第三章空管通信系统.ppt

第三章空管通信系统 课程流程 3 1空管通信的特点3 2空管通信的体制及技术3 3空管数据链通信系统3 4ATN3 5中国民航甚高频数据链技术的应用与发展 内容安排 3 1空管通信的特点3 2空管通信的体制及技术3 3空管数据链通信系统3 4ATN3 5中国民航甚高频数据链技术的应用与发展 3 1空管通信的特点 空管通信是新航行系统中的一个必要条件广泛应用的卫星通信 数据通信以及ATN等使系统的地地 空地和空空通信有机地融为一体主要包含以下两个特点 数字化 数据链全球化 ATN 3 1空管通信的特点 数据链是空管通信数字化特点的体现 是通信系统的核心 是数据通信的应用实现人 人 机 机和人 机间的数据传递类型包括高频数据链 甚高频数据链 S模式二次雷达数据链和AMSS 基本作用概括为 保证 共享 实时监视与克服 3 1空管通信的特点 空管通信全球化的特点体现为ATNATN是全球范围内用于航空的数字通信网络和协议 将航空运输界的机载计算机系统与地面计算机系统连接起来 能支持多国和多组织的运行环境 3 1空管通信的特点 ATN按照ISO的OSI7层模型构造 协议基于开放式系统互连结构 面向比特 主要由3个子网构成 包括 机载电子设备通信子网 数据链管理系统 空地通信子网地面通信子网 分组交换网 局域网 路由器 内容安排 3 1空管通信的特点3 2空管通信的体制及技术3 3空管数据链通信系统3 4ATN3 5中国民航甚高频数据链技术的应用与发展 3 2空管通信的体制及技术 3 2 1空管通信的体制3 2 2空管数据链通信技术 3 2 1空管通信的体制 航空通信系统的划分从业务上 航空固定业务 平面业务 航空移动业务 空地通信 航空固定业务 AFS 指在固定地点之间的电信业务 该业务由航空固定电信网 AFTN 来完成 并逐步向ATN过渡 3 2 1空管通信的体制 航空移动业务 空地通信 指航空器电台与航空地面对空电台之间或航空器电台之间的无线电通信业务主要包括 甚高频通信 高频通信和航空移动卫星业务 3 2 1空管通信的体制 航空通信系统从传输信息对象划分 话音通信和数据通信简单介绍各种话音通信甚高频话音通信 频率范围是118 136 975MHz 频率间隔25KHz 沿直线视距传播 采用双边带调幅 DSB AM 工作方式 3 2 1空管通信的体制 高频话音通信 频率范围是2 8 22MHz 频率间隔100Hz 靠电离层反射 可以覆盖几千公里 但通话质量较差卫星话音通信 以卫星数据通信为基础 通话质量好 但费用较高总结 随着飞机数目的激增 人员语言表达等问题阻碍了话音通信的使用 催生出新的面向民用的航空数据链 3 2 1空管通信的体制 航空数据链系统一般由传感器系统 通信子系统 链路控制子系统和信息处理显示子系统等构成 成为发展的主导克服了航空话音通信系统传输速度慢 占用信道时间长 可靠性差等缺点 并且具有抗干扰能力强 误码率低的特点航空数据链按应用对象不同分为军用航空数据链和民用航空数据链 3 2 1空管通信的体制 按使用频段不同分为 高频数据链 甚高频数据链 超高频 UHF 数据链 L频段数据链和卫星数据链 航空数据链按信息传输对象的位置分为 空空数据链 又称机间数据链 空地数据链地和地数据链 3 2 1空管通信的体制 空空数据链系统 实现飞机间的数据通讯 为实现自由飞行奠定基础空地数据链系统 将飞机位置 飞行状态等各种信息传送给地面设备和人员 实现驾驶员与管制员之间的双向信息交换地地数据链系统 实现管制中心之间 以及管制中心与其他地面仪器及部门之间的信息交换 3 2 1空管通信的体制 航空数据链应用于民用航空 根据业务类型可以分为四类 1 空中交通服务 2 航空管理通信 3 航空行政管理通信 AAC 4 航空旅客通信 APC 在这四类数据通信中 空中交通服务和航空管理通信与飞行安全和效率有关 具有高优先级 3 2 1空管通信的体制 利用航空数据链技术产生了一种新的监视手段 自动相关监视 ADS 自动相关监视 ADS 的定义 自动相关监视是用于空中交通服务 ATS 的一种技术 即飞机通过数据链自动提供机载导航和定位系统导出的各种数据 释义 Automatic 自动 无需机组人员人工发送信息 Dependent 相关 地面依据飞机的报告得知飞机的位置 信息来自飞机本身而不是地面站 Surveillance 监视 飞机的位置得到监视 ATN ATS网及各种地面专用网络 IMMRSSAT GNSS 显示 数据链 Ground 信源 ADS技术原理简介 3 2空管通信的体制及技术 3 2 1空管通信的体制3 2 2空管数据链通信技术 3 2 2空管数据链通信技术 已使用和即将使用的数据链技术包括 1 S模式二次雷达数据链它是下一代地基雷达监视系统 与A C模式数据链交互通信 同时提供独立的监视能力 