一种VDES系统中基于船舶间协作的数据传输方法与流程

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种vdes系统中基于船舶间协作的数据传输方法。

背景技术：

船舶自动识别系统(ais)是海上甚高频广播系统，装有ais的船舶可以及时地将自身的位置、速度、航向以及船舶的一些注册参数通过无线电向附近的船只、陆基基站以及卫星广播，使得周围的船舶能够及时避让。同时相关的海事管理单位和机构也能够迅速得到船只分布运行信息并根据这些信息对船舶进行管理。因此ais在保证船舶航行安全和提高海事交通管理方面起到了十分重要的作用。

伴随着经济的全球化以及海上贸易的繁荣，海上船舶的数量增长迅速。原有ais系统在船舶密集的港口易出现数据链路的超载从而导致信息的丢失，且ais系统的通信内容有限，2012年国际航标协会(iala)提出将ais升级成为甚高频数据交换系统(vhfdataexchangesystem，vdes)。vdes保留了原有ais为船舶提供的位置识别和避撞功能，还增加了特殊应用报文(asm)和宽带甚高频数据交换(vde)两大功能(包括vde地面和vde卫星两部分)。ais采用sotdma通信协议，通过vhf频段进行通信，通信半径为20海里。vdes引入的vde部分不仅增加了传信带宽还通过卫星大大提高了通信的覆盖范围，同时还能让极地地区的船舶使用vdes的服务。因此vdes在港口调度、路线导航、天气预测、船只管理、遇险搜救等方面发挥着重要作用。

在vdes系统中，卫星与船舶之间的信道由于通信距离远从而存在着传播时延、能量衰落、多径效应、以及卫星运动带来的多普勒频偏等问题，而且受天气等因素的影响，信道是时变的。因此，卫星与船舶之间的数据传输普遍存在信道质量差的问题，从而使卫星与船舶之间的通信质量受到严重影响。如何减小信道对信号的种种不利影响，提高接收信号的准确度，是vdes系统亟需解决的问题，目前提出的方法有信道均衡、信源编码、信道编码等，这些方法都是针对单个信道进行性能优化。但是，上述方法对解决船舶与卫星之间通信存在的上述问题是有极限的。在这些方法提高单信道性能的基础上，可以考虑利用多信道形成的发送分集来提高接收信号质量，即利用船舶a通信半径范围内的其他船只，作为船舶a的中继，向卫星b转发船舶a发给卫星b的上行数据，或者向船舶a转发卫星b发给船舶a的下行数据，这样便形成了发射分集，接收端采用对多个接收信号的副本进行合并，就可以有效提高接收信号质量。特别是此方法在船舶a到卫星b的信道质量极差，且船舶a需要向卫星b发送紧急信号时可以发挥重要作用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种vdes系统中基于船舶间协作的数据传输方法，该方法可以提高船舶与卫星之间的通信质量，特别是在船舶需要向卫星发送紧急信号时可以发挥决定性的作用。

本发明解决上述技术问题的方案是：

一种vdes系统中基于船舶间协作的数据传输方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：vdes系统参数的设置：

当船舶a与卫星b之间传输数据时，设船舶a的通信半径范围内有l只船舶，分别编号为ship1,ship2,lshipl，其中第i只船舶记为船舶shipi，i∈{1,2,l,l}；所有船舶与所述的卫星b之间上行的通信频率为f1、下行的通信频率为f2；船舶与船舶之间的通信频率为f3；船舶a到卫星b的上行信道系数为ha,b，卫星b到船舶a的下行信道系数为hb,a；船舶shipi到卫星b的上行信道系数为卫星b到船舶shipi的下行信道系数为船舶a到船舶shipi、船舶shipi到船舶a的信道系数分别为所有节点均采用半双工工作方式；

