CN106301687B - 基于4比特crc纠错与迭代干扰消除算法的星载ais接收方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于4比特CRC纠错与迭代干扰消除算法的星载AIS接收方法，包括以下步骤：步骤A：对接收信号参数化建模；步骤B：解调输出序列，并进行CRC校验纠错，即对步骤A中的接收信号采用维特比解调，将解调后的序列送入校验纠错模块，对解调后的结果进行CRC校验，如果校验不通过则利用CRC纠错算法进行纠正；步骤C：迭代干扰消除模型，根据步骤B中获取的解调序列，重构AIS信号r1(t)，在原始接收信号中消除上述重构信号得r'(t)，再次重复步骤A和步骤B获得解调序列。与现有技术相比，本发明大幅提高了星载AIS系统的误码率性能，同时保证了算法的复杂度，对提高系统性能具有重要意义。

Description

基于4比特CRC纠错与迭代干扰消除算法的星载AIS接收方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种基于4比特CRC纠错与迭代干扰消除算法的星载AIS接收方法。
背景技术
随着世界信息化进程的不断推进，全球对海运环境的管理的要求也越来越高。AIS(船舶自动识别系统)实现了不同船只和船岸之间的互相通信，在海洋航运方面得到广泛应用。由于更广阔海域范围内的AIS应用需求增加，星载AIS以卫星覆盖面积广、距离地面高、通信环境好等特点很快成为世界各国的研究热点之一。但正是其覆盖范围大这一特点，导致其不可避免的存在信号冲突的特点。卫星波束可同时覆盖多个AIS通信小区，因此来自不同通信小区的信号可能在卫星接收端发生信号碰撞。因此在有信号碰撞的情况下如何提升解调性能，成为星载AIS接收应用的难点之一。
传统的低成本星载AIS接收方案主要基于2-bit差分解调器，其优势在于实现简单，并且受载频相位错误影响小。但是由于星载AIS存在同频信号干扰，2-bit差分解调器解调效果不够理想。基于最大似然检测相干解调方案虽然能有效改善解调性能，但是要求接收端恢复出一个与调制载波严格同步的相干载波，实现难度大。基于Laurent分解的非相干维特比解调方案，这种方案不需要进行载波的精确恢复，同时能够获得较好的解调效果。
研究发现CRC不仅能够用于校验错误，还具有一定的纠错能力，在基于Laurent分解的非相干解调的基础上加入2比特CRC纠错使得性能提升，但是其在低信噪比下的解调效果不够理想，在信干比为5dB，信噪比15dB时的丢包率仍然在10-1量级，无法满足实际应用中的解调需求。
研究发现AIS解调信号的比特错误模式大部分为连续的2比特及4比特错误。因此，仅仅使用2比特CRC校验无法进一步提升星载AIS系统的性能。同时，由于星载AIS的存在信号冲突明显这一特征，迭代作为通信系统中一种常见的改进措施普遍应用于Turbo解码，碰撞干扰消除，并在不同场景下均能带来0.2dB-2dB不等的增益。对于上述问题，需要研究一种利用CRC纠错能力和迭代干扰消除技术来进一步提高星载AIS系统性能。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于4比特CRC纠错与迭代干扰消除算法的星载AIS接收方法，通过分析星载AIS信号的冲突特征以及解调序列比特出错的类型，利用4比特CRC校验纠错，将解调输出序列进行CRC纠错，从而得到更为精确的解调结果。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于4比特CRC纠错与迭代干扰消除算法的星载AIS接收方法，包括以下步骤：
步骤A：对接收信号参数化建模，星载AIS系统的接收信号r(t)参数包括信号的个数、信噪比和信号之间的功率差，用于构建卫星接收信号模型；
步骤B：解调输出序列，并进行CRC校验纠错，即对步骤A中的接收信号采用维特比解调，将解调后的序列送入校验纠错模块，对解调后的结果进行CRC校验，如果校验不通过则利用CRC纠错算法进行纠正；
步骤C：迭代干扰消除模型，根据步骤B中获取的解调序列，重构AIS信号r1(t)，在原始接收信号中消除上述重构信号得r'(t)，再次重复步骤A和步骤B获得解调序列