并且完全与ATN兼容使用选择询问的技术 排除了A C模式现存的问题 并与之完全兼容支持现在使用1030MHz 1090MHz的飞机通信选址报告系统 ACARS 3 2 2空管数据链通信技术 2 VDL模式1低速的 面向比特的数据传输系统在甚高频频段 调制方式为AM MSK使用载波侦听多路访问 CSMA 的媒质访问方式物理层与现有ACARS系统一致 速率为2400bit s采用地面网管集中处理的方式 3 2 2空管数据链通信技术 3 VDL模式2类似VDL模式1 使用差分8相相移键控 D8PSK 调制速率31 5Kbit s 在欧 美广泛应用 4 VDL模式3是目前ICAO建议未来的系统 调制方式为D8PSK 速率为31 5Kbit s 使用TDMA方式 每120ms为一帧 每帧4个30ms的时隙 每个时隙形成独立的双向地空链路 上 下行链路使用同一频率 可以传输模拟话音 也可传输数据 3 2 2空管数据链通信技术 5 VDL模式4VDL模式4是瑞典推出的一种甚高频数据链 它以标准的25KHz带宽进行数据通信 媒质访问方式是S TDMA 基于OSI参考模型 支持19 2Kbit sGFSK调制速率和31 5Kbit sD8PSK调制速率 信道被划分为固定时间长度的时隙 与VDL模式3不同的是它不需要地面处理和管理设施 但目前不支持话音通信 只支持各种地空 空空数据链通信应用 3 2 2空管数据链通信技术 6 高频数据链支持飞机使用短波完成数据通信 面向比特 符合OSI模型 7 AMSS支持地空数据链通信的实施 以三种主要方式运行 静止轨道卫星 GEOS 中轨道卫星 MEOS 低轨道卫星 LEOS 航空移动卫星 航路 业务 AMS R S 是AMSS中的特殊部分 提供独立的ATC服务 移动地球站安装在飞机上 3 2 2空管数据链通信技术 8 MLS是满足所有各型飞机 各类精密进近着陆引导 所有运行需求的系统 使用差分相移键控 DPSK 调制 反复发送 周期冗余检查和低比特误码率来确保其完整性和性能 该链路支持导航地基增强系统 GBAS MLS运行在5030 5091MHz 以300kHz的频道间隔提供200个通道 MLS提供对空数据广播能力来支持执行精密进近所必要的数据 包括基本的MLS数据 MLS区域导航数据和地面风数据 3 2 2空管数据链通信技术 9 导航数据链第一代GNSS基于GPS和GLONASS导航卫星星座 一般通过其增强系统来改善精度 完整性 连续性和可用性 包括星基增强系统 SBAS 和地基增强系统 GBAS SBAS服务的覆盖面与同步卫星的相同GBAS使用的频段可从C波段或者甚高频波段选择 在甚高频波段上其调制方式为D8PSK或者GFSK D8PSK工作在108 117 975MHz 选用ILS和全向信标台 VOR 使用的导航频段的信道间隔 GFSK将使用相同频段 TDMA调制方式 不具备运行在25kHz频道间隔的能力 3 2 2空管数据链通信技术 10 ACARSACARS是基于甚高频的数据通信系统 通过发送一套预先编码的电报交换各种信息面向字符 不满足ISO的OSI RM7层体系结构 采用MSK调制的模拟电台 信息传输率最高只能达到2 4Kbit s采用的ARINC618协议和ARINC620协议是典型的文本电报字符格式 3 2 2空管数据链通信技术 CNS ATM数据链一览表 CNS ATM数据链一览表 内容安排 3 1空管通信的特点3 2空管通信的体制及技术3 3空管数据链通信系统3 4ATN3 5中国民航甚高频数据链技术的应用与发展 3 3空管数据链通信系统 本节主要介绍数据链通信系统包括甚高频数据链 卫星数据链 高频数据链和S模式二次雷达数据链3 3 1甚高频数据链系统3 3 2卫星数据链系统3 3 3高频数据链系统3 3 4S模式二次雷达数据链系统 3 3 1甚高频数据链系统 由于甚高频数据链系统传输延时小 机载设备和地面设备简单 经济等优点得到广泛使用再过内建立约80个远端地面站 RGS 和网络管理与数据处理系统 具备提供除西部部分航路之外干线航路的地空甚高频覆盖能力 3 3 1甚高频数据链系统 甚高频数据链系统主要有以下特点 1 甚高频电波传播特性是直线传播 电离层不能反射 故而是在视线范围内传播 覆盖范围一般只限于以地面为中心的一定半径范围内 2 对于地面站和机载设备频率范围 甚高频信道均匀分布于118MHz至136 975MHz之间 信道间隔为25kHz 共760个信道 3 公共信令信道 CSC 设定为136 975MHz 4 提供独立代码和独立字节的数据传输 5 提供链路层广播服务 3 3 1甚高频数据链系统 甚高频地空数据链网络组成示意图 3 3 1甚高频数据链系统 典型应用如下 1 ADS系统 2 CPDLC 3 飞机放行许可 PDC 4 海洋放行许可 