（交通信息工程及控制专业论文）船舶自动识别系统动态预约机制影响因素的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 a i s 是2 0 世纪9 0 年代发展起来的新一代用于船舶识别、髓测和通信的 通信系统，它作为一个新的助航仪器，该系统有助于船舶之间以及船舶和岸 台之间有效交换航行信息，并用于海事监督、船舶报告、v t s 和海事搜救中， 提供数据信息通信功能，大大提高航行安全。1 9 9 8 年国际海事组织( i m o ) 、 国际航标协会( i a l a ) 和国际电信联盟( i t u ) 共同指定了关于a i s 通信技 术标准i t u r 1 3 7 l 。 通信系统角度看，a i s 实质是一个数字移动通信系统，它采用的通信协 议和通信技术决定了它的相关通信参数，其中自组织时分多址技术( $ o t d m a ) 通信协议是其核心协议。本文主要对a i s 通信系统的动态预约机制和无线移 动通信技术对动态机制的影响因素进行了分析和研究，取得了有关研究成 果。 一、系统分析了a i s 通信协议的显式动态预约机制，并根据a i s 采用的 数字通信技术，着重分析其中g m s k 、h d l c 、t d m a 和c r c 等通信技术对 a i s 的显式动态预约机制的影响因素，然后运用s y s t e m v i e w 电子仿真 软件仿真出g m s k 的误码率，应用m a t l a b 语言对误码率造成的虚假时隙的分 布情况进行了概率密度分析，为a i s 通信系统的分析提供相关参数。 二、根据a i s 通信技术标准一i t u r 1 3 7 1 ，采用c 语言构建了一个具 体的a i s 通信仿真系统，通过仿真系统可以了解每一个时隙的状态和不同类 型的每艘船对时隙的使用情况以及存在误码率干扰影响条件下的仿真实现。 三、从误码率对动态预约机制的干扰影响着手，采用逐步分析方法： 先分析a i s 的误码率，然后分析由于误码率产生的在报文中的虚假时隙的概 率分布，再分析这些虚假时隙对动态预约机制的影响机制，以及虚假时隙引 起的冲突分布，建立起误码率虚假时隙一一冲突这三者间的对动态预约 机制的影响的关系模型。并对由于误码产生的虚假时隙提出一种基于倒推方 式的智能处理方法，有效地减少误码的干扰影响，还从理论和仿真角度进行 了综合分析。 关键词：船舶自动识别系统显式动态预约机制高斯最小频移键控 误码率虚假时隙冲突仿真 武汉理r = 火学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，s h o r tf o ra i s ，h a sd e v e l o p m e n tf o rt h e u s eo f s h i p si d e n t i f i c a t i o n ，t r a c ka n dc o m m u n i c a t i o ns i n c e19 9 0 s a st h en e w s h i pe q u i p m e n t ，i th e l p s t oa s s u r en a v i g a t i o ns a f e t y i nt h ep u l s eo fi n t e r n a t i o n a l t e l e c o mu n i o n ( i t u ) ，i n t e r n a t i o n a lm a r i n e o r g a n i z a t i o n ( i m o ) a n di n t e r n a t i o n a l a s s o c i a t i o no fm a r i n ea i d st on a v i g a t i o na n dl i g h t h o u s ea u t h o r i t i e s ( i a l a ) ， a i si sb e c o m i n gas t a n d a r di nm a r i n e ，n a m e di t u rm 1 3 7 1 a i sb r o a d c a s t sd a t aa tr e g u l a ra n ds h o r ti n t e r v a l s ，w i t hw h i c ht h es h i pc a n b ei d e n t i f i e da n dt r a c k e d ，f u r t h e rd a t ac a nb et r a n s m i t t e dt op r o v i d ea d d i t i o n a l i n f o r m a t i o no nt h es h i p sm o t i o n ，n a v i g a t i o n a ls t a t e ，i n t e n d e dv o y a g ea n d c a r g o t h et r a n s m i s s i o n sc a nb er e c e i v e d b ye v e r y i n t e r e s t e d p a r t yh a v i n g a