[M].New York：John Wiley and IEEE Press，2010，130-267.

[6]XiaoShuai Liu，XiangBin Yu，TingTing Zhou.Performance Analysis of Discrete-rate Adaptive Modulation for OFDM Systems with Imperfect CSI in Rayleigh Fading Channel.Proc.Of the 4th IEEE International Symposium on Microwave Antenna Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications，Beijing China，2011：4.