步骤二：船舶a与卫星b进行基于船舶间协作的数据传输：

包括从船舶a到卫星b的上行数据协作传输和从卫星b到船舶a的下行数据协作传输两种情况：

21)从船舶a到卫星b的上行数据协作传输包括以下步骤：

211)上行中继船舶的选择；包括以下步骤：

2111)根据vdes系统参数，对于所述的船舶shipi，分别计算

2112)对于所有的计算结果，进行关于i的从大到小排序，即

2113)根据的排序结果，选出前m个最大值所对应的船舶序号i；对选出的前m个对应序号的船舶shipi依次重新进行编号，分别编号为ship_upsel1,ship_upsel2,lship_upselm，其中1≤m≤l；如果后续的中继船舶不是采用放大再转发的方式，而是采用解码再转发的信号处理方式，则此时的中继船舶是选择能正确解码原信号的前m个最大值所对应的船舶序号i，也分别编号为ship_upsel1,ship_upsel2,lship_upselm；

212)按照上行中继船舶的选择结果来进行上行数据传输：将上行中继船舶的选择结果通过广播信道广播给选中的m只上行中继船舶ship_upsel1,ship_upsel2,lship_upselm，然后在选中的中继船舶的帮助下进行从船舶a到卫星b的上行数据传输，具体包括以下步骤：

2121)在第一个时隙，船舶a按照发送功率发送信号频率f1向卫星b发送数据，卫星b接收数据，与此同时船舶a按照发送功率发送信号频率f3向m只上行中继船舶ship_upsel1,ship_upsel2,lship_upselm也发送同样的数据，m只上行中继船舶ship_upsel1,ship_upsel2,lship_upselm接收数据；

2122)在后续的m个时隙中，即在第二个时隙到第m+1个时隙中，上行中继船舶ship_upsel1,ship_upsel2,lship_upselm先对接收的数据进行处理，然后再按照时分多址的方式将处理后的数据转发给卫星b，发送功率分别为发送信号频率均为f1，卫星b接收数据；所述的上行中继船舶ship_upsel1,ship_upsel2,lship_upselm对接收的数据进行处理包括两种方式，一种是放大再转发方式，一种是解码再转发方式，可以根据系统需要选择其中的一种数据处理方式；所述的m只上行中继船舶ship_upsel1,ship_upsel2,lship_upselm按照时分多址的方式转发数据，是指船舶ship_upselj占用第j+1个时隙发送数据，其中j∈{1,l,m}，ship_upselj∈{ship_upsel1,ship_upsel2,lship_upselm}；

2123)卫星b对第一个时隙到第m+1个时隙接收到的数据按照最大比合并的方法得到最终数据，完成一次从船舶a到卫星b的上行数据传输；

22)从卫星b到船舶a的下行数据传输，具体包括以下步骤：

221)下行中继船舶的选择；包括以下步骤：

2211)根据vdes系统参数，对于船舶shipi，分别计算其中i∈{1,l,l}；

2212)对于所有的计算结果，进行关于i的从大到小排序，即

2213)对于的排序结果，选出前n只最大值所对应的船舶序号i，对选出的前n个对应序号的船舶依次进行编号，分别编号为ship_downsel1,ship_downsel2,lship_downseln，其中1≤n≤l；如果后续的中继船舶shipi不是采用放大再转发的方式，而是采用解码再转发的信号处理方式，则此时的下行中继船舶ship_downsel1,ship_downsel2,lship_downseln是选择能正确解码原信号的前n只最大值所对应的船舶序号i，也分别编号为ship_downsel1,ship_downsel2,lship_downseln；

222)按照下行中继船舶的选择结果来进行下行数据传输；将下行中继船舶的选择结果通过广播信道广播给选中的n只下行中继船舶ship_downsel1,ship_downsel2,lship_downseln，然后在选中的中继船舶的帮组下进行从卫星b到船舶a的下行数据传输；具体包括以下步骤：

2221)在第一个时隙，卫星b按照发送功率发送信号频率f2向船舶a和n个下行中继船舶ship_downsel1,ship_downsel2,lship_downseln发送数据，船舶a和n个下行中继船舶接收数据；

2222)在后续的n个时隙中，即在第二个时隙到第n+1个时隙中，下行中继船舶ship_downsel1,ship_downsel2,lship_downseln先对接收的数据进行处理，然后再按照时分多址的方式将处理后的数据转发给船舶a，发送功率分别为发送信号频率均为f3，船舶a接收数据；其中，所述的下行中继船舶ship_downsel1,ship_downsel2,lship_downseln对接收的数据进行处理包括两种方式，一种是放大再转发方式，一种是解码再转发方式，可以根据系统需要选择其中的一种数据处理方式；所述的n只下行中继船舶按照时分多址的方式转发数据，是指船舶ship_downselj占用第j+1个时隙发送数据，其中j∈{1,l,n}，ship_downselj∈{ship_downsel1,ship_downsel2,lship_downseln}；