n a p p r o p r i a t er e c e i v e rb o t ha ts e aa n da s h o r e w i t ht h e s ef u n c t i o n s ，a i sp r o v i d e s n e w , a c c u r a t ea n dd e t a i l e di n f o r m a t i o nt om a r i t i m et r a f ! f i c w h i c hi sr e l e v a n tn o t o n l yt os h i p s h i pb u ta l s ot ol a n d s h i pi n t e r a c t i o n w h a t sm o r e ，a i sc a np r o v i d e m a n yo t h e rc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n s i n f a c ta i si st h em o b i l ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i t a d o p t sm a n y c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s t h e p a p e rr e s e a r c h e s t h e s e t e c h n o l o g i e s t h e f i r s t ，i ti n t r o d u c e sa i s d e v e l o p m e n t ，t h ea p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r ea n di t sw o r k m o d e l ，t h ef u n c t i o n a n de m p h a s i z eo i li t s d y n a m i c p r e c o n t r a c tm o d e t h e s e c o n d ，o nt h eb a s eo ft h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，f o re x a m p l eg m s k ， c r c ，h d l ca n ds o t d m a ，a n a l y z et h e i ri n f l u e n c ef o ra i s e s t a b l i s ht h ea i s ， s t a n d a r da n dc o m m u n i c a t i o nm o d e l s o t d m ai st h ek e yt h e o r y a tl a s t ，t h e n a n a l y s e sa i sc o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e si nt h e o r ya n dm a k es i m u l a t i o n f o r f a l s e 。s l o t ，p u tf o r w a r dt h ed i s p o s a lt or e d u c ec o l l i s i o n b yt h o s ea n a l y s i s ，g e tt h e a n dg i v e ss o m ea d v i s ef o rt h eb e t t e r a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：a i s d y n a m i c p r e c o n t r a c tm o d e g m s kt d m a b i t e r r o r sr a t i oc o l l i s i o n f a l s e s l o t s i m u l a t i o n i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 船舶自动识别系统( a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) ，简称a i s ， 是2 0 世纪9 0 年代由欧美等发达国家率先发起，以信息技术为先导，加以多 门高科技技术为支柱的新型航海设备和系统。它整合了g p s 全球卫星定位系 统、罗经计程仪、雷达和电子海图上的显示等技术，通过v h f 无线电数据通 道传输航海、导航和其它信息数据，达到以a i s 为核心，“技术集成”了各 种航行设备的智能化航海专家系统。a i s 具有向网络化和信息化发展的潜力， 可实现船一岸信息联网和v t s 联网。a i s 技术的实用性和应用领域的广泛性 对航运和海事管理将产生深远的影响。 1 1ais 产生背景 现代船舶朝着大型化、高速化发展，船舶数量与水域交通密度以及危险 货物转载量不断增加，海损事故时有发生，严重威胁船舶航行安全及海洋生 态环境。