一种船舶自动识别系统设计方案的制作方法
一种船舶自动识别系统设计方案的制作方法
【专利说明】-种船舶自动识别系统设计方案 (-)技术领域：
[0001] 本发明属于通信技术领域，设及船舶自动识别系统（AutomaticIdentification System,AIS)，特别是一种新型AIS系统设计。 (二）【背景技术】：
[0002] 原有的AIS系统中，当信道负载率大于60. 5%时，系统就会发生时隙冲突，导致接 收端的接收效率低下。因此需要设计一种新的AIS系统，增加系统的容量，解决时隙冲突问 题，提高接收端的接收效率。
[0003] 正交频分复用（(FDM)技术已广泛应用于IE邸802. 11，I邸E802. 16,4G移动通信等 无线通信领域。 (H)
【发明内容】
：
[0004] 本发明的目的是解决现有AIS系统容量小，高负载下接收效率低的问题。
[0005] 本发明的技术方案：
[0006] 一种新型船舶自动识别系统（AI巧系统设计方案，该方案使用正交频分复用技术 (OFDM)作为AIS系统物理层的核屯、技术，16QAM、QPSK作为AIS报文的调制方式，其步骤W 及各步骤细节如下：
[0007] 第1步、确定新型AIS系统的参数；
[000引第2步、结合第1步所得参数确定该系统的帖结构。
[0009] 所述第1步中根据AIS的信道带宽、时延扩展W及所要求的信息传输速率确定新 型AIS系统的参数的具体过程如下：
[0010] 在海上甚高频段，最大时延扩展为T= 300US，本发明选择保护间隔的长度Tg= 1. 33ms4T。
[0011] (FDM符号周期T= 5Tg= 6. 667ms，有效时间长度为AT=T-Tg= 5. 336ms,即 7； = ^A7V子载波间隔Af= 1/AT= 187.甜z，子载波个数N。。^。日=25曲z/187. 5Hz= 133,其中，5个子载波将用于导频，其余128个子载波用来传输数据，实际占用的带宽为 128X187. 5Hz= 24曲Z。
[001引IFFT/FFT内的采样点数需满足；
[0013] Nca"ies《IFFTsize-l(D
[0014] 其中N。。^。点OFDM系统子载波的个数，IFFTdw是IFFT/FFT内的采样点数，在本 系统中Neawe日=133，IFFTdze= 2。，因此在该里，IFFT/FFT内的采样点数为IFFTdze= 28 = 256,所WIFFT周期就是AT= 5. 336ms，由2； = ^Ar，所W该里循环前缀的长度为256/4 二 64。
[0015] 所述第2步中结合第1步所得参数确定该系统的帖结构的具体过程如下：
[0016] 第2.1步、从时域上设计如下：
[0017] 从时域上看，一个(FDM符号的周期为20/3ms，即6. 667ms，恰好是现有的AIS-个 时隙长度的^，即6.6671113 = 26.67/41113。因此，本系统一个时隙含有4个0抑1符号。
[001引 每一个帖可容纳2250X4 = 9000个OFDM符号，每个OFDM符号有128个数据子载 波。
[0019]
(2)
[0020] 其中，Nm"du代表调制指数、Ndatasym表示一个OFDM符号的数据子载波个数、Nsube表示 信号数量、Tf"m。表示一帖的时间；当使用16QAM调制各个子载波时，Nm"du= 4,由公式似可 得，Rdata= 76.8化PS，当使用QPSK调制各个子载波时，Nm"du= 2,可得Rdata= 38.地bps,远 远高于现有AIS的信道速率9. 6化PS。
[0021] 第2. 2步、从频域上进行设计：
[0022] AIS数据传输采用面向比特的协议，它一条标准报文位25化it。
[0023] 新型AIS每个时隙含有4个OFDM符号，每一个OFDM符号含有128个数据子载波。 W使用16QAM调制为例，每个子载波可W携带4bit的信息，一个AIS标准报文需要占用 256bit/4bit= 64个子载波。由于新型AIS系统的每个时隙含有4个OFDM符号，那么把报 文所需的64个子载波平分到该四个(FDM符号上去，即一个用户占用该时隙的每个(FDM符 号的64/4 = 16个子载波。为了接收端接收信息的方便，新型AIS系统采取占用每个OFDM 符号连续16个子载波的方式。为了描述的方便，本发明将OFDM符号的133个子载波从0到 132编号，把每个OFDM符号的第0、33、66、99、132个子载波作为导频，第1-16个子载波作为 第一个用户使用，称为第0发送单元；第17-32个子载波作为第二个用户使用，称为第1发 送单元；第34-49个子载波作为第=个用户使用，称为第2发送单元；第50-65个子载波作 为第四个用户使用，称为第3发送单元；第67-82个子载波作为第五个用户使用，称为第4 发送单元；第83-98个子载波作为第六个用户使用，称为第5发送单元；第100-115个子载 波作为第走个用户使用，称为第6发送单元；第116-131个子载波作为第八个用户使用，称 为第7发送单元。当使用QPSK调制时，按照上述计算方法，可W得到该调制下的子载波分 配情况。
