艦船遠程航行中5G 通信調制信號識別方法研究

謝于晨

(1. 江西科技學院協同創新中心, 江西 南昌 330098；2. 江西科技學院 信息工程學院, 江西 南昌 330098)

0 引 言

作為下一代通信技術，5G 通信在艦船領域的應用前景非常廣闊，包括：

1）艦船內部通信：5G 通信技術可以提供更高的帶寬和更低的延遲，使得艦船內部的通信更加快速和高效，比如基于5G 技術實現船舶內部的高清視頻會議、虛擬現實等功能。

2）艦船外部通信：5G 通信技術可以提供更遠距離和更高速度的通信，使得艦船可以更加快速地與其他船舶、基地、衛星等進行通信，這對于海上作戰、海上救援等任務非常重要[1]。

3）艦船自主駕駛：5G 通信技術可以提供更高的帶寬和更低的延遲，使得艦船自主駕駛的實現更加可行，實現高精度的定位、實時數據傳輸等功能，提高船舶的智能化。

基于上述背景，本文將研究重點放在艦船遠程航行過程中的5G 通信技術研究，分別從5G 通信MIMO技術、信號調制和識別技術等方面進行詳細研究。

1 艦船遠程航行信息交互系統的整體設計

艦船在遠程航行時通常采用衛星通信鏈路與水面或陸上基站進行通信，隨著船舶自動化設備的數量增加，遠程航行過程中的數據量已經超出了現有通信鏈路的負荷，因此，本文開發一種艦船遠程航行信息交互系統。

該系統采用的核心架構是一種異構通信系統，包括船舶終端、基站、電臺等部件，異構系統能夠在短波通信、衛星報文通信和5G 通信鏈路之間切換，圖1為艦船遠程航行信息交互系統的框架圖。

圖1 艦船遠程航行信息交互系統的框架圖Fig. 1 Fig.1The frame diagram of ship long-range navigation information interaction system

圖2 MIMO 技術的通信鏈路示意圖Fig. 2 Communication link diagram of MIMO technology

艦船遠程航行信息交互系統的關鍵功能包括：

1）數據采集功能[2]

遠程航行信息交互系統需要進行多類數據的采集，又包括：

①船舶位置和航速數據采集：通過GPS、船舶慣性導航系統等技術，實時采集船舶的位置和航速信息，以便進行航行路徑規劃和船舶位置監控。

②氣象和海洋環境數據采集：通過船載氣象監測設備、海洋浮標等設備，采集氣象和海洋環境數據，包括海域的風速、風向、海浪高度、海水溫度等，以便進行船舶航行安全評估和氣象預報。

③船舶狀態數據采集：通過速度傳感器、GPS、AIS 等設備，采集船舶各種狀態數據，比如船體傾斜角度、船舶荷載參數、發動機工作狀態等，以便進行船舶性能監測和故障診斷。

④船舶能源數據采集：通過船舶動力系統的能源管理設備，采集船舶能源數據，包括燃油消耗、發電機輸出功率等，以便進行船舶能源管理和節能減排。

2）通信功能

艦船遠程航行信息交互系統采集到的信息，需要通過通信網絡傳輸到地面控制中心，同時地面控制中心對船舶進行遠程遙控發送指令。

①異構網絡切換功能

遠程航行信息交互系統中集成了包括短波通信、4g 通信、5g 通信等多種通信模式，遠程航行信息交互系統需要具備良好的異構網絡切換功能，尋找最優的信號傳輸通道，當一種通信網絡發生故障中斷，可以及時切換為另一種通信模式。

②實時性要；

遠程航行信息交互系統對信號的時效性要求較高，信號傳輸過程應避免延時，提高信息的同步率，在異構通信網絡中，基于5G 的通信模式時延小、傳輸速度快，是優選的通信模式。

③安全性要求

在船舶通信領域，尤其是軍事艦船的通信網絡中，信息的安全性是非常重要的因素，由于船舶通訊網絡的開放性特點，數據存在被第三方截取可能，所有敏感數據必須進行加密傳輸，以防止未經授權的訪問和竊取。系統有嚴格的訪問控制機制，只有經過授權的用戶才能夠訪問系統中的數據，對于不同級別的用戶，有不同的權限控制機制。

2 艦船遠程通信異構網絡5G 的MIMO 技術研究

MIMO 是一種無線通信技術，它利用多個天線來傳輸和接收數據，從而提高通信質量和速度。MIMO技術可以將多個數據流同時傳輸到同一頻帶，從而提高頻譜效率，同時還可以通過空間分集技術來提高信道容量和抗干擾能力。

