安然 李俊成 陳東黎 谷曉鷹 杜璞玉

摘要：VDES系統(tǒng)是第二代海上窄帶通信系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)水上VHF頻段提供更多、更快的數(shù)據(jù)交換能力。通過介紹通信協(xié)議構(gòu)架和VDE-SAT半雙工TDMA設(shè)計(jì)方案，給出了VDE通信的鏈路層設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：VDES系統(tǒng);通信協(xié)議構(gòu)架;時(shí)分多址;時(shí)隙映射

中圖分類號(hào)：U675.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）02-0018-02

0 引言

隨著傳統(tǒng)的AIS（船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)：Automatic Identification System）在全球船舶行業(yè)的廣泛應(yīng)用，AIS的信道日益擁擠。在此基礎(chǔ)上，國(guó)際海航標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)IALA提出了VDES（VHF Data Exchange System）。VDES全稱是VHF波段數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，集成了傳統(tǒng)的AIS、ASM（專用電文：Amplification Specified Message）、LAIS（長(zhǎng)量程AIS：Long Range AIS）和VDE（VHF波段數(shù)據(jù)交換：VHF Data Exchange）功能，是具有天地一體特色的海上窄帶通信系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)水上VHF頻段提供更多、更快的數(shù)據(jù)交換能力[1]。岸基作為VDES的地面基站，承擔(dān)大部分的近岸港口船只的窄帶數(shù)據(jù)無線通信服務(wù);衛(wèi)星作為VDES系統(tǒng)的天基，通過衛(wèi)星組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)深海海域船只的窄帶數(shù)據(jù)無線通信服務(wù)和對(duì)全球態(tài)勢(shì)航運(yùn)的管理。

當(dāng)前VDES國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)還在制定中，各國(guó)都在積極研究VDES技術(shù)，致力于向國(guó)際電信聯(lián)盟提出自己的提案，參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定。2019年10月，國(guó)際電信聯(lián)盟召開WRC-19（世界無線電通信大會(huì)：World Radio Conference），明確了VDES系統(tǒng)的各通信業(yè)務(wù)工作頻段劃分方案，并為水上頻段引入衛(wèi)星系統(tǒng)等相關(guān)規(guī)定進(jìn)行了修訂。目前，有關(guān)VDES的技術(shù)進(jìn)展，2017年7月，挪威發(fā)射NORSAT-2衛(wèi)星，用于驗(yàn)證VDES系統(tǒng)的物理層通信鏈路，并提供AIS船舶跟蹤與數(shù)據(jù)交換服務(wù)[2]。

1 通信協(xié)議構(gòu)架

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用OSI七層通信模型。目前，VDES通信機(jī)制在國(guó)際上仍處于討論階段，協(xié)議層標(biāo)準(zhǔn)尚未達(dá)成一致。根據(jù)IALA發(fā)布的G1139建議書[3]，VDES系統(tǒng)通信協(xié)議架構(gòu)采用OSI七層模型的第一到四層，如圖1所示。

（1）物理層：該層提供物理介質(zhì)上比特流信息的傳輸和發(fā)送，包括：發(fā)送端的信號(hào)調(diào)制、編碼、濾波等處理，及接收端的信號(hào)解調(diào)、解碼及頻率同步、時(shí)間同步方案。

（2）鏈路層：該層保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸，提供MAC幀消息的傳輸和發(fā)送，包括：約定時(shí)隙分配機(jī)制、TDMA同步方案和鏈路層幀格式。

（3）網(wǎng)絡(luò)層：傳輸協(xié)議暫定采用現(xiàn)有的IP通信協(xié)議。

（4）傳輸層：暫定參照AIS的IEC61162約定、UDP，SNMP，SFTP等協(xié)議。

根據(jù)G1139建議書，VDE通信分為VDE-TER（VHF波段數(shù)據(jù)交換-岸基通信業(yè)務(wù)：VHF Data Exchange-Terrestrial）和VDE-SAT（VHF波段數(shù)據(jù)交換-衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)：VHF Data Exchange-Satellite）兩種業(yè)務(wù)，這兩種業(yè)務(wù)遵循統(tǒng)一的VDES通信協(xié)議架構(gòu)，但是在鏈路層的實(shí)現(xiàn)上是兩套不同的通信方案。

鏈路層的作用是在船臺(tái)與岸基之間、船臺(tái)與衛(wèi)星之間保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸。具體包含以下內(nèi)容：（1）打包數(shù)據(jù)：把待發(fā)送的信息，包括信令和數(shù)據(jù)，根據(jù)時(shí)隙表，打包進(jìn)物理層消息的負(fù)載部分，等待發(fā)送。（2）媒體接入：通過TDMA方案，按照分配的時(shí)隙號(hào)發(fā)送或接收指定的消息塊。（3）數(shù)據(jù)解包：把接收的信息，包括信令和數(shù)據(jù)，根據(jù)包格式解包、處理。

2 TDMA設(shè)計(jì)方案

根據(jù)G1139建議書，VDE-SAT采用半雙工TDMA接入方案，鏈路層把一分鐘劃分為2250個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙占22.67ms。一分鐘劃分為三個(gè)子幀，每個(gè)子幀包含下行通信段和上行通信段。各通信段包含若干信令消息塊和數(shù)據(jù)消息塊，如圖2所示。

3 通信流程

G1139給出了6種VDE-SAT通信流程。

（1）岸站發(fā)起的，通過SAT輪詢來自船的消息。

（2）船臺(tái)發(fā)起的，通過SAT詢問來自岸站的消息。

（3）船臺(tái)發(fā)起的，想要通過SAT，發(fā)送消息給岸站。

（4）衛(wèi)星對(duì)船的下行組播多包數(shù)據(jù)傳輸。

（5）衛(wèi)星對(duì)船的下行單播多包數(shù)據(jù)傳輸。

流程4和5可以統(tǒng)一，SAT發(fā)起的，下行多播/單播，多包數(shù)據(jù)傳輸。

（6）只有發(fā)送功能的設(shè)備的消息收集。該通信流程與AIS/ASM業(yè)務(wù)類似。

以流程1為例簡(jiǎn)述具體的通信流程，見表1。

4 結(jié)語(yǔ)

VDES系統(tǒng)基于TDMA方案的通信協(xié)議設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了當(dāng)前G1139建議書約定的通信協(xié)議構(gòu)架和VDE-SAT半雙工TDMA設(shè)計(jì)方案，通過時(shí)隙映射、鏈路層消息梳理和通信流程，給出 了VDE通信的鏈路層設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚治萱.VDES通信技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)[J].世界海運(yùn)，2019，42（02）：34-38.

[2] 熊雅穎.海事通信技術(shù)新進(jìn)展——VDES系統(tǒng)[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2016（02）：35-40.

[3] G1139-THE TECHNICAL SPECIFICATION OF VDES GUIDELINE，Edition3[R].IALA，2019，09.

Communication Protocol Usage Based on Time Division Media Access

in VHF Data Exchange System

AN Ran， LI Jun-cheng， CHEN Dong-li， GU Xiao-ying， DU Pu-yu

（Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute， Shanghai? 201109）

Abstract：VHF Data Exchange System is 2nd maritime VHF data communication system， aimed to meet increasing demand of maritime VHF data communications. The VDE link layer design scheme was introduced according to the VDES architecture and protocol layer functions and VDE-SAT half duplex time division media access scheme.

Key words：VHF data exchange system; communication protocol layer; time division media access; slot mapping