[0024] 本发明的优点和有益效果：
[0025] ①提高了AIS的频谱利用率，在使用16QAM作为调制方式时，每个用户仅占用3曲Z 的带宽。②本发明设计新型AIS系统的主要目的在于提高AIS网络的容量，从而减少了时 隙冲突。 (四）【附图说明】：
[0026] 图1为本发明方案中系统时隙示意图。
[0027] 图2为本发明方案中系统帖结构示意图。
[002引图3为本发明方案中AIS标准报文结构图。
[0029] 图4为本发明方案中初始化的动态帖图。 (五）【具体实施方式】
[0030] W下将参照图1-4对本发明的【具体实施方式】进行说明。
[0031] 一种新型AIS系统设计方案，该方案使用正交频分复用技术（(FDM)作为AIS系统 物理层的核屯、技术，其步骤W及各步骤细节如下：
[0032] 第1步、确定新型AIS系统的参数；
[0033] 第2步、结合第1步所得参数确定该系统的帖结构。
[0034] 所述第1步中根据AIS的信道带宽、时延扩展W及所要求的信息传输速率确定新 型AIS系统参数的具体过程如下：
[0035] 在海上甚高频段，最大时延扩展为T=300yS，本发明选择保护间隔的长度Tg= 1. 33ms4T。
[0036](FDM符号周期T= 5Tg= 6. 667ms，有效时间长度为AT=T-Tg= 5. 336ms,即 2； =^Ar，-子载波间隔Af= 1/AT= 187.甜z，子载波个数N。。^。日=25曲z/187. 5Hz= 133,其中，5个子载波将用于导频，其余128个子载波用来传输数据，实际占用的带宽为128X187. 5Hz= 24曲Z。
[0037]IFFT/FFT内的采样点数需满足；
[003引Ncarries《IFFTsize-l(D
[0039] 其中点OFDM系统子载波的个数，IFFTdw是IFFT/FFT内的采样点数，在本 系统中Neawe日=133，IFFTdze= 2。，因此在该里，IFFT/FFT内的采样点数为IFFTdze= 28 = 256,所WIFFT周期就是AT= 5. 336ms，由7； = ^A；r，所W该里循环前缀的长度为256/4 = 64。各参数数值如表1所示。
[0040] 所述第2步中结合第1步所得参数确定该系统的帖结构的具体过程如下：
[0041] 第2. 1步、从时域上设计如下：
[0042] 从时域上看，一个(FDM符号的周期为20/3ms，即6. 667ms，恰好是现有的AIS-个 时隙长度的1，即6. 667ms= 26. 67/4ms。因此，本系统一个时隙含有4个(FDM符号。图 4 1为系统时隙示意图，每一个时隙含有4个OFDM符号，图2为系统帖结构示意图，每一帖由 2250个时隙构成。黑色部分表示循环前缀，白色部分表示信号。
[0043] 每一个帖可容纳2250X4 = 9000个OFDM符号，每个OFDM符号有128个数据子载 波。
[0044]
(2)
[0045] 其中，Nm"du代表调制指数、Ndatasym表示一个OFDM符号的数据子载波个数、Nsube表示 信号数量、Tf"m。表示一帖的时间；当使用16QAM调制各个子载波时，Nm"du= 4,由公式似可 得，Rdata= 76.8化PS，当使用QPSK调制各个子载波时，Nm"du= 2,可得Rdata= 38.地bps,远 远高于现有AIS的信道速率9. 6化PS。各参数数值如表1所示。
[0046] 表1新型AIS系统参数表
[0047]
[0048] 第2. 2步、从频域上进行设计：
