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基于AIS接收机增强接收卫星信号的设计摘 要为航路建设低地球轨道(LEO)卫星后，从自动识别系统(AIS)可以检测到多数未知的新服务。在跟踪全球船舶、监控海上交通、使用大数据分析船舶航线、海洋监测这几个领域，卫星辅助AIS是有益的。AIS卫星接收机是基于船舶交流和避碰为设计的，而在船舶密集的海域发挥的作用却很少。这要求开发先进的卫星接收机，能够改善AIS解码功能。在这种背景下，我们的贡献集中在引进一个新型增强AIS接收机设计及其性能评估。增强接收机利用相干接收机的低信噪比地区，而对于中等到高信噪比，使用微分维特比接收机。我们新颖的工作是开发以前的解码包，提高处于低轨道卫星覆盖范围内船舶的探测能力。普通接收机性能评估是在媒介接收层（MAC）做简单微小的使用模型和物理层的多包接收(MPR)矩阵。测试结果表明，当取消连续干扰的绑定时，这种性能增强对接收机有好处。关键词：AIS 卫星 海事 1 引言通过地球低轨道卫星可以检测到使用自动识别系统(AIS)标准的船位置信息。通过这种方式，低轨道卫星可以实时监控全球船舶，可以用作多种其目的。以海洋监测，船舶航线和货物监测，针对于渔区和保护水域，只使用在与利益相关的场景。卫星辅助AIS作为海上安全标识，现已处于专家们关于海上通信热门讨论的话题。研究人员已经与标准化机构加强合作，考虑利用卫星组件开发AIS系统。虽然，卫星接收AIS信息是可行的并已经证明，AIS最初开发是基于国际船舶无线通讯的需要。具体来说，船舶播发AIS信息只能通知给周围船只本船位置、速度和方向。通过这种方式，可以增强安全意识，减少船舶之间的碰撞概率。此类消息播发的频率取决于船的速度，即船速越高，通过AIS广播更新位置越频繁。AIS介质访问协议(MAC)自组织时分多址(SOTDMA)是以一个分布式的方式设计的。在开始阶段后，AIS发射机了解邻近船舶的存在及其选择传输频道，该船会选择另一个没被占用子频道广播自己的位置信息。通过这种方式，该系统可以避免大部分数据包之间的碰撞，船舶互惠无线电接收范围，范围约20海里。虽然，这种方法已经被证明是加强了船船和船岸通信，其有效性明显信息降低当卫星试图收集AIS交通。事实上，卫星的视野数量级大于船舶无线电接收范围，如对于一个典型的1350海里或2500公里全向天线操作的低轨道卫星。因此，它容易在不同船舶间发生破坏性碰撞，船只相距远不能使用通道传感，选择槽远离干扰。特别是船舶密集的水域，这个现象会显著影响卫星辅助AIS系统的跟踪性能。在将来，这个问题将会更加突出，考虑其他海事沟通服务稳步增加，提高分配甚高频带和船舶AIS收发器性能就更为紧迫。设计更高级的接收器，提高数据包的译码能力成为主要问题。在卫星通信的情况尤其如此，很大程度上增加了路径损耗，增加的干扰水平必须被抵消。目前，最先进的AIS接收器通常采用非相干性的包检测。相反，对于卫星接收机，需要工作在中度信号干扰噪声比区域，相干接收机的设计尤其有益。相干接收机的主要缺点是需要信道状态信息。在很难获得AIS信息的情况下，波形相位噪声影响是由于不同发射机振荡器产生的。信道估计通常需要飞行符号插入，但AIS不使用它们。在我们以前工作中，提出一个新颖的开发卫星AIS接收机，利用这个想法开发几位AIS信息的事是很难知道。在哈桑宁等人研究中，他展示了如何使用飞行符号来提高接收机的性能。与我们之前的工作对比，在这个工作中，我们提出对接收机的进一步改善。具体地说，我们提出了两个分支，第一个用于相干接收机，第二个使用软微分检测维特比解码。评估接收机的性能，我们将使用通用框架开发。费德里科等人的工作表明，由于AIS的介质访问协议MAC协议被采用，卫星可以近似采用随机访问，例如时隙ALOHA(SA)。这个结果特别有趣，因为它允许通过单通道流量系数来刻画抽象自组织时分多址（SOTDMA）非平凡细节和MAC层的特征。交通流代表了卫星接收范围内的船舶数量以及其速度。然而，在简化的物理层里，所谓的破坏性通道冲突模型，是假设发生碰撞事故时所有数据包都已丢失，而在无碰撞位置接收到消息解码概率为1。