0 引　言

海上无线通信的常见形式包括GPRS无线通信、海上卫星无线通信等，传统的无线通信形式存在兼容性差、数据传输的效率和速度低等问题，不同的无线通信系统之间往往不兼容。随着海上航运业的快速发展，低效的无线通信技术已经难以满足目前海上船舶领域的通信需求^[1]。

OFDM正交频分复用利用快速傅里叶变换等原理，在无线通信数字信号动态处理方面有明显优势，本文利用OFDM正交频分复用技术^[2-3]，研究船舶无线通信系统的信号同步技术，对于提高目前船舶无线通信系统的速度、准确性有一定推动作用。

1 OFDM正交频分复用通信技术原理

OFDM正交频分复用基于傅里叶变换和快速傅里叶逆变换，利用OFDM的调制和解调，可以支持信道的动态比特分配方法，充分利用信道衰落小、传输速度快的子信道^[4]，过滤掉信道衰落较大的信道，从而从整体上提高无线通信系统的性能。

OFDM正交频分复用技术的基本流程如图1所示^[5]。

OFDM基带信号由多个正交载波信号相互叠加而成，一个OFDM信号可表示为：

${{S}}({{t}}) = \frac{1}{{\sqrt N }}\sum\limits_{k = 0}^{N - 1} {{s_k}} {e^{j2{\text π} {f_k}t}} \text{。}$

式中： $Ts/N$ 为信号的采样间隔，载波信号的频率 ${f_k} = k/N{T_s}$ ，可得到离散后的采样信号为：

$S\left( {n{T_s}} \right) = \frac{1}{{\sqrt N }}\sum\limits_{k = 0}^{N - 1} {{s_k}} {e^{j2{\text π} kn/N}} 。$

OFDM的子载波信号如图2所示。

在OFDM技术中，有2种核心技术：

1）同步技术

OFDM的同步技术包括时间同步和频率同步2种，时间同步是指在接收端确定OFDM信号的起始点，作为接收端傅里叶时序变换的起始点，而频率同步又包括采样频率和载波频率同步2种，载波频率所针对的问题是信号传输过程的多普勒频移等偏差，采样频率同步是针对信号发射端和接收端的采样时钟偏差，本文重点研究船舶无线通信网络中的时间同步技术，确保船舶无线通信的时效性^[6]。

2）信道估计技术

OFDM的信道估计技术是无线信道传递函数的优化，包括时域和频域2种信道估计方法，在信号传输过程中，信道估计算法通过分析信号数据的种类、载波频率等信息，对网络的传输信道进行估计和判定，保证信道选择的最优。

2 基于OFDM技术的船舶无线通信同步技术 2.1 船舶无线通信网络的信号特性

与陆地无线通信网络相比，海上无线通信网络的信号衰减、噪声干扰、信号失真等问题更加显著，为了提高海上无线通信网络的信号传输质量，针对海上无线通信的信号特性进行研究，包括信号的衍射效应、反射效应和阴影效应等。

1）衍射效应

海上无线信号的衍射效应是由于地球曲率导致的，由于在一定尺度范围内，海上无线通信的信号发射端和接收端会被地球曲面所阻挡，当阻挡发生后，电磁波仍能够利用衍射效应进行传播，衍射效应的示意图如图3所示。

${r_e}$ 为地球半径，无线信号收发天线的视距弧长为：

$\begin{gathered} {d_1} = \sqrt {2{k_e}{r_e}{h_{Tx}}} ，\\ {d_2} = \sqrt {2{k_e}{r_e}{h_{Rx}}} 。\\ \end{gathered} \text{}$

式中： ${k_e}$ 为地球有效半径和实际半径的比值； ${h_{Tx}}$ 为发射端天线的高度； ${h_{Rx}}$ 为接收端天线的高度。

由于衍射效应会影响通信电磁波的发散效率，因此，使用发散系数表征这种信号损失，公式如下：

$D = \frac{1}{{\sqrt {\left( {1 + \displaystyle\frac{{2{r_1}{r_2}}}{{a\left( {{r_1} + {r_2}} \right)\sin \gamma }}} \right)\left( {1 + \displaystyle\frac{{2{r_1}{r_2}}}{{b\left( {{r_1} + {r_2}} \right)}}} \right)} }} \text{。}$