[0049]AIS数据传输采用面向比特的协议，它一条标准报文位25化it,如图3所示 [0化0] 新型AIS每个时隙含有4个OFDM符号，如图1所示，每一个OFDM符号含有128个 数据子载波。W使用16QAM调制为例，每个子载波可W携带4bit的信息，一个AIS标准报 文需要占用25化it/4bi t= 64个子载波。由于新型AIS系统的每个时隙含有4个OFDM符 号，那么把报文所需的64个子载波平分到该四个(FDM符号上去，即一个用户占用该时隙的 每个OFDM符号的64/4 = 16个子载波。为了接收端接收信息的方便，新型AIS系统采取 占用每个OFDM符号连续16个子载波的方式。为了描述的方便，本发明将OFDM符号的133 个子载波从0到132编号，把每个OFDM符号的第0、33、66、99、132个子载波作为导频，第 1-16个子载波作为第一个用户使用，称为第0发送单元；第17-32个子载波作为第二个用 户使用，称为第1发送单元；第34-49个子载波作为第=个用户使用，称为第2发送单元；第 50-65个子载波作为第四个用户使用，称为第3发送单元；第67-82个子载波作为第五个用 户使用，称为第4发送单元；第83-98个子载波作为第六个用户使用，称为第5发送单元；第 100-115个子载波作为第走个用户使用，称为第6发送单元；第116-131个子载波作为第八 个用户使用，称为第7发送单元。当使用QPSK调制时，按照上述计算方法，可W得到该调制 下的子载波分配情况。子载波分配情况如表2所示。
[0化1] 表2新型AIS子载波分配表
[0化2]
[005引现有的AIS系统采用自组织时分多址（SOTDMA)协议，为了和现有的AIS系统兼 容，本发明对自组织时分多址（S0TDMA)协议进行了改进，W满足新型AIS系统的需要。 [0化4]AIS访问数据链路采用的是时分多址技术，根据不同的应用和操作模式采用不同 的协议。自组织时分多址（S0TDMA)、增量时分多址aTDMA)、随机时分多址（RATDMA)、固定 接入时分多址（FATDMA)，该四中协议有机连续的应用保障了AIS的正常工作，其中SOTDMA 是AIS通信协议的基本部分，其它=种协议是为SOTDMA协议服务的。
[0化5]AIS系统的工作流程有初始化阶段、网络登录阶段、第一帖阶段、自主连续工作阶 段（分配工作、轮询）、改变报告率阶段。新型AIS系统的初始化阶段和网络登录阶段与现 有的AIS系统有所区别，其余流程不变。
[0化6] 初始化阶段；台站在开机之后，需要监测TDMA信道一分钟W确定信道的活动性、 其它成员的ID、其他用户的当前时隙指配和位置报告W及可能存在的基站，建立一个在此 系统中所有用户的动态目录，构成反映TDMA信道活动性的帖图。一分钟后，电台进入网络。 [0化7] 在新型AIS系统中，台站需要确定每个发送单元上当前其他用户的时隙指配和 位置报告情况，建立一个时频二维的TDMA信道活动性的动态帖图。如图4所示，纵坐标 yi表示发送单元，i= 0, 1，... 7 ;横坐标Xi表示AIS1、AIS2两个信道的时隙占用数，X1 = 0, 1，... 2249,例如图4中有一点坐标（X5，ys) = (2243, 5)，表示第5发送单元所在的信道 时隙占用数为2243。为了方便信息的收发和初始化监测，每一个台站的AISUAIS2两个信 道使用同一个发射单元，因此两个信道中的Xi值是一样的。台站从该动态图中选择时隙占 用数最少的发送单元作为该台站使用，一分钟后，电台从该单元进入网络。
[0化引网络登录阶段；AIS系统在该个阶段最主要的目的是选择发射的第一个时隙，向 其它参与电台表明自己的存在。
[0化9] 新型AIS从已选的发射单元进入网络，在该单元确定第一个发射时隙后，将该单 元上的该个时隙标记为内部使用，该样其它参与的台站就可W对其可见了。
[0060] 本发明对新型AIS系统的性能做了分析如下：
[0061] SOTDMA网络通信系统最主要的性能指标是：系统负载率、系统的容量。系统负载 率是指某段时间内，系统中所有用户发送信息时理论上所需占用的时隙数与系统总的时隙 数的比率。容量是指系统可W容纳的船舶的数量。
[0062] 新型AIS系统容量分析；在基于SOTDMA通信系统当中，当船舶发射信号的平均周 期为T，一个子帖时隙的时间长度为L时，则每一个信道中最大的用户数量M应满足：
[0063]
(3)
[0064] 在AIS帖结构中，一个时隙的长度为1；。=0. 0267s，一个子帖连续占用n个时隙， 则AIS发射一个子帖的时间为：
[0065] Ts=nXTs〇=0. 〇267n (4)代入（3)式可得，M<。，根据AIS标准，一 0.0267/7 个用户最多占用5个连续的时隙，即rim"= 5。在一般情况下，n= 1，即每个用户只占用一 个时隙，因此每个发送频段的容量取决于船舶发送信号的周期和各种船舶的比例，船舶发 送信号的周期和船舶的航行状态有关。