尽管是数字指标，这种抽象并不总是现实的，同时也可能不够详细。在这方面，扩展通用物理层一直在被追求，使用多重接收包矩阵（MRP），在施瓦兹等人研究中首次提出，一直被使用至今。多重接收包矩阵描述一个或多个接收包可以成功解码，习惯于不同形状碰撞，同时在一个插槽多个传输的数据包。因为这种简洁紧凑的表述方式便于输出，第一遍通过船舶接收机就能被检测出来。解除连续的干扰就能增强附加的性能，来自于接收波连续解码的连续干扰被取消，可能会增加解码包的碰撞。进一步改善性能，可以观察到船舶可见卫星数的后项AIS帧。当一帧AIS信息被接收时，在连续帧内来自于相同船舶的其他信息也会被接收。此外，该消息内容是最有可能被预测和取消。这个异常的技术也会通过数值模拟研究来突出它的好处。本文目的是：(1) 介绍AIS接收机两个新颖分支，使用已知先前知识包字段改善高信噪比地区，考虑采用先进差分接收器的分支来提高AIS接收机性能；(2) 用连续干扰消除法研究接收机增强性能；(3) 利用来自先前解码数据包船舶的信息，消除他们目前AIS帧的干扰，提高首先通过检测概率；(4) 把现实场景中的增强AIS接收机和配备标准全向天线、接收范围半径2500公里的低轨道卫星接收器作对比。2 系统模型一个用于开发卫星辅助AIS系统建模高级工具被费德里科首次提出。我们集中研究低轨道卫星对地球纬度和经度(s,s)和覆盖区域A的地球表面。航行在这一地区传输AIS交通SOTDMA协议后，我们假设与低轨道卫星接收机同步。在卫星中对于交通流概况的数据是难以出入的，因为它取决于船和船速分布以及基于SOTDMA编码动态AIS帧组成。另一方面，由于大量典型甚高频接收器在低轨道卫星上的覆盖区，这种集群的总体交通行为类似于紧密的随机存取（RA）计划，特别时隙ALOHA(SA)。在此观察基础上，一个介质访问协议（MAC）近似引入了类似时隙ALOHA(SA)，已被证明在许多实际场景中产生。这种近似的主要优势在于它的简单，因为所有的系统级指标只取决于单个参数G，平均聚合频道流量注入AIS数据包传输。假设在区域A船舶U个数据包概率为泊松模型(典型的RA)如下：通道交通参数G嵌入是依赖所有船舶和速度分布，可以显式地写成在表达式（2）中，i代表船获取的消息数量，发送AIS帧时航行速度在vVi1,Vi，Ns是表示AIS帧持续的时间。根据标准，每帧Ns = 2250槽。我们用fv定义为处理器函数（PDF）船舶速度，而n是表示船舶在区域A的传输信息数量，可以计算n=Afs(s,s)dd，fs是船分布处理器函数。用这些公式，船舶的位置fs和速度值fv可以估计出来。这些处理函数值可通过多方获得，例如通过专用的模型，通过仿真模拟，通过实际收集的数据，以此用来目前试验值。在我们的研究中，船的速度分布fs是从精确的地球操作卫星AIS系统中所收集到数据。特别是，我们的结果展示在图1密度地图中，船舶位置数据来自2013年1月收集。同样，船舶速度fv来源于收集2013年1月的精确地球卫星系统。具体来说，在图1 b中，船舶平均速度在地球上每海里作个位置报告点。我们关联每艘船舶在相应位置的速度，因为我们更感兴趣于系统平均性能指标，缺乏简单二阶统计数据分析。考虑到不同AIS接收特征，我们引入一个灵活的工具，将使用多包接收MPR矩阵。如果，我们考虑在给定位置接收器u为碰撞数据包，定义u,c为成功同时译码c,u接收数据包的概率。对于每一个u值，拥有iu,i=1。多包接收MPR矩阵Am为图1 来源于2013年1月精确地球AIS数据收集系统的船位置和速度分布我们在这里假设最大m数据单位，能够在给定的时间段恢复出接收数据，让m趋于无穷大，给出多包接收MPR矩阵一般表达式。定义通量S为每段时间成功被接受数据包数，可以写为vm =1 2.mT，是一个行向量表达，其值为1,2.用户选择相同时间段传输。在泊松通量模式下，我们有因此，是一个无穷大向量。不过，在允许的概率质量函数里，它可以限制最大矩阵误差长度，即值。解出数学不等式函数1-e-Gi=0kGii!