虽然i m o 和各国主管部门通过制定和实旋避碰规则，规定强制配备 必要的助航设备，建立v t s 船舶报告制度等措施来管理船舶的安全航行，但 船舶的碰撞事故还是屡屡发生。人们在长期研究航行安全保障技术中越来越 认识到船舶之间和船岸之间的信息交换与船舶识别的重要性。 在a i s 出现以前，船舶之间的信息交换极其有限。传统航海技术通过雷 达、a r p a 和v h f 的对话来了解船舶的信息和航行状态。但在以往的海上船 舶碰撞事故中，出现过许多由于v h f 设备操作问题和语言交流上存在问题而 不能及时沟通和了解对方船舶的位置信息和操船意图，最终导致碰撞事故发 生的案例。在限制水域或v t s 作用区域，控制中心通过无线电话询问或由船 舶无线电话向控制中心报告而获得船舶的信息后，再用人工方式将船舶信息 输入v t s 监控系统以实现对船舶的跟踪管理。由于采用人工方式向系统输入 信息，对船舶来往密度较大的v t s 作用区域的控制中心来说，不仅工作强度 大，而且易出现操作上的差错，有时因出现盲区而丢失目标。此外，港口 v t s 利用v h f 人工船位报告识别方式获取的信息量有限。而交管雷达采用恒 载频非相参雷达信号体制，存在对目标跟踪的精度、分辨率与可靠性的局限 武汉理工大学硕士学位论文 性，己成为v t s 技术发展的瓶颈【2 j i 。 全球船载自动识别系统a i s ( a u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) 正 是在上述背景下以及现代通信发展的基础上应运而生的。在国际有关组织国 际海事组织( i m o ) 、国际航标协会( i a l a ) 和国际电信联盟( i t u ) 、国际电 工委员会i e c 的共同努力下，从1 9 9 2 年开始在国际会议上研讨a i s 至今仅 仅经过约1 2 年时间，已经正式发布了a i s 的性能标准、技术特性、测试标 准、操作指南及各类船舶限期安装的决议，发展之迅速既反映了客观迫切需 求，也十分令人瞩目。 a i s 的具体目标是改善海上航行安全，保护海洋环境，实现世界范围的 航路管理。安装了a i s 的船舶能够在不需要船舶驾驶员介入的条件下，周期 性地在海上通过v h f 频道自动广播船舶的类型、船名、航行状态( 船位、速 度) 等信息，若是在沿岸海域航行，海岸交管系统也可使用相关信息，进而 加强交管能力，以避免海上碰撞等事故的发生，这是航海人员和管理人员长 久以来的梦想。从表面上看通用a i s 仅仅是实现了船舶的自动识别功能，但 实质上它给海上监控技术带来了一个全新的概念，以此为基础，还能实现导 航、监控、通信等多项功能，它将给海上现代信息技术领域带来革命性的进 步。 1 2ais 的发展 近十几年来，有关a i s 的国际组织会议审议立法过程以及一些国家的试 验情况如下： 国际上对船舶自动识别系统提出过两种方案，一种称为甚高频( v h f ) 数字选呼( d i g i t a ls e l e c t i o nc a l i ，d s c ) 方式：另一种称为广播方式a i s 。 1 9 9 2 年：i a l a 向i m o 、i t u 提议使用d s c 应答器系统。美和欧洲的一些 国家提出一种基于v h fd s c 技术的“应答器系统( t r a n s p o n d e rs y s t e m ) ”v h f d s c 选呼方式，它使用了甚高频7 0 频道。其基本方法是在v h f7 0 频道上 以d s c 方式自动发出询问信息，接收到询问信息的v h f 接收机( 装在船舶或 岸台上) 根据询问方要求的频道，将本船的识别码、船名、船位、航向、航 速、吃水等信息自动传给询问方，这样便实现了自动应答功能5 1 。 1 9 9 4 年1 9 9 5 年：瑞典、芬兰首次提出“无线电a i s ”的概念。 1 9 9 5 年7 月：瑞典、芬兰联合在i m on a v 4 1 会议上首次提出将自组织 时分多址技术( s o t d m a ) 应用于船舶间和船岸间海上转发器系统的建议( 草) 武汉理工大学硕士学位论文 提案。它主要采用广播方式a i s 通信方式，该a i s 的核心技术是自组织时分 多址技术，它是在时分多址技术基础上发展起来的一种新型通信技术，它具 有自控、自动和连续播发船舶和其它信息的特点。 1 9 9 6 年9 月，在国际海事组织( i m o ) 航行委员会( n a v ) 第4 2 次会议上， 各成员国代表对a i s 采用v h f d s c 或s o t d m a 广播方式进行了广泛争论，最 后决定未来的发展将采取以瑞典和南非两国提出的“广播式s o t d m a ”建议 为基础，并将该系统命名为“通用自动识别系统( a i s ) ”。 1 9 9 8 年，i t u 通过a i s 技术标准a i s 通信系统技术特性建议案i t u rm 。1 2 7 l ，从而奠定了a i s 实施的基础。 1 9 9 9 年1 1 月，i m on a v 第4 5 次会议通过a i s 强制安装决定，要求 在2 0 0 2 年7 月1 日后建造的新船和2 0 0 8 年7 月1 日起在航营运船必须装备 a i s 6 。 