[0066] 当每个发送单元中只有一种航行状态时，从式（3)中可W得到在单个发送单元 中，只有一种航行状态时的最大容量，由于本系统A、B两个信道各有八个发送单元，因此新 型AIS系统的容量是现有AIS系统容量的8倍。
[0067] 当每个发送单元中有多种航行状态时，计算每个发送频段的容量时应考虑各种状 态船舶的发射周期W及它们所占比例，该里设各状态船舶的比例为Ci(i= 1，2, 3. .. 8)，各 状态船舶数量为Mi，Ti为各状态船舶的发射周期，i代表8种航行状态，N为发送单元的船 舶总量，则满足：
[0072] 在知道。的情况下，根据（7)式便可W计算出该发射单元的船舶数量。
[0073] 高负载下新型AIS系统容量分析：
[0074] SOTDMA算法的参数定义如表3所示。
[00巧]表3S0TDMA算法的参数
[0076]
[0077]在AIS中，每个用户的超时t为3~7帖随机分配，所W每个发射时隙的随机释放 概率为：
[007引
巧）
[0079]系统负载率也称时隙占用率，即系统中所有用户发送信息时理论上占用的时隙数 N。和系统一帖内的时隙总数n的比值，用P1表示：
[0080]
(9)
[0081] 当信道负载比较低时，时隙发射成功率k可近似为1。根据SOTDMA算法，为了减少 时隙冲突的概率，每个用户应当从信道的可选时隙中确定4个W上的候选时隙，然后在确 定的候选时隙中，随机选择一个时隙作为最终的发射时隙。
[0082] 每个参与预约用户可分的时隙数可表示为：
[0083]
(10)
[0084]Np表示一帖内参与预约的时隙数。将4,k= 1，Pf= 0.218代入式（11)可 得：
[0090]化简可得0. 605。
[0091] 因此在理论上，当信道负载Pi《0. 605时，系统不会发生时隙冲突，该个界限在新 型AIS系统和现有的AIS系统中同样适用。下面讨论信道高负载与AIS系统容量的关系。
[0092] 由SOTDMA算法原理并结合式（7)可得，一帖时间内所有用户发送信息时理论上占 用的时隙数N。可表示为：
[0098] 由式（15)可得负载率Pi和系统中船舶数量N成正比，与一帖中总的时隙数n成反 比。当两种系统中船舶数量一定时，n越大，Pi越小。新型AIS的一帖时隙数为rii= 18000， 而现有的AIS的一帖时隙数为ri2= 2250,当两种系统的船舶数量相等时，将n1和n2代入式 (15)可得，化=^，因此，新型AIS系统负载率是现有AIS系统的^发生时隙冲突的概〇〇 率更小。
[0099] 由式（16)可得，系统容量N与负载率Pi成正比，与一帖中总的时隙数n成正比。 当两种系统的负载率相同时，n越大，N越大。将ni和n2代入式（16)可得，Ni= 8N2,因此， 负载率相同时，新型AIS系统容纳的船舶数量是现有AIS系统的8倍。
【主权项】
1. 一种新型船舶自动识别系统（AIS)的设计方案，其特征在于该方案包括： 第1步、确定新型AIS系统的参数； 第2步、结合第1步所得参数确定该系统的帧结构。2. 如权利要求1所述的方案，其特征在于，本发明使用正交频分复用技术（OFDM)作为 AIS系统物理层的核心技术，16QAM、QPSK作为AIS报文的调制方式，具体的参数设置如下： 第I. 1步、确定保护间隔Tg=I. 33ms; 第1. 2步、确定OFDM符号周期T= 6. 667ms; 第1. 3步、确定子载波的数量Ncanies= 133,子载波的间隔Af= 187. 5Hz。3. 如权利要求1所述的方案，其特征在于，第2步中所述的系统帧结构设计包括： AIS的一帧时间长度为lmin，每一帧含有2250个时隙，每个时隙含有4个OFDM符号， 一个AIS报文分别占用该时隙每个OFDM符号的连续16个子载波，在频域上，每个时隙被分 为8个部分，可供8个用户同时使用。
【专利摘要】本发明公开了一种新型船舶自动识别系统(AIS)的设计方案，新型AIS系统采用正交频分复用(OFDM)作为AIS系统的核心技术。该方案包括：新型AIS系统的参数设计；系统帧结构设计。
【IPC分类】H04L29/06, H04L5/00, G08G3/02
【公开号】CN104901969
【申请号】CN201510325841
【发明人】马社祥, 刘兆杰, 孟鑫, 王俊峰
【申请人】天津理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月15日...