，得出k范围，就能得到的维数值。表达式（4）是独特的形式，它隔离影响物理层和MAC层的影响。前者由多包接收MPR矩阵Am计算得出，后者由确认。更有趣的是，只要向量和矩阵Am给出，方程的普遍输出量就可以由任何媒介接收层MAC和物理层模型嵌入。尽管，输出量和解码错误率是媒介接收层重点分析对象，另外一个指标，表示了卫星辅助AIS系统对船舶初步检测概率性能的指标。在费德里科等人研究中，给出了参数修改纠正表达式。概率值是船舶首次被探测到的概率，由处在该船舶上方的卫星发出。船舶定期发送AIS信息，检测他船，至少有一颗卫星能正确接收到船舶AIS信息。的表达为：卫星位置函数（,）和覆盖半径r。ki为船舶AIS系统第i帧发送的消息平均数量，I(r)是接收机在卫星覆盖范围里位置（,）的帧数。我们看重通道负载Gi,r，它取决于卫星特定位置和接收机覆盖半径。（5）式圆括号内式子是正确解码包概率。在方括号内，该表达为失误解码数据包的概率，ki表示在第i帧内船舶检测概率值，通过几帧AIS信息I(r)就可识别出船舶。在卫星检测范围内，考虑过多的帧数反而不容易检测出船舶信息。3 先进AIS接收机传统的船舶AIS接收机或基站不需要复杂的信号接收处理。首先，因为自组织时分多址(SOTDMA)能够避免多数数据包冲突；其次，因为AIS用户之间的距离较小(最多40海里)，因此，信噪比是需要足够高。然而，卫星辅助AIS接收情况完全不同。在这种情况下，接收机需要处理来自几个SOTDMA信道多用户干扰，以及来自更高自由空间损耗较低的信噪比。因此，AIS卫星接收机一般工作在低信噪比和干扰率(SNIR)的环境中。提高卫星接收机的性能，需要在低信噪比干扰率区增加接收机复杂性。对大多数AIS接收机来说，初始步骤包含次优化微分检测。这个技术提高了在高SNIR运作上传统接收机的性能。为了提高在多个卫星接收机的工作性能，重点是提高微分检测接收机性能。例如，在高纳瑞普等人研究中，卫星AIS接收机结构体系被提出。改进算法估计，提出检测和纠错，以此大幅度提高接收机性能。然而，像大多数卫星AIS接收工作，第一步包含微分检测。在本文中，我们制作了一个利用相干接收机接收AIS信息的框架，可以提高4dB或者更高，这将决定于你对微分探测器的设置。对比微分检测器，相干检测的缺点是需要信道状态信息。出于这个原因，设计的通信系统通常采用相干检测符号，其值由固定传输波形确定，这些信号通常被称为飞行参数。接收机使用飞行参数追踪相干检测并跟踪信道的变化。可是AIS不使用飞行参数，使用微分检测参数来解算。因此，在进行相干检测AIS信息时，首先要设计一种没有飞行参数估计通道模型。许多领域的AIS信息可以预测，其后的关键理念被哈桑宁等人提出。尽管，AIS可以用来传输不同类型的消息，根据哈桑宁等人研究知，大约94%的位置消息能被报告，这些信息包含船舶GPS位置、航速和航向。有些方面信息是已知的，如，GPS的位置。船舶GPS位置报告必须是其所处覆盖范围内卫星来报告。也就是说，船舶处在地中海上空卫星覆盖范围内就不能接收来自于太平洋上空卫星反射回应。例如，对于一个半径为356公里的圆形覆盖区域，在总比特168位中，只有21位49位之间的比特空间可以预测卫星位置。因此，在这些已知的比特位中，可以使用飞行参数来估计信道，增强相干检测性能。在信噪比为零时，接收机的接收性能达到最大。然而，当接收机信噪比为4dB时，卫星接收机信号处理失误率达到10-3。误码平层归功于信道评估。因此，接收机在低信噪比地区表现性能较好，但对信噪比较高区域，差分接收机不依赖于信道的错误信息。在本文中，我们设计新型接收机增强接收性能。这个新型接收机有两个优点：第一，接收机使用哈桑宁提出的技术；第二，软微分接收机被设计，采用了维特比最大似然序列估计，提高了高信噪比值的性能。因此，每个AIS数据包由两个并行不同解码接收器接收并成功解码，或者两者之中至少一个成功解码AIS包，在图2中显示了增强接收机简化框图。图2 增强接收机的框图显然，增强接收机的复杂度高于传统的接收机。然而，考虑到AIS低波特率和现有的微波广播平台优势，我们更加坚信，推荐软件的运用更能增强实时接收的操作。