基于USRP的AIS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)

郭志恒， 曾柏華， 洪金城， 陳 翔， 劉 敏

（中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣州510006）

0 引 言

20 世紀(jì)90 年代末，隨著對(duì)海上資源運(yùn)輸?shù)娜找嬷匾暎?］，為滿足迅速發(fā)展的海上航運(yùn)事業(yè)需求，并保證船舶航行過(guò)程中的海事安全，國(guó)際航標(biāo)組織、國(guó)際海事組織以及國(guó)際電信聯(lián)盟經(jīng)過(guò)協(xié)商討論，提出了基于船舶交通服務(wù)（Vessel Traffic Service，VTS）系統(tǒng)的船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS），它采用數(shù)字選擇呼叫方式并由國(guó)際電信聯(lián)盟給出具體的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)［2］。隨著AIS技術(shù)的日漸成熟，AIS得到廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)船舶識(shí)別、跟蹤目標(biāo)、簡(jiǎn)化和促進(jìn)信息交互的功能，達(dá)到了船舶避碰、減少海事?lián)p失、促進(jìn)海事安全的目的。我國(guó)也根據(jù)自身的需要，提出了符合我國(guó)水域的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［3］。

本文通過(guò)對(duì)AIS 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的研究，實(shí)現(xiàn)AIS 接收機(jī)的搭建。傳統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方式開(kāi)發(fā)期較長(zhǎng)、硬件要求較高，難以在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中普及；利用Matlab 等數(shù)學(xué)軟件驗(yàn)證又難以實(shí)現(xiàn)實(shí)際環(huán)境下的仿真，故采用軟件無(wú)線電［4］實(shí)現(xiàn)方式。在當(dāng)今種類眾多的軟件無(wú)線電平臺(tái)中基于虛擬儀器工程平臺(tái)（Laborary Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW）＋通用軟件無(wú)線電外設(shè)（Universal Software Radio Peripheral，USRP）的軟件無(wú)線電平臺(tái)相對(duì)比較成熟，并被引入國(guó)內(nèi)多所高校作為通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真平臺(tái)使用。本文選用LabVIEW與USRP 作為AIS 模擬接收機(jī)的搭建平臺(tái)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)現(xiàn)船舶AIS信號(hào)接收、解析，獲取船舶信息并搭建船舶AIS 信息數(shù)據(jù)庫(kù)，并于LabVIEW 仿真平臺(tái)中嵌入開(kāi)源地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）與航海圖，實(shí)現(xiàn)船舶定位功能。

1 AIS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 AIS工作協(xié)議與通信規(guī)程

（1）SOTDMA協(xié)議。自組織時(shí)分多址接入（Self-Organized Time Division Multiple Access，SOTDMA）技術(shù)［5］是實(shí)現(xiàn)AIS自主連續(xù)數(shù)據(jù)通信的核心技術(shù)。這種新型網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)會(huì)在AIS 設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)之前，觀測(cè)當(dāng)前信道及當(dāng)前時(shí)隙的占用情況，并根據(jù)所發(fā)射信號(hào)需要占用的時(shí)隙數(shù)，選擇合適的時(shí)隙發(fā)送信息。其工作原理如圖1 所示。

圖1 AIS自組織通信原理示意圖

國(guó)際電信聯(lián)盟根據(jù)AIS 中所使用的SOTDMA 技術(shù)的需要，為AIS分配了兩個(gè)專用的甚高頻（VHF）無(wú)線通信信道［6］，分別是：

Channel87B（AIS1）：161.975 MHz；

Channel88B（AIS2）：162.025 MHz。

（2）HDLC 通信規(guī)程。AIS信號(hào)傳輸采用面向bit的協(xié)議、TDMA 技術(shù)［7］和信息分組結(jié)構(gòu)，以AIS 報(bào)文1、2、3 為例，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 AIS信息結(jié)構(gòu)

AIS信息由前置碼、同步序列、開(kāi)始標(biāo)志、數(shù)據(jù)、幀校驗(yàn)序列、結(jié)束標(biāo)志、緩沖碼元組成。其中，前置碼為AIS信號(hào)的啟動(dòng)信號(hào)，表示時(shí)隙開(kāi)始，為AIS 發(fā)射機(jī)施加射頻電源；同步序列由24 bit交替0、1 碼元組成；開(kāi)始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志與標(biāo)準(zhǔn)的HDLC 標(biāo)記一致，為8 bit01111110，標(biāo)志著信息的開(kāi)始和結(jié)束；數(shù)據(jù)攜帶著船舶信息，其傳輸?shù)恼_性由后續(xù)16 bit CRC 校驗(yàn)碼組成的幀校驗(yàn)序列檢驗(yàn)；最后24 bit 緩沖碼元作用是保證幀長(zhǎng)度為定值。