【专利说明】-种船舶自动识别系统设计方案 (-)技术领域：
[0001] 本发明属于通信技术领域，设及船舶自动识别系统（AutomaticIdentification System,AIS)，特别是一种新型AIS系统设计。 (二）【背景技术】：
[0002] 原有的AIS系统中，当信道负载率大于60. 5%时，系统就会发生时隙冲突，导致接 收端的接收效率低下。因此需要设计一种新的AIS系统，增加系统的容量，解决时隙冲突问 题，提高接收端的接收效率。
[0003] 正交频分复用（(FDM)技术已广泛应用于IE邸802. 11，I邸E802. 16,4G移动通信等 无线通信领域。 (H)
【发明内容】
：
[0004] 本发明的目的是解决现有AIS系统容量小，高负载下接收效率低的问题。
[0005] 本发明的技术方案：
[0006] 一种新型船舶自动识别系统（AI巧系统设计方案，该方案使用正交频分复用技术 (OFDM)作为AIS系统物理层的核屯、技术，16QAM、QPSK作为AIS报文的调制方式，其步骤W 及各步骤细节如下：
[0007] 第1步、确定新型AIS系统的参数；
[000引第2步、结合第1步所得参数确定该系统的帖结构。
[0009] 所述第1步中根据AIS的信道带宽、时延扩展W及所要求的信息传输速率确定新 型AIS系统的参数的具体过程如下：
[0010] 在海上甚高频段，最大时延扩展为T= 300US，本发明选择保护间隔的长度Tg= 1. 33ms4T。
[0011] (FDM符号周期T= 5Tg= 6. 667ms，有效时间长度为AT=T-Tg= 5. 336ms,即 7； = ^A7V子载波间隔Af= 1/AT= 187.甜z，子载波个数N。。^。日=25曲z/187. 5Hz= 133,其中，5个子载波将用于导频，其余128个子载波用来传输数据，实际占用的带宽为 128X187. 5Hz= 24曲Z。
[001引IFFT/FFT内的采样点数需满足；
[0013] Nca"ies《IFFTsize-l(D
[0014] 其中N。。^。点OFDM系统子载波的个数，IFFTdw是IFFT/FFT内的采样点数，在本 系统中Neawe日=133，IFFTdze= 2。，因此在该里，IFFT/FFT内的采样点数为IFFTdze= 28 = 256,所WIFFT周期就是AT= 5. 336ms，由2； = ^Ar，所W该里循环前缀的长度为256/4 二 64。
[0015] 所述第2步中结合第1步所得参数确定该系统的帖结构的具体过程如下：
[0016] 第2.1步、从时域上设计如下：
[0017] 从时域上看，一个(FDM符号的周期为20/3ms，即6. 667ms，恰好是现有的AIS-个 时隙长度的^，即6.6671113 = 26.67/41113。因此，本系统一个时隙含有4个0抑1符号。
[001引 每一个帖可容纳2250X4 = 9000个OFDM符号，每个OFDM符号有128个数据子载 波。
[0019]
(2)
[0020] 其中，Nm"du代表调制指数、Ndatasym表示一个OFDM符号的数据子载波个数、Nsube表示 信号数量、Tf"m。表示一帖的时间；当使用16QAM调制各个子载波时，Nm"du= 4,由公式似可 得，Rdata= 76.8化PS，当使用QPSK调制各个子载波时，Nm"du= 2,可得Rdata= 38.地bps,远 远高于现有AIS的信道速率9. 6化PS。
[0021] 第2. 2步、从频域上进行设计：
[0022] AIS数据传输采用面向比特的协议，它一条标准报文位25化it。
[0023] 新型AIS每个时隙含有4个OFDM符号，每一个OFDM符号含有128个数据子载波。 W使用16QAM调制为例，每个子载波可W携带4bit的信息，一个AIS标准报文需要占用 256bit/4bit= 64个子载波。由于新型AIS系统的每个时隙含有4个OFDM符号，那么把报 文所需的64个子载波平分到该四个(FDM符号上去，即一个用户占用该时隙的每个(FDM符 号的64/4 = 16个子载波。为了接收端接收信息的方便，新型AIS系统采取占用每个OFDM 符号连续16个子载波的方式。为了描述的方便，本发明将OFDM符号的133个子载波从0到 132编号，把每个OFDM符号的第0、33、66、99、132个子载波作为导频，第1-16个子载波作为 第一个用户使用，称为第0发送单元；第17-32个子载波作为第二个用户使用，称为第1发 送单元；第34-49个子载波作为第=个用户使用，称为第2发送单元；第50-65个子载波作 为第四个用户使用，称为第3发送单元；第67-82个子载波作为第五个用户使用，称为第4 发送单元；第83-98个子载波作为第六个用户使用，称为第5发送单元；第100-115个子载 波作为第走个用户使用，称为第6发送单元；第116-131个子载波作为第八个用户使用，称 为第7发送单元。当使用QPSK调制时，按照上述计算方法，可W得到该调制下的子载波分 配情况。