在图3中，用Es /N0代表传统接接收机和软微分解码接收机的数据失误率。结果通过模拟获得，假设在30连续信号和误差之间，存在维特模型相位噪声增量。对于曲线波形接收机，假设在覆盖范围半径356海里的最差接收位置，只知道21位的比特。在维特比解码Es /N0低于1dB时，它能够侦测到软差分接收机输出量。对于较高Es /N0比值，软差分接收器的维特比解码率优于传统接收机。提出增强接收机的性能，传统接收机与微分接收机之间存在解码相互干扰。因此，我们可以在传统接收机上加载至少4dB信噪比，以此来增强接收机性能。图3 用Es /N0代表传统接接收机和软微分解码接收机的数据失误率，假设在30连续信号和误差之间存在维特模型相位噪声增量，获得模拟结果。在接收机性能指标中，接收信号能力取决于已知信号量，卫星覆盖范围及其位置。具体来说，如果先前已知信号减弱，那么位置的误差参数就减小。然而，对于提出增强接收机工作，主要依赖第二接收机，其性能同样取决于覆盖范围半径和接收机的位置。3.1利用先前已解码AIS信息在这里描述船舶AIS数据包正确解码，利用已知信号帧道，可以增强船舶首先通过检测概率。在自组织时分多址(SOTDMA)中，当船舶占用了一个信号传输频道，这个信道上保持连续的传输帧。每段时间AIS接收的数据包被正确记录，并被正确解码，就能够获得相同频道、相同船舶部分或完全估计值。举个例子，已知船速、航向和目前的经纬度，在一分钟内，我们就能评估出船舶的精确位置。通过这种方式，我们能够： 提高接收数据包的信道估计； 利用连续间接干扰消除来自底层AIS信息干扰。一般来说，解码器能够考虑到各种因素，包括专业方面知识和非专业知识。因此，获得了最初估计性能指标，假设，我们成功解码给定所有帧比特中一个数据包，就可以完全估计出后面的数据。图4图显示卫星频道内部观察到的两个后续帧G1和G2我们用G1表示LEO卫星信号覆盖范围，G2 表示随后一颗卫星信号覆盖范围，考虑到地球轨道几何形状，部分区域有两个连续卫星帧重叠。在图4中，用G1,2表示其重叠覆盖范围区，这个区域的部分通信信道是已知的，用表示，其值01，因为相同帧槽保持着连续传输，剩余的就不能被预测。来自于部分预测信号会在第一帧中被解码掉，其值取决于第一帧信道量G1，AIS的性能通过失误数据包率PER来体现。定义Pe为AIS接收机的性能指标，因此，对应的预测通道流为：假设SIC能够消除干扰概率为，通道信道流修改后的SIC值为利用通道信道流修改后的G2我们假设理想化SIC值，即= 1， (6)变为从而失误数据包率Pe等于在AIS系统稳定运行状态下，当前时间任意给定频道内，均匀分布0到7的值，这表明平均价值为0.875。用这种方法，初次船舶检测概率可以通过迭代计算出来。这里，G0表示为通行卫星在位置（,）时的覆盖范围。4 计算结果多重接收包矩阵MPR能被当前增强AIS接收机估计，并取决于SNIR分布结果的影响，特别是受船舶分布和相关链接包影响。每颗卫星需要给出的船舶的位置，并对该范围内的船舶做了统一矩阵处理转换，表明低轨道卫星及其覆盖范围，处理过的船舶分布和未处理过的船舶分布是有明显的区别。我们假设接收功率指数分布，取决于船舶上的反射信号，v的定义为Ptx表示接收机传输功率Gtx、Grx分别表示发射机和接收机天线增益，L表示自由空间损失量。采用自由空间损耗L来计算船舶与卫星距离d，同时考虑到AIS甚高频通信链。在表1中展示各值大小，表2中是接收机参数，如船舶和速度分布，以及AIS数据包重复。表1 卫星AIS接收机上甚高频参数值表2 接收机参数和船舶分布参数接收信噪比为Prx表示接收功率，随着船速v呈指数分布。Ta为天线信号噪声度， B为载波带宽。通过蒙特卡罗模拟，把船舶统一放在半径2500公里圆范围内，在所有可能冲突的情况下，测量接收机反应性能。采用不同的方法，同样测试1500公里范围内的卫星AIS接收机性能。在低轨道卫星上采用全向型天线，飞行在地球表面上空524公里的卫星，其覆盖范围为半径2500公里的圆域。在本文中，AIS天线采用近似全向型极化，之后的卫星覆盖范围内值会受到很大的影响。