2 0 0 0 年6 月，i m o 海上安全委员会( m s c ) 第7 3 次会议通过了新修订的 s o l a s 公约第v 章关于强制安装船舶自动识别系统( a i s ) 的决议。 2 0 0 1 年初，i e c6 1 9 9 3 2 关于通用a i s 的技术测试标准决议案通过。 这样，所有关于a i s 的相关的国际标准和公约都己经出台，各个国家的 海上安全管理机构都开始积极着手进行相关的建设，迎接海上通信导航的新 纪元。 1 3 关于a ls 国内外的研究 在过去十几年中，欧洲、北美发展a i s 较活跃，进行了一系列的试验如： 加拿大从1 9 9 3 年起先后对几种a i s 技术进行了评估试验。1 9 9 7 年夏天加拿 大海岸警备队( c c 6 ) 和航运界船舶、谣海岸v t s 中心、引航员等合作进行 了a i s 试验。瑞典、北欧一些国家，在舰船上利用全球定位和通信系统作了 大量的实验工作。美国、加拿大、法国、丹麦和芬兰实验广播式a i s 。南非 用的s o t d m a 应答器系统，通报容量为1 8 0 0 个报告m i n 。瑞典、芬兰用的同 样的系统，通报容量为2 2 5 0 个报告m i n 。 随着a i s 技术的不断发展，其应用前景越来越看好，瑞士已在其沿海建 成了由3 5 个基站组成的a i s 覆盖网络。芬兰也实施了“海神”计划，完成 了a i s 组网。美国在新奥尔良立成了a i s 并投入使用。德国、日本都进行了 a i s 的测试。 新加坡海事港口局( m p a ) 在1 9 9 9 年进行船舶识别与定位系统( s i p s ) 的 武汉理： 大学硕士学位论文 试验【”，采用了s a a bc e l s i u s 公司提供的d a i s 通用a i s 应答器。通过试验， 在新加坡港和新家坡海峡水域配备应答器船舶的静态数据、动态数据、航行 信息和短安全信息能很好显示在岸基的a i s 控制显示器上。试验证明，应用 a i s 可以提高v t s 对船舶的识别、跟踪精度和船舶问航行安全的可靠性，改 善v h f 语言环境，也验证了a i s 技术设备的可靠性和i t u rm 1 3 7 1 规定的 数据更新速率的合理性j 。 在欧洲，英国船商有限公司( t r a n s a sm a r i n el i d u k ) 和海事数据系 统公司( m d s ) 合作开发了多个a i s 基站项目，如1 9 9 9 2 0 0 0 年德国基尔港a i s 项目。2 0 0 0 年初，荷兰在d o r d r e c h t 港开工建设“荷兰氏河船舶信息显示 与监控系统i n d r i s ”项目，该项目由1 2 个a i s 基站组成，在a i s 基站监控 范围内的3 0 条船相应安装了3 0 个a i s 船站。另外，1 2 个基站中的两个与 v t s 系统实现了接口和信息交换。该系统覆盖了长约3 0 k m 的荷兰内河航道。 该系统已于2 0 0 2 年6 月投入了运行，效果非常明显1 9 j 。 中国航运科技界一直十分关注a i s 的发展，中国海事局和上海海事局在 推进a i s 在中国应用发展做了大量的工作。2 0 0 0 年，专门组织了专家、学 者研讨a i s 并编写国际航标信息杂志，发表了a i s 专刊。2 0 0 0 年8 月， 请瑞典厂商在上海海事局演示a i s 。2 0 0 0 年1 1 月请美国洛克希德马丁公司 到上海介绍该公司在美国和土耳其承担的a i s 网络工程。2 0 0 1 年4 月，在 大连召开了“中国沿海船舶自动识别系统( a i s ) 应用技术研讨会” 9 1 。 大连海大航运科技有限公司研制的“船舶a i s 导航系统”，在大连至烟 台航线上的“海洋岛”和“棒捶岛”轮上进行了一周的实船测试，井获得了 中国船级社c c s 的认证证书。 1 4afs 的研究发展方向 a i s 系统是一种开放式数据共享和交换系统，a i s 传输的基本信息可以 为其它导航系统提供可靠的船舶数据信息。从a i s 的基本功能和技术特点 看，该系统为船舶航行安全和航行管理提供了一种新型而有效的手段。a i s 系统有着广阔的发展前景，对航运界和各管理部门必将产生深远的影响。 l 、如果a i s 和v t s 相结合，不仅可以实现对船舶的自动识别和标绘， 还可以将区域内的所有船舶的状态、港口信息、航行通告等通过广播的方式 进行播发，区域内所有装有a i s 的船舶都可以自动接受并显示这些信息。因 此可以减轻v t s 控制台人员的工作强度、提高船舶信息准确性和v t s 的系统 武汉理工大学硕士学位论文 效率。由于a i s 用v h f 波段作为无线通信链路，其抗海浪和雨雪干扰和能力 优于普通雷达，捕获和跟踪目标能力比雷达更为有效。a i s 的通信链路能保 持良好的连接，为船舶避碰提供必要的信息。v h f 电波的传输特性还可以弥 补现有v t $ 雷达在岛屿较多和弯曲的江河环境下使用有盲区的缺陷。此外， 建a i s 基站的费用比建雷达站费用省，这个特点有利于组建a i s 岸基网络， 扩大管理部门对沿海航行船舶的监控范围。 2 、新型的船舶驾驶台系统将由双a r p a 雷达予系统，电子海图监视和航 行计划工作站、a i s ，v d r 、自适应自动操舵仪、综合导航命令控制台、多普 勒计程仪、回声测深仪、气象传真仪等组成。