1.2 AIS發(fā)送機(jī)制

（1）CRC 校驗(yàn)原理。循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（Cyclic Redundancy Check，CRC）是數(shù)字通信系統(tǒng)中一種具有較強(qiáng)檢錯(cuò)能力的差錯(cuò)校驗(yàn)碼［8］。根據(jù)GB/T20068-2006規(guī)定，AIS信息只對(duì)數(shù)據(jù)部分進(jìn)行校驗(yàn)，采用的是CRC-16 的生成多項(xiàng)式g（x）＝x16＋x12＋x5＋1，其對(duì)應(yīng)的17 位生成序列為G ＝10001000000100001。

（2）位反轉(zhuǎn)。根據(jù)GB/T20068-2006 的規(guī)定，在VHF數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)出數(shù)據(jù)前，需要將數(shù)據(jù)部分以Byte為單位，按bit逆序輸出。為了保持Byte邊界，最后一個(gè)Byte中的無(wú)用bit應(yīng)當(dāng)置為零。

（3）差分編碼（NRZI 編碼）。根據(jù)GB/T20068-2006的規(guī)定，AIS信息在進(jìn)行調(diào)制前，需要對(duì)封裝好的船舶信息幀進(jìn)行不歸零反向編碼，即NRZ-I 編碼，NRZI編碼原理［9］如圖2 所示。

圖2 NRZI編碼示意圖

（4）bit填充。為防止出現(xiàn)連續(xù)相同的“1”信號(hào)進(jìn)入導(dǎo)致NRZI編碼碼元長(zhǎng)時(shí)無(wú)法翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，必須對(duì)輸入的序列進(jìn)行bit填充。在發(fā)射端AIS 信號(hào)數(shù)據(jù)部分，對(duì)連續(xù)出現(xiàn)的5 個(gè)“1”后面插入一個(gè)零bit。

2 AIS接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 AIS信號(hào)調(diào)制模型

船舶AIS信息在經(jīng)過(guò)第1 節(jié)中的封裝、編碼后，需要經(jīng)過(guò)高斯最小頻移鍵控（Gaussian Mean Shift Keying，GMSK）后送入信道傳輸。GMSK 屬于連續(xù)相位調(diào)制（Continue Phase Modulation，CPM），調(diào)制后帶有信息的信號(hào)可表示為［10］：

式中：αi為信號(hào)碼元；hF為調(diào)制指數(shù)；T 為碼元周期，T ＝1／Rb，Rb＝9 600 bit/s為信號(hào)的比特率。又因?yàn)?/p>

式中：g（t）和q（t）分別為頻率成型濾波器函數(shù)和相位成型濾波器函數(shù)。將式（2）代入式（1）可將調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)化為：

對(duì)于GMSK調(diào)制來(lái)說(shuō)，頻率成型濾波器是高斯濾波器對(duì)于二進(jìn)制不歸零（NRZ）脈沖，因此，g（t）可寫成如下形式：

經(jīng)過(guò)信道傳輸后，在接收端接收到的信號(hào)為［11］：

式中：β 為信道衰落；τ 為時(shí)延；Δf 是由于發(fā)射端與接收端晶振偏差所帶來(lái)的頻偏；θ為相移；w（t）為復(fù)值高斯白噪聲信號(hào)。

2.2 基于差分相關(guān)信號(hào)幀同步算法

當(dāng)接收端接收到經(jīng)過(guò)信道的船舶AIS 信號(hào)后，需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行幀同步處理，確定信號(hào)的起始位置并消除信號(hào)時(shí)延對(duì)后續(xù)頻偏估計(jì)、解調(diào)等的影響。如1.1 節(jié)所述，AIS 信號(hào)中包含訓(xùn)練序列0101…0101共24 bit，假設(shè)訓(xùn)練序列經(jīng)過(guò)GMSK調(diào)制后為s（t），共含N ＝24 bit信息位。接收信號(hào)為r（t），共含有l(wèi)位信息位。二者碼元周期Tb＝1／Rb相同，其中Rb＝9 600bit/s。為方便公式推導(dǎo)，當(dāng)信噪比足夠大時(shí)，可忽略高斯加性白噪聲的影響，且假定信道為慢衰落信道，則接收信號(hào)為：