所述的步骤A采用高斯最小频移键控(GMSK)调制方式，具体为：
步骤A1：对发送二进制序列{a}取值为±1，进行GMSK调制，
其中s(t)为GMSK调制信号，为信号相位；
T为信号的采样周期，即为码元宽度，Es代表每个信息码元的能量，i为采样点，t为采样时间，q(t)为相位脉冲函数，其计算表达式为：
其中，g(t)为高斯滤波器的矩形脉冲响应，τ为积分变量，其计算表达式为：
其中L为相关长度，值为3,Q(x)计算表达式为：
步骤A2：对AIS信号进行Laurent分解，降低复杂度，二进制恒幅调相信号均可由一系列脉冲幅度调制PAM信号表示，其中信号能量集中在第一个脉冲波形中C0，
其中b0，n根据下式递归计算
bn,0＝janbn-1,0
其中an为NRZI编码后的序列、bn-1,0为第一个脉冲波形在n-1时刻的幅度系数、为t＝n时刻的相位；
步骤A3：根据信号的载干比CIR＝[c1 c2]参数，将多路AIS信号进行混合，其混合后的信号sh(t)表达式表示为：
sh(t)＝c1s1(t)+c2s2(t)
其中，s1(t)和s2(t)为两路信号；
为发射信号添加高斯白噪声n(t)，接收信号表示为：
r(t)＝sh(t)+n(t)。
所述的步骤B具体如下：
步骤B1：对接收信号进行维特比解调,对两路信号混叠情况下的解调性能进行仿真，并统计每种错误比特个数在总的错误情况中所占百分比；
步骤B2：对解调后的序列进行CRC校验纠错，针对上述步骤分析，信号错误比特出现4比特错误概率在高信噪比的情况下逐渐增加。在高信噪比下解调结果会存在2bit连续错误，由于AIS信号使用差分编码，输出解调结果错误会以“错对错”(简写为WCW)的形式出现，经过统计分析发现4比特错误形式进行分析，发现4比特错误中大部分是两组“错对错”。在兼顾性能和算法复杂度的情况下，采取比特反转的方式进行纠错。所述的比特反转为：将0变成1，将1变成0。
所述的步骤B2具体为：
步骤B21：从信号的第一个比特开始，根据错误类型特点，将第一个比特和第三个比特进行反转(0,1反转)，纠正第一组“错对错”；
步骤B22：在第一组“错对错”位置后面，开始寻找第二组“错对错”对；即保持第一组位置不变，依次在后面比特位置(两个比特间隔1)反转比特，试探；每试探一次，将结果进行CRC校验，如果CRC校验通过，说明找到的两组错误对是正确的，且得到了纠正；
步骤B23：在保持第一组位置不变，第二组遍历结束后，如果还没有校验通过，则移动第一组位置，再次以步骤B22的形式进行遍历寻找第二组位置，直到遍历结束。
所述的步骤C具体为：
步骤C1：将解调结果重构成AIS信号r1(t)，并在接收信号中消除该信号，其计算公式为：
r′(t)＝r(t)-r1(t)
其中为第一路重构信号、为第一路解调序列、r(t)为接收机接收信号、r′(t)为消除第一路信号后的余下信号；
步骤C2：再次将余下的信号作为本系统的输入信号，再次重复上述步骤B得到输出序列
与现有技术相比，本发明大幅提高了星载AIS系统的误码率性能，同时保证了算法的复杂度，对提高系统性能具有重要意义。
附图说明
图1为星载AIS接收系统框架示意图；
图2为本发明的逻辑过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在两路信号混叠情况下，星载AIS系统的信噪比取值区间为SNR＝10-25dB，两路信号的相对功率差为CIR＝[0，-5]，符号序列长度为256。构建出接收信号序列。本发明的星载AIS接收方案的流程图如图2所示，具体步骤如下：
1)将接收信号作为输入信号输入到系统中，对信号进行维特比解调，得到解调输出序列。
2)从信号的第一个比特开始，根据错误类型特点，将第一个比特和第三个比特进行反转(0,1反转)，纠正第一组“错对错”。
3)在第一组“错对错”位置后面，开始寻找第二组“错对错”对。即保持第一组位置不变，依次在后面比特位置(两个比特间隔1)反转比特。每寻找到两个“错对错”组，将结果进行CRC校验。如果CRC校验通过，则输出解调序列，否则继续移动第二组位置，直到遍历结束。