系统的配置灵活，各个子系统 相对独立，在某个或几个子系统发生故障的情况下，系统的主要功能在驾驶 员的手动操作配合下也能完成。 采用了a i s 技术的船舶驾驶台系统将向自动避碰和自动航行方向发展。 由于a i s 可以自动连续提供包括船位、航向、航速、航行状态、船长和吃水 等静态和动态信息，而且不受气候条件的限制，通信可靠准确。这些精确的 船舶信息为开发新型的自动避碰专家系统提供了完备的信息条件，可以想象 结合e c d i s 新型的自动避碰专家系统和自动航行系统不久就可以面世。 3 、航标是帮助船舶在特定水域安全航行而设置的助航设施。传统的视 觉航标系统中尤以灯浮、灯塔和灯船等水上航标的日常维护管理最为困难而 且成本很高。由于灯标工作环境恶劣，无线电技术的局限性等影响，难以研 制出理想的遥控、遥测和预报航标状态的控制系统。而且在恶劣气候条件下， 驾驶员很难发现用于定位的航标。 a i s 的开放体系互联工作模式( 0 5 i ) 和通信传输模式为航标应用提供了 良好的技术基础。以a i s 为基础的航标遥控遥测系统已经在国外处于实验阶 段。这种新系统是基于计算机技术、g p s 、e c d i s 和a i s 等新型航海技术而 产生和发展起来的一种新型航标系统。装备a i s 的航标设备相当于一条固定 的船，它具有船载a i s 的全部功能。因此，各种装备a i s 的助航标志都可以 准确地显示在电子海图上，使来往船舶能方便及时地了解周围助航标志的情 况。 4 、在s o t d m a 技术的广播式a i s 系统中建立合适的基站，可以实现沿海 的无缝覆盖，构成完整的海岸a i s 网络，并在借助于i n m a r s a t b 系统的基 础上，可实现远程a i s 网络通信。 a i s 网络采用通用的网络技术。该技术使a i s 海岸网的组网能力强、容 错性能好、网络的安全性能也可以得到保障，通过i n t e r n e 下可以实现全球 武汉理： 大学硕士学位论文 联网。另一方面，由于a i s 的系统设备采用了通用的网络设备，所以a i s 的 网络管理软件也可由通用的软件公司来开发，以大大降低a i s 海岸网的建网 成本。 建立全球的a i s 网络体系，可以为全球船舶报告系统、航行通告发布、 电子海图更新等提供技术保障，更重要的是将可以改变航运企业的经营理念 和管理方法，把现代物流管理融入现代航运管理，把航运企业推向电子商务 e 时代，大大提高航运企业的管理效率和服务水平。着眼于长远和发展角度， 建立全球性的a i s 网络系统是势在必行。 1 5 课题研究意义 a i s 系统是计算机和无线通信技术在航海领域的应用，是信息高速公路 向海洋的延伸，是航海技术的一项革命性进步。a i s 系统构筑的船舶和v t s 间的动态数据网络，不仅在自身概念上是一个创新，同时也为航海技术的发 展提供了一个崭新的平台。以其为基础，可以像互联网那样演变出更多的、 难以预计的新系统和新应用，是人类航海史上的又一里程碑。 a i s 是近年来兴起的自动船舶识别系统，具有极大的发展前景， 但由于其正式运行使用的时间不长，尚未建立完善的运行机制，为 了能使其发挥出最大功效，对a i s 的通信系统和通信协议做仔细的研究， 有利于的a i s 的早日应用和普及。 从通信系统角度看，a i s 实质是一个数字移动通信系统，它采用了若干 通信技术和提出采用动态预约机制的通信协议，其中自组织时分多址技术 ( s o t d m a ) 通信协议是其核心协议。本课题对a i s 通信系统采用的通信技术 和通信协议进行了综合分析。从g m s k 的调制技术着手，仿真出g m s k 的误码 率，然后根据a i s 通信协议的特点一一显式动态预约机制，目口在当前帧的时 隙发射中包含了对下一帧的预约情况，如果该帧发射错误则有可能影响下一 帧的冲突产生。由于g m s k 的误码率影响了对下一帧时隙报文的错误将产生 虚假的空闲时隙，如果系统中其它船只对该时隙同时占用，将引起冲突影 响a i s 通信系统的系统动态预约机制。 本文首先采用s y s t e m v i e w 电子软件工具模拟仿真得出g m s k 的误码率， 根据分析误码率对采用s o t d m a 通信协议进行自组织的时隙的显式动态预约 机制的影响机制。然后根据a i s 通信技术标准i t u - r 1 3 7 1 ，采用c 语言 构建了一个具体的a i s 通信仿真系统，通过仿真系统可以了解每一个时隙的 6 武汉理工大学硕士学位论文 ：淡态和不同类型的每艘船对时隙的使用情况以及存在误码率干扰影响条件 下的仿真实现。 最后建立了误码率对自组织动态预约影响的模型，并进行了理论研 究，分析a i s 通信系统的冲突情况。对由于误码产生的虚假时隙提出一 种基于倒推方式的智能处理方法，有效地减少误码的干扰影响。 技术路线则逐步分析方法。先分析m s 的误码率，然后分析由于误码 率产生的在报文中的虚假时隙的概率分布，再分析这些虚假对隙对动态预约 机制的影响机制，以及虚假时隙引起的冲突分布，建立起误码率一虚假时 隙一一冲突这三者间的关系模型。 