2223)船舶a对第一个时隙到第n+1个时隙接收到的数据，按照最大比合并的方法得到最终数据，完成从卫星b到船舶a的下行数据传输。

本发明的一种vdes系统中基于船舶间协作的数据传输方法，能够提高船舶与卫星通信时的接收信号质量。而且本发明在船舶a到卫星b的信道质量极差且船舶a需要向卫星b发送求救信号时，船舶a可以通过中继船舶的协作将求救信号发送给卫星b，此情况下该发明中的方法可以发挥重要作用。

附图说明

图1为本发明所公开的一种vdes系统中基于船舶间协作的数据传输方法中的步骤框图；

图2为本发明所公开的一种vdes系统中基于船舶间协作的数据传输方法中的上行数据传输示意图；

图3为本发明所公开的一种vdes系统中基于船舶间协作的数据传输方法中的下行数据传输示意图；

图4为本发明所公开的一种vdes系统中基于船舶间协作的数据传输方法中，从船舶a到卫星b的上行数据传输的仿真结果图；

图5为本发明所公开的一种vdes系统中基于船舶间协作的数据传输方法中，从卫星b到船舶a的下行数据传输的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。

实施例1

如图1所示，本发明所公开的一种vdes系统中基于船舶间协作的数据传输方法，包括以下步骤：

步骤一：vdes系统参数的设置；当船舶a与卫星b之间传输数据时，设船舶a的通信半径范围内有l只船舶，分别编号为ship1,ship2,lshipl，其中第i只船舶记为船舶shipi，i∈{1,2,l,l}；船舶与所述的卫星b之间上行的通信频率为f1、下行的通信频率为f2；船舶与船舶之间的通信频率为f3；船舶a到卫星b的上行信道系数为ha,b，卫星b到船舶a的下行信道系数为hb,a；船舶shipi到卫星b的上行信道系数为卫星b到船舶shipi的下行信道系数为船舶a到船舶shipi、船舶shipi到船舶a的信道系数分别为所有节点均采用半双工工作方式；

步骤二：船舶a与卫星b进行基于船舶间协作的数据传输：

包括从船舶a到卫星b的上行数据协作传输和从卫星b到船舶a的下行数据协作传输两种情况：

21)从船舶a到卫星b的上行数据协作传输如图2所示，包括以下步骤：

211)上行中继船舶的选择；包括以下步骤：

2111)根据vdes系统参数，对于所述的船舶shipi，分别计算

2112)对于所有的计算结果，进行关于i的从大到小排序，即

2113)根据的排序结果，选出前m个最大值所对应的船舶序号i；对选出的前m个对应序号的船舶shipi依次重新进行编号，分别编号为ship_upsel1,ship_upsel2,lship_upselm，其中1≤m≤l；如果后续的中继船舶不是采用放大再转发的方式，而是采用解码再转发的信号处理方式，则此时的中继船舶是选择能正确解码原信号的前m个最大值所对应的船舶序号i，也分别编号为ship_upsel1,ship_upsel2,lship_upselm；

212)按照上行中继船舶的选择结果来进行上行数据传输：将上行中继船舶的选择结果通过广播信道广播给选中的m只上行中继船舶ship_upsel1,ship_upsel2,lship_upselm，然后在选中的中继船舶的帮助下进行从船舶a到卫星b的上行数据传输，具体包括以下步骤：

2121)在第一个时隙，船舶a按照发送功率发送信号频率f1向卫星b发送数据xa，卫星b接收到的数据为与此同时船舶a按照发送功率发送信号频率f3向m只上行中继船舶ship_upsel1,ship_upsel2,lship_upselm也发送数据xa，m只上行中继船舶ship_upsel1,ship_upsel2,lship_upselm接收数据，ship_upselj的接收数据为其中j∈{1,l,m}，na,b和分别为对应的加性高斯白噪声，方差为分别为和假设所有加性高斯白噪声相互独立且均服从均值为0的圆对称复高斯分布。则从船舶a到卫星b链路的接收信干噪比为其中已假设e{|xa|²}＝1，e{·}表示数学期望。从船舶a到ship_upselj链路的接收信干噪比为