[0024] 本发明的优点和有益效果：
[0025] ①提高了AIS的频谱利用率，在使用16QAM作为调制方式时，每个用户仅占用3曲Z 的带宽。②本发明设计新型AIS系统的主要目的在于提高AIS网络的容量，从而减少了时 隙冲突。 (四）【附图说明】：
[0026] 图1为本发明方案中系统时隙示意图。
[0027] 图2为本发明方案中系统帖结构示意图。
[002引图3为本发明方案中AIS标准报文结构图。
[0029] 图4为本发明方案中初始化的动态帖图。 (五）【具体实施方式】
[0030] W下将参照图1-4对本发明的【具体实施方式】进行说明。
[0031] 一种新型AIS系统设计方案，该方案使用正交频分复用技术（(FDM)作为AIS系统 物理层的核屯、技术，其步骤W及各步骤细节如下：
[0032] 第1步、确定新型AIS系统的参数；
[0033] 第2步、结合第1步所得参数确定该系统的帖结构。
[0034] 所述第1步中根据AIS的信道带宽、时延扩展W及所要求的信息传输速率确定新 型AIS系统参数的具体过程如下：
[0035] 在海上甚高频段，最大时延扩展为T=300yS，本发明选择保护间隔的长度Tg= 1. 33ms4T。
[0036](FDM符号周期T= 5Tg= 6. 667ms，有效时间长度为AT=T-Tg= 5. 336ms,即 2； =^Ar，-子载波间隔Af= 1/AT= 187.甜z，子载波个数N。。^。日=25曲z/187. 5Hz= 133,其中，5个子载波将用于导频，其余128个子载波用来传输数据，实际占用的带宽为128X187. 5Hz= 24曲Z。
[0037]IFFT/FFT内的采样点数需满足；
[003引Ncarries《IFFTsize-l(D
[0039] 其中点OFDM系统子载波的个数，IFFTdw是IFFT/FFT内的采样点数，在本 系统中Neawe日=133，IFFTdze= 2。，因此在该里，IFFT/FFT内的采样点数为IFFTdze= 28 = 256,所WIFFT周期就是AT= 5. 336ms，由7； = ^A；r，所W该里循环前缀的长度为256/4 = 64。各参数数值如表1所示。
[0040] 所述第2步中结合第1步所得参数确定该系统的帖结构的具体过程如下：
[0041] 第2. 1步、从时域上设计如下：
[0042] 从时域上看，一个(FDM符号的周期为20/3ms，即6. 667ms，恰好是现有的AIS-个 时隙长度的1，即6. 667ms= 26. 67/4ms。因此，本系统一个时隙含有4个(FDM符号。图 4 1为系统时隙示意图，每一个时隙含有4个OFDM符号，图2为系统帖结构示意图，每一帖由 2250个时隙构成。黑色部分表示循环前缀，白色部分表示信号。
[0043] 每一个帖可容纳2250X4 = 9000个OFDM符号，每个OFDM符号有128个数据子载 波。
[0044]
(2)
[0045] 其中，Nm"du代表调制指数、Ndatasym表示一个OFDM符号的数据子载波个数、Nsube表示 信号数量、Tf"m。表示一帖的时间；当使用16QAM调制各个子载波时，Nm"du= 4,由公式似可 得，Rdata= 76.8化PS，当使用QPSK调制各个子载波时，Nm"du= 2,可得Rdata= 38.地bps,远 远高于现有AIS的信道速率9. 6化PS。各参数数值如表1所示。
[0046] 表1新型AIS系统参数表
[0047]
[0048] 第2. 2步、从频域上进行设计：