本课题的主要目标就是围绕a i s 通信协议和通信技术在a 【s 中的应用， 提出一种切实可行的系统通信仿真实现方案并加以模拟和观察，对影响a i s 动态预约机制的影响因素进行分析，希望能为a i s 的大规模实现和具体应用 做一定的分析基础，为以后a i s 更深入的研究和具体应用提供一定的参考。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章a i s 的通信协议与动态预约机制的研究 2 1ais 技术原理 在a i s 系统中，主要采用s o t d m a ( s e l f - o r g a n i z e dt i m e d i v i s i o n a c c e s s ，自组织时分多址) ，没有主站和从站之分，每一个用户自己选择时 隙使用，所以在移动台独立连续工作的情况下，移动用户使用s o t d m a 协议 进行位置广播以及识别附近用户发送的信息，它是种在没有主站控制的情 况下解决冲突的方法。所有移动用户均在本次发射中指定下一次的发射时 隙，发射时隙的选择是在每一个选择时隙间隔中随机选择作为候选发射时隙 的空闲时隙中的一个。当某个移动用户发送时其他移动用户均应处在接收 状态m ”。 在自组织时分多址( s o t d m a ) 技术中，信道时间被分为固定长度的时间间 隔( 每一个间隔称为一个帧) 。个帧包括一组时隙，这些时隙在时域上互不 重叠。自组织的含义就是指所有移动用户都实行自动地在每一个时帧中挑选 时隙来发送子帧，而不是依靠一个基台来执行信息资源管理，由基台给每个 移动用户分配一个时隙地址去发送子帧。在自组织时分多址( s o t d m a ) 网络系 统中，某个移动用户当自己挑选一个时隙发射子帧时，其他移动用户在对应 时隙应处于接收状态。这意味着网络通信系统中的最底层功能也由各移动用 户自己来控制啪1 。 如图3 一l 所示，假设第一个移动用户( m s l ) 自动选择时隙2 来发送子帧， 第二个移动用户( m s 2 ) 自动选择时隙n 来发送子帧，第n 个移动用户自动选 择时隙l 来发送子帧。在某个移动用户发射时，其它移动用户应处于接收状 态。移动用户在一个时隙中发送的子帧含有该移动用户的动、静态信息，每 个子，帧中含有的信息量会因移动用户选择需要发送的信息的不同丽不同，故 每个子帧占用时隙中的数量会有所不同。 由图3 1 可见，自组织时分多址技术( s o t d l i a ) 可在射频信道上依据时 隙分割技术来实现，并且应用该技术可达到多个移动用户之间相互通信的目 的。移动用户传送子帧的过程也就是时隙选择的过程。自组织时分多址技术 ( s o t d m a ) 的一个显著特点是为新的信息传输选择时隙或为未来的信息传输 保留时隙。这种时隙选择方式的优点是：所有电台都实行时隙选择，而不依 靠一个基台来执行信息资源管理，可以充分利用信道资源，提高通信的质量。 武汉理工大学硕士学位论文 匝习 匝习 叵习 时隙l时隙l时隙1 i 时隙2时隙2时隙2 厂 厂 厂 ffll f i 时隙t i 一帧_ 图2 1a i s 技术原理 在t d m a 技术中，网同步也称系统定时。它是a i s 建立多址移动通信的 关键。系统定时也称网同步，它是a i s 建立多址移动通信的关键。 为了避免a i s 系统内部干扰， 在a i s 中，系统的同步可以有4 种方式 按优先级先后排列如下： 1 、 通用协调时间( u t c ) 直接同步。 g p s 接收机能够获得u t c 时间，这是a i s 系统同步的主要方式。 2 、通用协调时间( u t c ) 间接同步。 如不能直接获取u t c ，但能接收到其它采用u t c 直接计时的台，则应调 至与这些台站同步。然后应将设备的同步状态调至u t c 间接计时状态。 3 、与基地台同步( 直接或间接) 如移动台既无法采用u t c 直接计时，也不能采用间接计时，但能接收从 基地台发射的信息，则应将其调至与能接收的台站数量最多的基地台m , 5 。 4 、与移动台同步 如果上述4 种方式都不能使用时，则应采取与可接收的台站数量最多的 台站同步的状态。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2a is 工作模式与通信协议的应用 a i s 主要有自主和连续、指定、轮询三种工作模式： 1 ) 自主和连续模式：以自主模式运行的台站应能自行确定其位置信息的 发射时间安排，并自行解决与其它台站在发射时间上的冲突： 2 ) 分配模式：以分配模式运行的台站应采用政府管理部门的基地台或转 发台所指定的发射时间表： 3 ) 轮询模式：以轮询模式运行的台站应自动回应船只或政府管理部门的 询问。轮询模式的运行不应和其它两种模式的运行发生冲突，回应信息的发 射应在接收到询问信息频道上进行。 自主和连续工作阶段是a i s 船台的缺省工作状态，台站自主的选择时隙 发射信息，解决时隙冲突从而构成一个动态的平衡。当船舶报告速率改变或 者进入指定工作模式时将会打破这一平衡。a i s 船台如果没有特殊的情况， 都会在自主和连续工作模式进行工作直到关机为止。其中轮询工作模式不会 影响到其他两种模式的正常工作。其工作流程如图2 - - 2 所示。 