2122)在后续的m个时隙中，也就是说在第二个时隙到第m+1个时隙中，上行中继船舶ship_upsel1,ship_upsel2,lship_upselm先对接收的数据进行处理，其数据处理包括两种数据处理方式，一种是放大再转发(amplifyandforward，af)方式，一种是解码再转发(decodeandforward，df)方式，可以根据系统需要选择其中的一种数据处理方式。

如果选择af方式，ship_upselj的处理后数据为其中j∈{1,l,m}，为中继船舶ship_upselj的中继放大系数；如果采用df方式，ship_upselj的处理后数据为也就是说已经正确解码原信号。然后m个中继船舶再按照时分多址的方式将处理后的数据转发给卫星b，发送功率分别为为发送信号频率均为f1，卫星b接收数据；其中，m个上行中继船舶按照时分多址的方式转发数据，是指船舶ship_upselj占用第j+1个时隙发送数据，其中j∈{1,l,m}，ship_upselj∈{ship_upsel1,ship_upsel2,lship_upselm}。则卫星b在时隙j+1接收到的来自ship_upselj的数据为因此从船舶ship_upselj到卫星b链路的接收信噪比为

2123)卫星b对第一个时隙到第m+1个时隙接收到的数据按照最大比合并的方法得到最终数据，则采用af方式时卫星b总的接收信噪比为采用df方式时卫星b总的接收信噪比为从这两个表达式可以看出，无论是af方式还是df方式，卫星b总的接收信噪比均比直达链路的接收信噪比γa,b要大，因此与没有船舶间协作的直接发送相比，上行接收检测准确度会提高，信号质量会提高。

也就是说，卫星b通过对直达链路和转发链路接收到的信号进行合并可获得分集增益，从而提高接收信号质量。而且本发明在船舶a到卫星b的信道质量极差且船舶a需要向卫星b发送求救信号时，船舶a可以通过中继船舶的协作将求救信号发送给卫星b，此情况下该发明中的方法可以发挥重要作用。

22)从卫星b到船舶a的下行数据传输如图3所示，具体包括以下步骤：

221)下行中继船舶的选择；包括以下步骤：

2211)根据vdes系统参数，对于船舶shipi，分别计算其中i∈{1,l,l}；

2212)对于所有的计算结果，进行关于i的从大到小排序，即

2213)对于的排序结果，选出前n只最大值所对应的船舶序号i，对选出的前n个对应序号的船舶依次进行编号，分别编号为ship_downsel1,ship_downsel2,lship_downseln，其中1≤n≤l；如果后续的中继船舶shipi不是采用放大再转发的方式，而是采用解码再转发的信号处理方式，则此时的下行中继船舶ship_downsel1,ship_downsel2,lship_downseln是选择能正确解码原信号的前n只最大值所对应的船舶序号i，也分别编号为ship_downsel1,ship_downsel2,lship_downseln；

222)按照下行中继船舶的选择结果来进行下行数据传输；将下行中继船舶的选择结果通过广播信道广播给选中的n只下行中继船舶ship_downsel1,ship_downsel2,lship_downseln，然后在选中的中继船舶的帮组下进行从卫星b到船舶a的下行数据传输；具体包括以下步骤：

2221)在第一个时隙，卫星b按照发送功率发送信号频率f2向船舶a和n个下行中继船舶ship_downsel1,ship_downsel2,lship_downseln发送数据xb，船舶a和n个下行中继船舶接收数据，则船舶a的接收数据为船舶ship_downselj的接收数据为因此，从卫星b到船舶a链路的接收信噪比为从卫星b到船舶ship_downselj链路的接收信噪比为其中已假设e{|xb|²}＝1。

2222)在后续的n个时隙中，也就是说在第二个时隙到第n+1个时隙中，下行中继船舶ship_downsel1,ship_downsel2,lship_downseln先对接收的数据进行处理，其数据处理包括两种数据处理方式，一种是af方式，一种是解码再转发df方式，可以根据系统需要选择其中的一种数据处理方式。