USRP以時(shí)間間隔Ts對(duì)接收到的AIS信號(hào)進(jìn)行采樣，Ts＝QTb，Q 為過(guò)采樣因子，得到采樣后離散信號(hào)r′（n），對(duì)訓(xùn)練序列以同樣采樣速率采樣得離散訓(xùn)練序列s（n）。θ為信號(hào)中的相移干擾，先對(duì)離散訓(xùn)練序列s（n），以及離散信號(hào)r′（n）做1 bit差分運(yùn)算：

定義兩者相關(guān)函數(shù)［12］為：

式中：m為可能的幀起始時(shí)刻的采樣序號(hào)。

接收信號(hào)與訓(xùn)練序列相關(guān)性最大值即對(duì)應(yīng)幀起始時(shí)刻的采樣序號(hào)：

對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間接收信號(hào)的時(shí)延可表示為：

2.3 兩步求精頻偏估計(jì)算法

本次AIS模擬接收機(jī)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)為USRP2920 軟件無(wú)線電平臺(tái)，其自帶時(shí)鐘源的晶振頻率偏差約為2.5 ppm，當(dāng)AIS信號(hào)傳輸頻率為162.025 MHz時(shí)，最大接收頻偏可達(dá)±405 Hz，當(dāng)AIS 信號(hào)傳輸速率為9 600 bit/s、發(fā)送碼元個(gè)數(shù)為256 bit 時(shí)，一條AIS 信號(hào)最大相角偏移為：

由式（13）可見(jiàn)，在解調(diào)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)信號(hào)相位翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。由于GMSK 調(diào)制方式所攜帶的信息體現(xiàn)在信號(hào)相位的變化上，若相位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)解調(diào)出錯(cuò)，無(wú)法得到正確AIS信息。因此，需要一種精確的頻偏估計(jì)方案應(yīng)對(duì)USRP 所帶來(lái)的較大頻偏，并消除頻偏對(duì)GMSK 解調(diào)的影響。本文采用文獻(xiàn)［13］中所提的兩步求精頻偏估計(jì)算法［13］，首先通過(guò)粗略估計(jì)縮小頻偏范圍，而后提高估計(jì)的精確度，達(dá)到精確估計(jì)并校正頻偏的目的。

根據(jù)2.1 節(jié)時(shí)延估計(jì)算法做采樣、幀同步處理后，接收信號(hào)為：

式中：A為信號(hào)幅值。

由式（5）可知，S（n）S*（n）＝1，式（14）中，Δf 為所需要估計(jì)的頻偏值，w（n）為噪聲項(xiàng)，假定噪聲為均值為零的高斯白噪聲，現(xiàn)構(gòu)造輔助信號(hào)x（n）消除接收信號(hào)中的調(diào)制相位信息：

為消除輔助信號(hào)中仍然存在的相移和噪聲的影響，需要對(duì)輔助信號(hào)做差分求期望運(yùn)算：

根據(jù)文獻(xiàn)［14］，頻偏估計(jì)值為［14］：

式中：MQ為求和項(xiàng)數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)［15］可知，此算法誤差值為該方法頻偏估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)差［15］，圖3 為使用不同M 值時(shí)的頻偏估計(jì)誤差。

圖3 不同求和項(xiàng)數(shù)子M下的頻偏估計(jì)誤差

在初次估計(jì)時(shí)，求和項(xiàng)數(shù)子M 一般取一較小數(shù)值，這是因?yàn)檫\(yùn)算法則arg［·］，所得的結(jié)果在區(qū)間（-π，π）之內(nèi)，根據(jù)式（17）可以推出：

采用M ＝1 做頻偏初次估計(jì)，所得頻偏估計(jì)值為f1，并對(duì)接收信號(hào)做初次頻偏校正得：

由圖3 可知，當(dāng)M 值較小時(shí)，頻偏估計(jì)值會(huì)產(chǎn)生較大誤差，需要對(duì)所得信號(hào)做2 次頻偏估計(jì)，以提高精度，令fd＝Δf-f1，按照式（15）的形式，再次構(gòu)造輔助函數(shù)：

消除噪聲及相移對(duì)輔助信號(hào)的影響可得：

由于已經(jīng)做過(guò)初次頻偏校正，殘留頻偏相對(duì)較小，因此可以通過(guò)適當(dāng)提高M(jìn)Q 的取值，來(lái)提高2 次頻偏估計(jì)的精確度，假設(shè)第2 次頻偏估計(jì)MQ的取值為M′Q，根據(jù)式（17）、（21）可得2 次頻偏估計(jì)值為： 最后所得頻偏估計(jì)結(jié)果為：fe＝f1＋f2。最終頻偏校正后所得AIS信號(hào)為：