匠 上 臣= 匿圈= 曰 甚 图2 2a i s 工作模式 1 0 辛罕享 武汉理工大学硕士学位论文 其通信过程根据不同的应用和操作模式采用了不同的通信协议，这就是 自组织时分( s e l f o r g a n i z e dt d m a ，s o t d m a ) ，增量时分多址( i n c r e m e n t t d m a ，i t d m a ) ，随机接入时分多址( r a n d o ma c c e s st d m a ，r a t d m a ) 和固定接 入时分多址( f i x e da c c e s st d m a ，f a t d m a ) 协议。这四种协议在相同的物理层 数据链上的操作是连续平行的，它们都遵守t d m a 的规则，但各自又有自己的 独特之处。 在a i s 系统中，这四种协议是在t d m a 基础上为适应不同的应用环境和 工作模式而设计出来的，四者有机地结合并不连续地运用保障了a i s 的正常 工作。 1 i t d m a 协议 i t d m a 协议主要用于a i s 台站来预先宣布无重复特性的发射时隙，用于 自主和连续的操作模式。i t d m a 协议主要用于以下场合： 1 ) 数据链网络登录时： 2 ) 定期报告率临时改变和转变时： 3 ) 与安全相关的信息发布 i t d m a 时隙选择方法用于选取台站发送不需重复信息的时隙。另外，当 台站处于数据链网络接入阶段时，也采用该i t d m a 选择方法。此时，选出的 i t d m a 时隙应加以标识，以便为其另外保留一个值。这使该台站能预先报告 分配给自主和连续运行时的时隙。 2 s o t d m a 协议 台站在自主和连续工作模式和指配工作模式的报告率指定方式时使用 s o t d m a 协议，是a i s 的核心协议。该协议的目的是提供一种访问法则，无 需控制电台的干涉便可以快速的解决冲突。使用s o t d m a 协议的信息具有重 复性的特性，且为数据链其他用户提供连续的更新监督画面。 3 r a t d m a 协议 当一个台站需要分配一个事先未经报告的时隙，例如当台站初始接入网 络时用的第一个时隙，或用于只发送一遍信息的时隙时，均采用r a t d m a 协 议。其主要的作用是帮助i t d m a 帧和s o t d m a 帧确定其发射时隙。 4 f a t d m a 协议 f a t d m a 协议应当只归基地台和控制台所用，f a t d m a 分配的时隙应当用 于重复信息。数据链接入应以帧开始作为参考，每一个分配都应该由政府管 理部门预先设定，并在整个运行期间保持不变，或重新设定。除非超时值另 作定义，f a t d m a 信息的接收机应设置3 分钟的超时，以确定f a t d m a 时隙何 武汉理工大学硕士学位论文 时成为自由时隙，在每次接收信息后 5 a i s 通信协议问的联系 概率持续算法 接塑塑堡- 的第一个 传输时隙选择 都应重新设置3 分钟的超时。 第一帧的连续选择 图2 3a i s 通信协议间的关系 由于a i s 缺省的工作模式是自主和连续的工作模式，而这种模式主要应 用于s o t d m a 协议，也就是说整个系统都是围绕达到自主和连续的工作方式 展开工作的。r a t d m a 协议、i t d m a 协议则是对s o t d m a 协议的补充，都是为 s o t d m a 协议服务的。其三者的关系如图2 3 所示，其中r a t d m a 协议主要 是为其选择发射时隙，i t i ) i a 协议则为s o t d m a 信息帧发布其预定位置报告， 有时则插入安全或其他不重复信息，其目的是既保障了a i s 自主和连续的工 作模式，又适时的播发了有关信息。三种协议的界定主要取决于各自不同的 使用场合，其实质都是t d b l a 变异，这主要表现在各自的信息帧具有的通信 信令参数来体现。其参数的存在决定所使用的时隙保留和释放。 2 3ajs 动态预约机制分析 2 3 。1a is 动态预约方式 a i s 中台站发射报文去占用当前帧中某一时隙的同时，在报文中包含了 对下帧时隙的预约信令。首先分析a i s 的动态预约方式。 1 增量时隙预约 武汉理工大学硕士学位论文 增量时隙预约用于在同一帧中需要进行多次预约时隙的情况，预约的次 数和船只的航行速度有关。每一次发射的报文中都会为下一次报文的发射预 约一个时隙，这是通过增量偏移值来实现的。增量时隙预约的过程如图3 4 所示。 时隙a 1时隙a 2 时隙a 3 图2 4增量时隙预约 在图2 4 中，时隙a l 、a 2 、a 3 均为同一艘船在一帧中的时隙占用情况，在 时隙a l 的报文中包含了到下一个占用时隙a 2 的时隙偏移量。其它船只接收 到时隙a l 就可以知道时隙a 2 将被预约，为防止冲突避免选择时隙a 2 。该 预约方式主要用于当船只刚进入第一帧占用和预约同一帧的下几个时隙采 用。 2 周期时隙预约 进行周期时隙预约的台站发送的报文不仅包括船舶的编号和位置信息， 而且还包括进行周期时隙预约的信息，即周期超时值和周期偏移量。在此周 期预约超时值即是帧超时值，它指明了当前所用的时隙还要被继续预约，使 用的帧数一般为1 3 帧，其值任选。每经过一帧的时间，周期超时值减1 。 当周期超时值为零后，需要采用周期时隙预约选择算法，预约下一个帧所要 使用的时隙，释放当前时隙。