[0049]AIS数据传输采用面向比特的协议，它一条标准报文位25化it,如图3所示 [0化0] 新型AIS每个时隙含有4个OFDM符号，如图1所示，每一个OFDM符号含有128个 数据子载波。W使用16QAM调制为例，每个子载波可W携带4bit的信息，一个AIS标准报 文需要占用25化it/4bi t= 64个子载波。由于新型AIS系统的每个时隙含有4个OFDM符 号，那么把报文所需的64个子载波平分到该四个(FDM符号上去，即一个用户占用该时隙的 每个OFDM符号的64/4 = 16个子载波。为了接收端接收信息的方便，新型AIS系统采取 占用每个OFDM符号连续16个子载波的方式。为了描述的方便，本发明将OFDM符号的133 个子载波从0到132编号，把每个OFDM符号的第0、33、66、99、132个子载波作为导频，第 1-16个子载波作为第一个用户使用，称为第0发送单元；第17-32个子载波作为第二个用 户使用，称为第1发送单元；第34-49个子载波作为第=个用户使用，称为第2发送单元；第 50-65个子载波作为第四个用户使用，称为第3发送单元；第67-82个子载波作为第五个用 户使用，称为第4发送单元；第83-98个子载波作为第六个用户使用，称为第5发送单元；第 100-115个子载波作为第走个用户使用，称为第6发送单元；第116-131个子载波作为第八 个用户使用，称为第7发送单元。当使用QPSK调制时，按照上述计算方法，可W得到该调制 下的子载波分配情况。子载波分配情况如表2所示。
[0化1] 表2新型AIS子载波分配表
[0化2]
[005引现有的AIS系统采用自组织时分多址（SOTDMA)协议，为了和现有的AIS系统兼 容，本发明对自组织时分多址（S0TDMA)协议进行了改进，W满足新型AIS系统的需要。 [0化4]AIS访问数据链路采用的是时分多址技术，根据不同的应用和操作模式采用不同 的协议。自组织时分多址（S0TDMA)、增量时分多址aTDMA)、随机时分多址（RATDMA)、固定 接入时分多址（FATDMA)，该四中协议有机连续的应用保障了AIS的正常工作，其中SOTDMA 是AIS通信协议的基本部分，其它=种协议是为SOTDMA协议服务的。
[0化5]AIS系统的工作流程有初始化阶段、网络登录阶段、第一帖阶段、自主连续工作阶 段（分配工作、轮询）、改变报告率阶段。新型AIS系统的初始化阶段和网络登录阶段与现 有的AIS系统有所区别，其余流程不变。
[0化6] 初始化阶段；台站在开机之后，需要监测TDMA信道一分钟W确定信道的活动性、 其它成员的ID、其他用户的当前时隙指配和位置报告W及可能存在的基站，建立一个在此 系统中所有用户的动态目录，构成反映TDMA信道活动性的帖图。一分钟后，电台进入网络。 [0化7] 在新型AIS系统中，台站需要确定每个发送单元上当前其他用户的时隙指配和 位置报告情况，建立一个时频二维的TDMA信道活动性的动态帖图。如图4所示，纵坐标 yi表示发送单元，i= 0, 1，... 7 ;横坐标Xi表示AIS1、AIS2两个信道的时隙占用数，X1 = 0, 1，... 2249,例如图4中有一点坐标（X5，ys) = (2243, 5)，表示第5发送单元所在的信道 时隙占用数为2243。为了方便信息的收发和初始化监测，每一个台站的AISUAIS2两个信 道使用同一个发射单元，因此两个信道中的Xi值是一样的。台站从该动态图中选择时隙占 用数最少的发送单元作为该台站使用，一分钟后，电台从该单元进入网络。
[0化引网络登录阶段；AIS系统在该个阶段最主要的目的是选择发射的第一个时隙，向 其它参与电台表明自己的存在。
[0化9] 新型AIS从已选的发射单元进入网络，在该单元确定第一个发射时隙后，将该单 元上的该个时隙标记为内部使用，该样其它参与的台站就可W对其可见了。
[0060] 本发明对新型AIS系统的性能做了分析如下：
[0061] SOTDMA网络通信系统最主要的性能指标是：系统负载率、系统的容量。系统负载 率是指某段时间内，系统中所有用户发送信息时理论上所需占用的时隙数与系统总的时隙 数的比率。容量是指系统可W容纳的船舶的数量。
[0062] 新型AIS系统容量分析；在基于SOTDMA通信系统当中，当船舶发射信号的平均周 期为T，一个子帖时隙的时间长度为L时，则每一个信道中最大的用户数量M应满足：
[0063]
(3)
[0064] 在AIS帖结构中，一个时隙的长度为1；。=0. 0267s，一个子帖连续占用n个时隙， 则AIS发射一个子帖的时间为：
[0065] Ts=nXTs〇=0. 〇267n (4)代入（3)式可得，M<。，根据AIS标准，一 0.0267/7 个用户最多占用5个连续的时隙，即rim"= 5。在一般情况下，n= 1，即每个用户只占用一 个时隙，因此每个发送频段的容量取决于船舶发送信号的周期和各种船舶的比例，船舶发 送信号的周期和船舶的航行状态有关。