OC 5 数字自动终端信息服务应用 D ATIS 6 ADS B 7 CNS ATM航路 3 3 1甚高频数据链系统 3 3 1 1甚高频数据链的发展 3 3 1 2甚高频数据链的分层结构 ICAO对甚高频数据链系统的网络体系结构进行了标准化 按照OSI参考模型的7层体系结构 定义了甚高频数字链设计标准 3 3 1 2甚高频数据链的分层结构 VDL7层体系结构的定义和功能 3 3 1 2甚高频数据链的分层结构 7层体系结构分析 最低3层 物理层 数据链路层 网络层 实现通信子网的功能 最高3层 会话层 表示层 应用层 实现用户的应用要求 传输层则在最低3层通信子网的基础上为最高3层协议提供源端系统到目的端系统之间可靠的数据通信 是低层子网通信和高层用户应用之间的隔离层 3 3 1 2甚高频数据链的分层结构 数据链的分层结构比较 3 3 1 3ACARS系统 70年代末期 美国ARINC公司研制典型甚高频空地的数据链ACARSACARS系统主要由机载设备 地面设备和网络控制中心 中央交换系统 组成 ACARS的频率间隔为25KHz 数据传输速率为2 4Kbit s 采用单信道半双工的工作方式 甚高频通信是视距通信 覆盖范围与飞行高度有关 3 3 1 3ACARS系统 ACARS系统组成框图 3 3 1 3ACARS系统ACARS系统组成分析 机载设备 增加了一个ACARS通信管理单元CMU 一方面与标准机载收发信机相连 另一方面与其他机载数据终端设备相连 完成数据处理等功能地面设备 在地面布置甚高频RGS网络 增加了一个数据控制与接口单元 DCIU 中央交换系统 实现多个飞机和多个RGS机站的多用户通信 实现航空公司和ATS用户间的资源的共享 实现空地终端间的自动数据通信 3 3 1 3ACARS系统 为了消除由于信道过分拥挤造成延迟 ARINC采用了广播调频或多基频技术 提高了ACARS在重要机场的可靠性 新的ACARS系统采用甚高频数字链路技术 即VDL模式2 它采用面向比特协议调制方式为D8PSK 速率可达31 5Kbit s下面继续介绍VDL模式2 3 3 1 4VDL模式2概述 VDL模式2是ATN地空移动通信的主要方式 以面向比特的方式传输 传输速率达到31 5kbit 采用ISO8208面向连接的方式与机载子网 地面子网一起构成了地空统一网络VDL模式2作为ATN的一种移动子网 承载着地空移动通信中的网络层数据包 规定了地空移动通信的物理层 链路层和子网层协议 链路层协议由MAC子层 DLS和链路管理子层组成 其中采用的是HDLC协议的子集AVLC 基本结构如下图 3 3 1 4VDL模式2概述 VDL模式2协议结构 3 3 1 4VDL模式2物理层协议与服务 物理层为数据链路层的比特数据传送建立 维持和取消连接 数据链路层的用户数据通过服务原语传递到物理层 物理层通过甚高频信道将数据送到通信另一端的物理层 物理层再通过服务原语将数据传送到数据链路层 3 3 1 4VDL模式2物理层协议与服务 1 物理层的功能 收发频率控制 物理层的频率选择根据链路层的请求而定 通告功能 通过信号质量指示参数来通告信号质量 数据发射功能 指物理层将从链路层收到的数据经过适当地编码通过射频 RF 信道发送 数据接收功能 指将接收到的数据解码 使高层应用能够准确读出 3 3 1 4VDL模式2物理层协议与服务 2 VDL模式2的发送特点 调制方案 采用D8PSK调制 用 0 6升余玄滤波器 将要发送的信息每三个比特组成一个符号作为相位的变化 编码 一个进入差分数据编码器的二进制数据流被转换为三个独立的二进制数据流X Y Z 调制速率 调制速率为10500符号 秒 所以比特率10500 3 31 5Kbit s 编码相位 3 3 1 4VDL模式2物理层协议与服务 训练序列 a 发射机功率稳定和接收机设置 即000000000000 b 同步和模糊分辨 c 保留符号 000 d 发射数据长度 e FEC帧头 FEC FEC编码采用系统定长RS编码 249字节一帧的数据 可以纠正3个字节的错误 原始多项式为生成多项式为 3 3 1 4VDL模式2物理层协议与服务 交织 Interleaving 每一帧数据位包含249个字节 共2498 1992bit3 侦听算法 CSMA 在发送数据或语音包之前运行CSMA时 VDL模式2接收机可以通过能量检测算法来检测信道是否空闲信道从忙到空闲的检测及信道从空闲到忙的检测的方法见书 3 3 1 4VDL模式2物理层协议与服务 4 物理层与链路层的接口 物理层与链路层的接口由数据原语 频率改变原语 信道侦听原语 信号质量原语 对等地址原语 信道占用原语组成5 物理层与物理设备接口 物理层与物理设备接口由发射原语 接收原语组成注 以上原语见网络总结图 