2.4 1-bit差分解調(diào)算法

由2.1 節(jié)知，AIS 信號(hào)所用的GMSK 調(diào)制方式屬于連續(xù)相位調(diào)制，所攜帶的信息體現(xiàn)在信號(hào)的相位變化中，因此采用較為普遍的1 bit 差分解調(diào)算法［16］解調(diào)接收到的AIS 信號(hào)。其工作原理是，通過(guò)對(duì)接收到的GMSK調(diào)制信號(hào)做1 bit差分運(yùn)算，獲取信號(hào)中所攜帶的相位信息，解調(diào)出信號(hào)的碼元序列。其誤碼率特性曲線如圖4 所示。

圖4 1-bit差分解調(diào)誤碼率特性曲線

3 數(shù)據(jù)庫(kù)搭建與船舶定位

3.1 AIS模擬接收機(jī)搭建

基于上述物理層關(guān)鍵技術(shù)以及AIS 國(guó)標(biāo)要求，采用基于LabVIEW ＋USRP 的軟件無(wú)線電平臺(tái)搭建AIS模擬接收機(jī)。由于AIS 信號(hào)所采用的頻點(diǎn)為161.975 MHz、162.025 MHz，故選用覆蓋頻段為50 MHz ～2.2 GHz的USRP 2920 和LabVIEW 2013 搭建AIS 模擬接收機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3.2 船舶AIS信息接收及數(shù)據(jù)庫(kù)搭建

本文所設(shè)計(jì)的AIS接收機(jī)接收實(shí)地船舶AIS信號(hào)地點(diǎn)為廣州珠江水域，主要接收攜帶船舶動(dòng)態(tài)信息的AIS報(bào)文1、2、3 及B 類發(fā)射機(jī)所發(fā)射的報(bào)文18。圖5、6 分別為接收機(jī)所解析出的船舶AIS 信號(hào)報(bào)文1 和報(bào)文18。

根據(jù)實(shí)地接收并解析出的船舶AIS 信息，依照其報(bào)文類型以及各船舶特有的水上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼（Maritime Mobile Service Identify，MMSI），可以構(gòu)建AIS信息數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖7 所示。

如表2 所示，工作表中存儲(chǔ)接收到信號(hào)的時(shí)間以及相應(yīng)船舶對(duì)應(yīng)報(bào)文所攜帶的信息。

圖5 實(shí)地船舶AIS 信號(hào)報(bào)文1

圖6 實(shí)地船舶AIS信號(hào)報(bào)文18

圖7 AIS船舶信息數(shù)據(jù)庫(kù)

3.3 海圖嵌入與船舶定位

基于所得到的船舶AIS 信息和已經(jīng)建立的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以對(duì)相應(yīng)船舶進(jìn)行船舶定位。在LabVIEW中嵌入開(kāi)源海圖，通過(guò)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中各船舶的位置信息，就可實(shí)現(xiàn)附近海域中實(shí)時(shí)的船舶定位功能，并具有實(shí)時(shí)更新功能，實(shí)際界面顯示情況如圖8 所示。

表2 數(shù)據(jù)庫(kù)所存儲(chǔ)信息

圖8 海圖嵌入及船舶定位

4 結(jié) 語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)基于LabVIEW ＋USRP軟件無(wú)線電平臺(tái)的AIS模擬接收機(jī)設(shè)計(jì)，本文通過(guò)研讀國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，了解AIS信號(hào)封裝格式以及物理層調(diào)制、解調(diào)參數(shù)，并針對(duì)USRP2920 晶振穩(wěn)定性較差的缺陷，引入兩步求精頻偏估計(jì)算法實(shí)現(xiàn)AIS信號(hào)的頻偏精確估計(jì)，在廣州珠江水域接收實(shí)地船舶動(dòng)態(tài)信息，正確解調(diào)出AIS信號(hào)，同時(shí)根據(jù)AIS協(xié)議的相關(guān)規(guī)定，解析出對(duì)應(yīng)船舶的AIS信息，得到船舶定位所需要的船舶動(dòng)態(tài)信息，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)用。讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的船舶信息，通過(guò)在LabVIEW 2013 中嵌入開(kāi)源海圖，實(shí)現(xiàn)了船舶定位功能。驗(yàn)證了基于USRP2920 軟件無(wú)線電平臺(tái)的AIS 模擬接收機(jī)的正確性，為USRP在“通信原理實(shí)驗(yàn)”及“通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)”相關(guān)課程中的實(shí)驗(yàn)拓展提供了范例。