MIMO 技術已經被廣泛應用于4G 和5G 移動通信、WiFi 和無線局域網等領域，成為無線通信領域中的重要技術。圖為MIMO 技術的通信鏈路示意圖。

本文在艦船遠程航行信息交互系統中采用一種大規模MIMO 技術，利用預編碼矩陣同時實現對Nt個用戶、Nr個天線的數據傳輸。

單獨一個5G 天線信號可表示為：

定義信號的采樣間隔為Ts/N，載波頻率為：

規?；腗IMO 通信信號可表示為：

圖3 為大規模MIMO 通信技術的原理示意圖。

圖3 大規模MIMO 通信技術的原理示意Fig. 3 The principle of massive MIMO communication technology

可知，MIMO 的顯著特征是在信號發送端和接收端存在x1～xNi多個陣列天線和信道，以及n1～nNr多個信號接收網關。

3 艦船遠程航行中5G 通信調制信號識別方法研究

3.1 艦船遠程航行中的信號調制技術研究

艦船遠程航行信息交互系統的5G 信號調制采用AM 幅度調制和FM 頻率調制2 種。

1）AM 調制

AM 調制是一種線性調制，調制信號模型為：

式中：Ac為調制信號的幅度，m(t)為5G 通信信號，fc為調制信號的頻率，信號調制需要保證(1+m(t))>0。

當信息交互系統的5G 信號m(t)幅值與頻率確定時，AM 信號可表示為：

2）FM 調制

FM 頻率調制信號模型為：

式中：φ(t)為調制信號的初始相位。

FM 頻率調制信號的頻率偏移表示為：

式中：Kf為偏移系數，當偏移系數是隨時間變化的量時，可得。

FM 頻率調制信號在時域的表達式為：

定義信息交互系統的5G 信號的FM 頻率調制指數βf：

式中：W為5G信號的帶寬，?fmax為最大的頻率偏移量[3]，得到考慮頻率偏移的調制信號：

式中，Jn(v)為頻率偏移函數。

圖4 為5G 通信信號AM 和FM 調制的波形示意圖。

圖4 5G 通信信號AM 和FM 調制的波形示意圖Fig. 4 Waveform diagram of AM and FM modulation of 5G communication signal

可知，AM 調制使原始信號的幅值出現明顯的變化，FM 調制使原始信號的頻率發生明顯變化，幅值基本不變。

3.2 船舶遠程航行信息交互系統的5G 信號模式識別研究

針對船舶遠程航行信息交互系統的5G 信號模式識別問題，本節結合BP 神經網絡算法進行研究，將5G 通信調制信號的識別分為樣本訓練過程和信號識別過程2 個階段[4]。

基于BP 神經網絡算法的信號識別流程如圖5 所示。

圖5 BP 神經網絡算法的信號識別流程圖Fig. 5 Signal recognition flow chart of BP neural network algorithm

調制后的5G 信號表示為：

式中：x(t)為5G 信號的實部，y(t)為5G 信號的虛部，虛部與實部相互正交，可得5G 信號的瞬時特征如下：

1）信號瞬時幅度特征為：

2）信號的瞬時相位分量為：

相位去卷疊是調制信號識別的重要環節，信號相位加上修正分量C(i)并不能直接得到正確的瞬時相位分量，引入相位修正序列如下式：

相位信息：

式中：fc和fs分別為載波頻率和采樣頻率。

此時，被識別信號的瞬時頻率特征為：

本節基于Matlab 軟件進行船舶遠程航行信息交互系統的5G 信號識別仿真，部分仿真參數如表1 所示。

表1 仿真參數表Tab. 1 Simulation parameter table

在Matlab 中分別得到5G 通信信號的信噪比和誤碼率曲線如圖6 所示?？芍涍^信號調制后，信號的誤碼率明顯降低。

圖6 Matlab 中5G 通信信號的信噪比和誤碼率曲線Fig. 6 Signal to noise ratio and bit error rate curves of 5G communication signals in matlab

4 結 語

本文針對船舶遠程航行信息交互系統的信號調制與識別技術進行研究，結合5G MIMO 技術和BP 神經網絡算法，針對AM 和FM 信號調制下的5G 信號進行識別研究，并結合Matlab 進行船舶5G 通信的性能仿真。