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 链路层负责将信息从一个网络实体传送到另一个网络实体 传送错误通告 以及提供如下服务 帧的组合与拆分 建立帧同步 抛弃非标准帧 帧差错的检测与控制 RF信道的选择 地址识别 产生帧校验序列 链路层通过RF信道提供基本的比特传输 链路层的数据在地空收发设备中作为比特流进行传输 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 1 MAC子层 MAC子层对共享信道提供对DLS子层透明的获取功能 MAC子层的服务主要包括两个部分 利用P坚持CSMA算法进行多路接入 以及信道拥塞通告服务 具体包括 多址方式 利用CSMA算法让所有的地面站有平等的机会发送数据 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 信道拥塞检测 当检测出通道拥塞时 MAC子层将向甚高频管理实体 VME 子层通告 在试图接入通道之前 MAC子层必须保证信道是空闲的 实现过程 发射端在试图进行传输之前首先侦听信道 等待信道的空闲 当确定信道空闲的时候 试图以概率p进行传输 而以概率1 p后退等待 在一个最大访问次数M1之后 MAC子层将在信道空闲之后立刻传输包 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 如果经过计时器TM2时间帧仍未被传送 则MAC子层将检测出拥塞 并通告VME子层 P坚持CSMA算法允许在达到系统吞吐量最佳 传输延迟最小和冲突最少的时候 所有的基站都有机会进行传输 具体时间如下 MAC子层参数 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 2 DLS DLS利用AVLC协议支持面向比特的地空通信服务 包括 帧顺序 接收端的DLS子层保证重复的帧被丢弃 且所有的帧都出现且只出现一次 差错检测 DLS子层保证检测并丢弃所有在传输中出现差错的帧 站识别 DLS子层通过点到点的连接接收且只接收发向它自己的帧 广播地址 广播地址可被所有接收者识别和接收 数据传送 数据将在VDL信息帧 INFO 用户接口帧 UI 标识交换帧 XID 的信息域中被传送 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 VDL模式2帧结构 模式2帧结构按照ISO3309帧结构 如图 VDL模式2帧结构 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 VDL模式2帧结构分析 地址结构 地址域包括8个字节 每个字节的最小有效比特 LSB 为扩展保留位 地址域 地址域包含目的地址域和源地址域 目的地址域包含目的DLS地址或广播地址 源地址域包含一个DLS地址 广播地址 广播地址仅做为目的地址用于UI帧和XID帧中 用来广播地面站信息 链路控制域 该字节的编码参照ISO4335 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 DLS层与上一层的接口原语 注 以上原语见网络总结图 3 LME DLE存在于数据链路子层中 提供面向连接的点到点的链路 LME用于建立和管理DLE之间的连接一个VDL模式2地面系统包括甚高频地面站 提供与ATN连接的地面网络和一个VME 来管理与地面站建立连接的VDL模式2飞机 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 LME提供的服务有 提供连接和改变连接通告提供连接 每一个地面VME为每一架飞机产生一个LME 同样 每一个机载VME将为每个地面系统产生一个LME改变连接通告 VME将通知中间系统系统管理实体 SME 链路连接的变化 3 3 1 4VDL模式2链路层协议与服务 LME的工作过程 频率管理过程 频率搜捕过程 链路连接过程 机载和地面LME将用如下过程来维护甚高频数据链 LME与上一层的接口 提供一系列原语 具体见网络总结 如下图 63 子网层 媒体访问控制层 物理层 队列管理子层 逻辑链路控制子层 数字链路服务子层3 链路管理实体3 数字链路服务子层2 数字链路服务子层1 链路管理实体2 链路管理实体1 RF IDLE indicationRF BUSY indicationRF OCC indication RF PDU transmitRF PDU receive PH IDLE indicationPH BUSY indication PH DATA request MA CTS indicationMA RTS request MA EVENT TM2 indication