4)在保持第一组位置不变，第二组遍历结束后，如果还没有校验通过，则移动第一组位置，再次进行上述步骤进行遍历寻找第二组位置。直到遍历结束。
5)采用迭代干扰消除技术，对解调序列进行重构。并在接收信号中消除重构后的信号，将余下信号重新输入系统，直到解调输出第二路信号。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于4比特CRC纠错与迭代干扰消除算法的星载AIS接收方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：对接收信号参数化建模，星载AIS系统的接收信号r(t)参数包括信号的个数、信噪比和信号之间的功率差，用于构建卫星接收信号模型；
步骤B：解调输出序列，并进行CRC校验纠错，即对步骤A中的接收信号采用维特比解调，将解调后的序列送入校验纠错模块，对解调后的序列进行CRC校验，如果校验不通过则利用CRC纠错算法进行纠正；
步骤C：迭代干扰消除模型，根据步骤B中获取的解调序列，重构AIS信号r1(t)，在原始接收信号中消除上述重构信号得r'(t)，再次重复步骤A和步骤B获得解调序列
所述的步骤B具体如下：
步骤B1：对接收信号进行维特比解调,对两路信号混叠情况下的解调性能进行仿真，并统计每种错误比特个数在总的错误情况中所占百分比；
步骤B2：对解调后的序列进行CRC校验纠错，在兼顾性能和算法复杂度的情况下，采取比特反转的方式进行纠错，所述的比特反转为：将0变成1，将1变成0；
所述的步骤B2具体为：
步骤B21：从信号的第一个比特开始，根据错误类型特点，将第一个比特和第三个比特进行反转，纠正第一组“错对错”；
步骤B22：在第一组“错对错”位置后面，开始寻找第二组“错对错”对；即保持第一组位置不变，依次在后面比特位置反转比特，试探；每试探一次，将结果进行CRC校验，如果CRC校验通过，说明找到的两组错误对是正确的，且得到了纠正；
步骤B23：在保持第一组位置不变，第二组遍历结束后，如果还没有校验通过，则移动第一组位置，再次以步骤B22的形式进行遍历寻找第二组位置，直到遍历结束。
2.根据权利要求1所述的一种基于4比特CRC纠错与迭代干扰消除算法的星载AIS接收方法，其特征在于，所述的步骤A采用高斯最小频移键控(GMSK)调制方式，具体为：
步骤A1：对发送二进制序列{a}取值为±1，进行GMSK调制，
其中s(t)为GMSK调制信号，为信号相位；
T为信号的采样周期，即为码元宽度，Es代表每个信息码元的能量，i为采样点，t为采样时间，q(t)为相位脉冲函数，其计算表达式为：
其中，g(t)为高斯滤波器的矩形脉冲响应，t为积分变量，其计算表达式为：
其中L为相关长度，值为3,Q(x)计算表达式为：
步骤A2：对AIS信号进行Laurent分解，降低复杂度，二进制恒幅调相信号均可由一系列脉冲幅度调制PAM信号表示，其中信号能量集中在第一个脉冲波形中C0，
其中bn,0根据下式递归计算
bn,0＝janbn-1,0
其中an为NRZI编码后的序列、bn-1,0为第一个脉冲波形在n-1时刻的幅度系数、为n时刻的相位；
步骤A3：根据信号的载干比CIR＝[c1c2]参数，将多路AIS信号进行混合,c1、c2为两路信号的载干比，其混合后的信号sh(t)表达式表示为：
sh(t)＝c1s1(t)+c2s2(t)
其中，s1(t)和s2(t)为两路信号；
为发射信号添加高斯白噪声n(t)，接收信号表示为：
r(t)＝sh(t)+n(t)。
3.根据权利要求1所述的一种基于4比特CRC纠错与迭代干扰消除算法的星载AIS接收方法，其特征在于，所述的步骤C具体为：
步骤C1：将解调结果重构成AIS信号r1(t)，并在接收信号中消除该信号，r1(t)计算公式为：
r′(t)＝r(t)-r1(t)
其中为第一路重构信号、为第一路解调序列、r(t)为接收机接收信号、r′(t)为消除第一路信号后的余下信号，T为信号的采样周期，t为采样时间，q(t)为相位脉冲函数，i为采样点；
步骤C2：再次将余下的信号作为本系统的输入信号，再次重复步骤A和步骤B获得解调序列
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