信道预算值提供输入AIS接收机干扰信号噪比率，包括增强AIS接收机性能。通过这种方式，可以计算干扰信号的误码解包率和多包接收误率。对于增强接收机来说，能够接收卫星覆盖范围内完整的21帧独立信息和位置，并已经取得了显著的利益。在传统方法上，依赖于卫星覆盖范围和位置，获取大量已知的信号，尽管这种依赖性不是很大。图5 MPR矩阵为各种类型的接收器，在瑞利衰落下的接收范围和接收机高度2500公里524公里在图5中，多包数据接收矩阵同时具备传统接收机和增强接收机的性能，此外，连续干扰消除(SIC)也被应用在增强接收机上，如图5c所示。连续干扰消除(SIC)的解码步骤如下：第一个数据包被成功解码后，干扰精度值就会应用到下一个帧内，并解码之后的数据包。如果，第二个数据包在相同帧内成功发送，并被成功接收后解码，干扰精度值就会继续适用第三个数据解码包。一般来说，最大的解码速率能满足实时信号接收量，原理上，接收机接收完数据包后，解码进程还会继续，单位帧内数据解码量就会增加。例如，采用连续干扰法的增强接收机，同时接收两个数据包，每个数据包有50%的解码成功率。同理，同时接收3个数据包时，每个数据包只有31%的解码成功率。采用连续干扰法的增强接收机，具有更优越的性能，一个帧内有多个数据包，解码部分或全部数据包是几乎不可能的事。图5a、5b中分别表示传统AIS接收机与增强接收机性能，我们能看到后者的数据包正确解码率有所提高。由之前的研究基础可知，同时解码的概率值有所少量降低。举个例子，在传统接收机上同时处理7个数据包时，每个数据包仍有10%的成功接收率，相比以前下降了2%。低信噪干扰比(SINR)在0dB范围时，增强接收机性能有显著的提高 (见图3)。图6全球平均信道负载G以pk /位置，观察到LEO卫星的覆盖半径2500公里在分析差分接收机输出量和船舶第一遍侦测概率时，我们计算出覆盖范围2500公里的圆域卫星扫描图，在图6中表示。这里有三个AIS接收机覆盖的主要领域，该区域里每帧接收的数据包至少有6个，这些区约包括，墨西哥湾，地中海，欧洲，北海，印度南部，泰国，中国沿海和日本。中国沿海和日本区域上平均信道负载G值最高，超过每帧接收16个数据包。在低比例图幅其他区域，用高灰色颜色表示，AIS信号传输可以忽略不计。图7 来源于2013年1月精确地球模型收集船位置和速度分布AIS数据在图7a中展示了传统接收机的输出性能，可知最大输出量每帧不超过0.45个数据包，这就限制了在时隙冲突信道上性能的提升，最大输出量每帧0.36个数据包。在所有范围里，性能高的AIS接收机容易被识别，除了前面所提的高负载帧，输出量是有限制的，高信道流会有无法忽略的冲突影响。采用连续间接干扰增强接收机的性能，分别呈现在图7b,7c中，我们可以看出输出量性能都有了提升，尤其是后者。提高服务于低轨道卫星的AIS接收机性能，能保证输出量每帧增加0.51包，相比于传统接收机提升了14%，这样就能保证SIC达到每帧0.82包，相比于传统接收机输出量增益82%。假设不考虑SIC，大西洋中心区域的接收机输出量不能被忽略，传统接收机的输出量是有限的。把SIC运用到增强接收机上，在墨西哥湾超出0.35包/帧的输出量就会检测到。因此，在红海区域的输出量就得到提高，达到至少0.3包/帧。在图7d中，描述了SIC型增强接收机和传统接收机分布区域。黑线代表输出量为0.25包/帧，增益在-6dB及以上易被发现，多数大范围的输出量在0.25包/帧。这也就意味着，我们关注范围里至少有25%的输出量增益。更有趣的是，同时也会有输出量为0dB，意味着对于传统接收机是100%的接收，这是由于船舶密度大引起的。剩下区域里，欧洲增益超过10倍的易被发现，包括中国沿海和日本。这表明，含有SIC的增强AIS接收机达到了卓越的性能。图8 依据方程7计算船舶首次遍探测概率值分布，增强接收机飞行在524公里高空，覆盖范围半径2500公里圆域里，采用了SIC和已知早期AIS帧解码数据包图9 船舶首次探测概率值分布，轨道卫星覆盖范围半径2500公里的圆域，与地面轨迹图8的