当前时隙与此预约时隙间的偏移就是所谓的周 期偏移量。，周期时隙预约的过程如图2 5 所示。也就是说，一个时隙晟多 只能被连续占用4 帧，保证了时隙动态分配的需要。 在图2 5 中，用时隙a 0 4 表示船a 占用第0 帧的第4 个时隙，它的周 期超时值为2 ，每经过一帧，周期超时值减一，到了第二帧时候，其周期超 时值为一，则它在下一帧，必须退出该时隙，采用时隙预约选择算法重新预 约下一帧，并在当前的发射报文中要加入对下一帧的预约时隙，如图2 5 ， 即从时隙a 0 8 到时隙a 3 8 的跳变周期偏移量。其它船只通过监听的结果和 运算后，在下一帧中回避对时隙a 3 8 的占用。 武汉理工大学硕士学位论文 时隙a 3 8 图2 5 周期时隙预约 2 3 2a i s 动态预约步骤 a i s 把一帧定为一分钟，分为2 2 5 0 个时隙。每个船台对时隙的预约步 骤分如下五步： l 、初始化阶段 开机之后，台站a i s 监听t d m a 信道1 分钟，从监听收到的报文中获得 其他用户对时隙的占用、预约、时隙空闲及用户的识别码( m m s i 、位置信息) ， 建立起时隙状态表。 2 、网络登录阶段 网络登录阶段是向其他参与台站表明自己的存在，台站应选择其用于发 射的最初时隙，首次发射预定的位置报告。网络登录阶段最主要的目的是选 择第一个发射时隙，由于该阶段是台站第一次进入到网络中，没有预约发射 时隙，因此此处的时隙选择是采用r a t d m a 的协议选出的。选出的标称发射 时隙将为发射所用，故一旦找到该标称发射时隙，就将转到进入帧发射。该 阶段的发射时隙将在以后的自主和连续工作模式下依据超时值的选取使用。 3 、第一帧阶段 在第一帧阶段中台站将连续地计算确定它的发射时隙，并用t t d m a 发射 预约的位置报告。该位置报告一方面发布本船的相关信息给其他船舶，同时 i t d m a 信息帧发射时隙将作为以后自主和连续模式中s o t d m a 信息帧发射时 使用。在超时值减少到零或者报告率不改变时，s o t d m a 信息帧将在由i t d m a 武汉理工大学硕士学位论文 确定的时隙上连续发射。 4 、自主和连续工作阶段 自主和连续工作阶段是a i s 台站的缺省工作状态，台站自主的选择时隙 发射信息，解决时隙冲突从而构成一个动态的平衡。在自主和连续阶段，如 果报告速率没有改变，超时值会随着时间的推移而减小到零，此时，原来的 时隙有的将会被释放，而新的发射时隙将会在原来的时隙内重新确定，此时 又将随机给出一个超时值，重复原来的过程，直到工作模式的改变或报告速 率的改变。 2 3 3a i s 动态预约机制的实现 a i s 动态预约机制的实现是通过a i s 的的报文结构中的信息来实现的。 a i s 的具体预约信息( 帧超时值和对下一帧的预约时隙偏移量) 储存在每个 报文的预约信息中，作为对下帧的预约信令在每次的发射中一起发射，其它 船只接收到后，就根据具体预约信令形成帧的时隙状态表，从而选择下一帧 的空闲时隙，避免了多船同时在某一时隙同时发射，引起时隙的冲突。报文 结构见下图2 - - 6 。 f 信息识别码用户识别码信息内容 预约信令 6 b 图2 6a t s 报文结构 a i s 工作于8 7 b 和8 8 b 两个信道，信道传输率为9 6 0 0 b s ，每6 0 秒为一 帧共2 2 5 0 个时隙，每时隙占用的报文是2 5 6 b ，为一个报文。每时隙传输的 报文基于高级数据链路控制( h d l c ) 数据包结构，所以a i s 报文必须有 固定的报文结构来表明不同的信息。其具体结构见图2 6 。 1 、训练系列 武汉理工大学硕士学位论文 训练系列是3 2 b i t ，提供帧同步，其作用是把收发两端时钟对准，使码 位对齐，以给出每个码元的判决时刻。对准序列是由0 ，l 交替的数码组成 的一段信号，用n r z i ( 反向不归零) 编码，并以0 作为对准序列的结束码。 2 、h d l c 开始标记和结束标志 开始标志称字同步，又称位同步码，它表示信息的开始位为了能在接 收端实现正确区分码字、码旬，需要在信息传输中设置位同步。a i s 同步开 始和结束码均为8 比特长，由标准的h d l c 标志0 1 1 1 1 1 1 0 组成，用于检测一 个发射数据包的开始和结束，作为信息起始的时间标准。 3 、数据信息 数据信息是1 6 8 b i t ，信息数据是真正所需传输的信息内容。它分为四 个部分：信息识别码、用户识别码、信息内容和预约信令信息。信息识别码 是表明信息内容属于那种类型的信息，用户识别码是m m s i 用于识别船只， 预约信令则是对下一帧的预约情况的报告。 4 、循环冗余校验c r c ( c y e l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 码 由于脉冲噪音、白噪声和衰落等原因的影响，会使通信网络每次传送数 据可能出现某种类型的错误。误码检测是任何数据通信网络的一个很重要的 部分，误码检测技术是为了判断传送的数据是否有错误。a i s 采用循环冗余 校验c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c y c h e c