如果选择af方式，ship_downselj的处理后数据为其中j∈{1,l,n}，为中继船舶ship_downselj的中继放大系数；如果采用df方式，ship_downselj的处理后数据为也就是说已经正确解码原信号。

然后n个中继船舶再按照时分多址的方式将处理后的数据转发给船舶a，发送功率分别为为发送信号频率均为f3，船舶a接收数据；其中，n个下行中继船舶按照时分多址的方式转发数据，是指船舶ship_downseli占用第j+1个时隙发送数据，其中j∈{1,l,n}，ship_downselj∈{ship_downsel1,ship_downsel2,lship_downseln}；则船舶a在时隙j+1接收到的来自ship_downselj的数据为因此从船舶ship_downselj到船舶a链路的接收信噪比为

2223)船舶a对第一个时隙到第n+1个时隙接收到的数据按照最大比合并的方法得到最终数据。则采用af方式时船舶a总的接收信噪比为采用df方式时卫星b总的接收信噪比为从这两个表达式可以看出，无论是af方式还是df方式，船舶a总的接收信噪比均比直达链路的接收信噪比γb,a要大，因此与没有船舶间协作的直接发送相比，下行接收检测准确度会提高，信号质量会提高。

也就是说，船舶a通过对直达链路和转发链路接收到的信号进行合并可获得分集增益，从而提高接收信号质量。

本发明的一种vdes系统中基于船舶间协作的数据传输方法，能够提高船舶与卫星通信时的接收信号质量。而且本发明在船舶a到卫星b的信道质量极差且船舶a需要向卫星b发送求救信号时，船舶a可以通过中继船舶的协作将求救信号发送给卫星b，此情况下该发明中的方法可以发挥重要作用。

实施例2(实验例)

以下为对本发明方法进行仿真实验，以说明本发明方法的有效性和可行性。仿真实验假设所有信道均为相互独立的瑞利衰落信道，信道系数i,j表示船舶或者卫星，gi,j服从均值为0方差为1的圆对称复高斯分布，di,j表示相应的节点i和j之间的距离，υ为路径损耗系数。仿真参数设置为所有的卫星与船舶之间的距离均为为600km，所有的船舶与船舶之间的距离均为1km，路径损耗系数υ＝4。所有的加性高斯白噪声的方差均等于1，即且所有船舶发往卫星的信号发送功率均为110db×pt，所有卫星发往船舶的信号发送功率均为110db×pt，即所有船舶发往船舶的信号发送功率均为1db×pt，即其中pt为发送功率放大系数。

图4为从船舶a到卫星b的上行数据传输的仿真结果，反映了总的接收信噪与发送功率放大系数的关系。仿真参数设置为l＝5，m＝2。图4中的纵坐标为卫星b总的接收信噪比值，其结果为10000次随机生成信道系数所得到卫星b总的接收信噪比的平均值，横坐标为发送功率放大系数。从图4中可以看出基于船舶间协作的数据传输与直达链路(从船舶a到卫星b的直接发送)相比，可以提高卫星b总的接收信噪比，也就是说基于船舶间协作的数据传输方法与直接发送相比上行接收信噪比会提高，因此接收检测准确度会提高，接收信号质量会提高。此外，从图4中还可以看出，中继船舶采用df方式的接收信噪比要比中继船舶采用af方式的接收信噪比高。

图5为从卫星b到船舶a的下行数据传输的仿真结果，反映了总的接收信噪与发送功率放大系数的关系。仿真参数设置为l＝5，n＝1。图5中的纵坐标为船舶a总的接收信噪比值，其结果为10000次随机生成信道系数所得到船舶a总的接收信噪比的平均值，横坐标为发送功率放大系数。从图5中可以看出基于船舶间协作的数据传输与直达链路(从卫星b到船舶a的直接发送)相比，可以提高船舶a总的接收信噪比，也就是说基于船舶间协作的数据传输方法与直接发送相比下行接收信噪比会提高，因此接收检测准确度会提高，接收信号质量会提高。此外，从图5中还可以看出，中继船舶采用df方式的接收信噪比要比中继船舶采用af方式的接收信噪比高。

以上显示和描述了本发明的基本原理、实施步骤。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。