[0066] 当每个发送单元中只有一种航行状态时，从式（3)中可W得到在单个发送单元 中，只有一种航行状态时的最大容量，由于本系统A、B两个信道各有八个发送单元，因此新 型AIS系统的容量是现有AIS系统容量的8倍。
[0067] 当每个发送单元中有多种航行状态时，计算每个发送频段的容量时应考虑各种状 态船舶的发射周期W及它们所占比例，该里设各状态船舶的比例为Ci(i= 1，2, 3. .. 8)，各 状态船舶数量为Mi，Ti为各状态船舶的发射周期，i代表8种航行状态，N为发送单元的船 舶总量，则满足：
[0072] 在知道。的情况下，根据（7)式便可W计算出该发射单元的船舶数量。
[0073] 高负载下新型AIS系统容量分析：
[0074] SOTDMA算法的参数定义如表3所示。
[00巧]表3S0TDMA算法的参数
[0076]
[0077]在AIS中，每个用户的超时t为3~7帖随机分配，所W每个发射时隙的随机释放 概率为：
[007引
巧）
[0079]系统负载率也称时隙占用率，即系统中所有用户发送信息时理论上占用的时隙数 N。和系统一帖内的时隙总数n的比值，用P1表示：
[0080]
(9)
[0081] 当信道负载比较低时，时隙发射成功率k可近似为1。根据SOTDMA算法，为了减少 时隙冲突的概率，每个用户应当从信道的可选时隙中确定4个W上的候选时隙，然后在确 定的候选时隙中，随机选择一个时隙作为最终的发射时隙。
[0082] 每个参与预约用户可分的时隙数可表示为：
[0083]
(10)
[0084]Np表示一帖内参与预约的时隙数。将4,k= 1，Pf= 0.218代入式（11)可 得：
[0090]化简可得0. 605。
[0091] 因此在理论上，当信道负载Pi《0. 605时，系统不会发生时隙冲突，该个界限在新 型AIS系统和现有的AIS系统中同样适用。下面讨论信道高负载与AIS系统容量的关系。
[0092] 由SOTDMA算法原理并结合式（7)可得，一帖时间内所有用户发送信息时理论上占 用的时隙数N。可表示为：
[0098] 由式（15)可得负载率Pi和系统中船舶数量N成正比，与一帖中总的时隙数n成反 比。当两种系统中船舶数量一定时，n越大，Pi越小。新型AIS的一帖时隙数为rii= 18000， 而现有的AIS的一帖时隙数为ri2= 2250,当两种系统的船舶数量相等时，将n1和n2代入式 (15)可得，化=^，因此，新型AIS系统负载率是现有AIS系统的^发生时隙冲突的概〇〇 率更小。
[0099] 由式（16)可得，系统容量N与负载率Pi成正比，与一帖中总的时隙数n成正比。 当两种系统的负载率相同时，n越大，N越大。将ni和n2代入式（16)可得，Ni= 8N2,因此， 负载率相同时，新型AIS系统容纳的船舶数量是现有AIS系统的8倍。
【主权项】
1. 一种新型船舶自动识别系统（AIS)的设计方案，其特征在于该方案包括： 第1步、确定新型AIS系统的参数； 第2步、结合第1步所得参数确定该系统的帧结构。2. 如权利要求1所述的方案，其特征在于，本发明使用正交频分复用技术（OFDM)作为 AIS系统物理层的核心技术，16QAM、QPSK作为AIS报文的调制方式，具体的参数设置如下： 第I. 1步、确定保护间隔Tg=I. 33ms; 第1. 2步、确定OFDM符号周期T= 6. 667ms; 第1. 3步、确定子载波的数量Ncanies= 133,子载波的间隔Af= 187. 5Hz。3. 如权利要求1所述的方案，其特征在于，第2步中所述的系统帧结构设计包括： AIS的一帧时间长度为lmin，每一帧含有2250个时隙，每个时隙含有4个OFDM符号， 一个AIS报文分别占用该时隙每个OFDM符号的连续16个子载波，在频域上，每个时隙被分 为8个部分，可供8个用户同时使用。
【专利摘要】本发明公开了一种新型船舶自动识别系统(AIS)的设计方案，新型AIS系统采用正交频分复用(OFDM)作为AIS系统的核心技术。该方案包括：新型AIS系统的参数设计；系统帧结构设计。
【IPC分类】H04L29/06, H04L5/00, G08G3/02
【公开号】CN104901969
【申请号】CN201510325841
【发明人】马社祥, 刘兆杰, 孟鑫, 王俊峰
【申请人】天津理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月15日...
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