式中： ${r_1}$ 和 ${r_2}$ 分别为信号收发端地球半径和发射天线高度之和； $a$ 和 $b$ 均为误差系数； $\gamma$ 为信号发射角度。

2）反射效应

海上无线电波在传播过程中遇到不同介电常数的障碍时，会发生电磁波的发射效应，且与电磁波强度、介质表面的反射系数有关。在研究基于OFDM的船舶无线通信信号时，引入菲涅尔反射系数表征电磁波的反射效应，表示为：

$\begin{gathered} {\varGamma _v} = \frac{{{\eta _1}\cos \left( {{\theta _i}} \right) - {\eta _2}\cos \left( {{\theta _t}} \right)}}{{{\eta _1}\cos \left( {{\theta _i}} \right) + {\eta _2}\cos \left( {{\theta _t}} \right)}} ，\\ {\varGamma _h} = \frac{{{\eta _2}\cos \left( {{\theta _i}} \right) - {\eta _1}\cos \left( {{\theta _t}} \right)}}{{{\eta _2}\cos \left( {{\theta _i}} \right) + {\eta _1}\cos \left( {{\theta _t}} \right)}} 。\\ \end{gathered} \text{}$

式中： ${\varGamma _v}$ ， ${\varGamma _h}$ 分别为空气介质和海水介质的反射系数； ${\eta _1}$ ， ${\eta _2}$ 分别为空气和海水的折射率； ${\theta _i}$ ， ${\theta _t}$ 分别为入射角和反射角。

3）阴影效应

海上无线通信信号的阴影效应是由于海浪形状导致的，如图4所示。

定义海上无线通信的阴影因子为：

$\begin{gathered} S = \frac{1}{{1 + \varLambda \left( {{\theta _i},{\beta _0}} \right) + \varLambda \left( {{\theta _i},{\beta _0}} \right)}} ，\\ \varLambda \left( {{\theta _i},{\beta _0}} \right) = \frac{1}{2}\left[ {\sqrt {\frac{2}{\text π}} \frac{{{\beta _0}}}{{\cot {\theta _i}}}\exp \left( { - \frac{{{{\cot }^2}{\theta _i}}}{{2\beta _0^2}}} \right)} \right] 。\end{gathered} \text{}$

式中： $S$ 为阴影区域， ${\beta _0}$ 为反射波与海浪切线的夹角。

2.2 船舶无线通信的OFDM定时间同步技术

本文研究的重点是通过OFDM技术进行船舶无线通信网络的时间同步优化，对于海上无线通信终端，信号接收端需要通过解调来识别通信网络中的物理层数据帧，时间同步的意义是确定数据帧头的一致性。

海上无线通信网络的数据帧结构如图5所示。

数据帧包括辅助同步序列SSS、主同步序列PSS、导频符号、同步符号、数据符号和控制符号等，PSS序列以复数形式生成，如下：

${x_{pss}}\left( n \right) = {e^{ - j{\text π} w\left( {n + 1} \right)}} \text{。}$

式中：n为序列长度。

基于OFDM技术建立同步检测函数如下：

$M(d) = \frac{{|P(d){|^2}}}{{{{(R(d))}^2}}} \text{，}$

式中， $R(d)$ 为序列的能量归一化方程， $P(d)$ 为序列的OFDM时间同步方程，分别如下：

$\begin{gathered} P(d) = \sum\limits_{m = 100}^{N/2 - 1} {\left( {r(d + m + N/2)} \right)} ，\\ R(d) = \sum\limits_{m = 0}^{N/2 - 1} {} {(d + N/2)^2}。\\ \end{gathered}$

2.3 船舶无线通信的OFDM时间同步技术仿真

使用Matlab搭建海上无线通信系统的基带仿真平台，通信系统仿真平台的关键参数如表1所示。

图6为通信系统仿真平台Matlab程序示意图。

仿真过程采用信噪比−15～15 dB的输入信号，得到信号的时间同步性统计曲线如图7所示。

3 结　语

为了提高船舶无线通信网络的信号同步性，本文首先分析海上船舶无线通信技术的信号特性，从衍射、反射和阴影效应等方面分析海上无线信号传输的特点，重点结合OFDM正交频分技术处理船舶无线信号。Matlab仿真表明，该技术具有较好的时间同步仿真结果。