PH FREQ requestPH ADD request PH DATA indicationPH OCC indication PH SQP ind DL RST DM requestDL XID request DL XID indicationDL RST N2 indicationDL RST TM2 indicationDL RST DM indication DL DISC indicationDL RST N2 indicationDL RST TM2 indicationDL RST FRMR indication TX EVENT TM2 indicationTX QUEUE request TX EVENT TM2 indicationTX QUEUE request DL DATA indication DL DATA request 数据链路层 64 飞机链路层 甚高频管理实体 链路管理实体1 逻辑链路子层 数据链路实体1 地面站链路层 逻辑链路子层 广播XID帧 DL XID ind XID req 甚高频管理实体 DL XID ind XID req 建立DLE实体 DL UNBLOCK req 链路管理实体1 数据链路实体1 广播XID帧 建立DLE实体 broadcast LINK 飞机链路层 甚高频管理实体 链路管理实体1 数据链路实体1 逻辑链路子层 数据链路实体2 broadcast LINK 链路管理实体2 3 3 1 4VDL模式2网络层协议与服务 VDL模式2子网层协议的功能包括 对重复 丢失 无效分组的处理 以及对分组包的路由和转发功能 子网协议被称为子网接入协议 SNACP 其中网协议数据单元 SNPDU 是指当收到链路层帧时 其净荷部分包括三个部分 3 3 1 4VDL模式2网络层协议与服务 1 子网层服务 按照ISO8208标准 提供的服务包括如下四个方面 子网连接管理 使用相应的分组类型 过程和设施来建立 结束和管理子网连接 关键 连接的双方端点尽可能多地保留连接状态信息 分组的拆分和重组 允许子网用户对大的数据单元进行拆分传送 接收将数据端重组 3 3 1 4VDL模式2网络层协议与服务 错误恢复 VDL模式2中 采用拒绝帧分组进行通信子网级的错误恢复 这些分组将使发送端子网实体重传错误的数据包 连接流量控制 连接流量控制采用分组序列号和滑动窗口实现 3 3 1 4VDL模式2网络层协议与服务 2 VDL模式2分组格式 分组序号采用模8格式 格式遵照ISO8208的规定 选用快速选择设施3 VDL模式2所支持的设施 设施包括 分组重传 非标准省略包大小 非标准省略窗口大小 流量控制参数协商 快速选择 被叫线地址更改通告 被叫地址扩展 3 3 1 4VDL模式2OPENET仿真实例 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 1 目的 系统可靠性验证 确保系统的正确运行 分析系统固有参数对系统性能的影响情况2 网络拓扑 飞机节点都包含自己的应用设置 互相独立和向地面进行数据通讯 如 飞机与地面站发送和接收消息消息理想情况下 飞机数量最多设置为140架 仿真时间周期设置为24小时 仿真结果如下 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 网络拓扑 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 3 节点模型 节点代表了实际的通信实体 如固定节点地面站和移动节点飞机 每个节点运行一定的网络协议以便能够进行通信按照ISO的标准层次设计和OPNET的建模需要各层简化为应用层 子网层 链路层 物理层 应用层作用产生包并最终接收包 链路层又包括DLS子层 MAC子层 物理层主要采用了信道设计 收发信机设计的方法VDL模式2模型的层次结构如下图 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 移动节点模型图 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 移动节点模型图 移动节点模型层次图 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 4 仿真结果 第一组 吞吐量随飞机数量与数据更新率的变化曲线 平均延迟随飞机数量与数据更新率的变化曲线 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 第二组 分析报文长度与飞机数量对系统吞吐量的影响 吞吐量随飞机数量与报文长度的变化曲线 3 3 1 4VDL模式2仿真分析 第二组 验证并寻找系统实际负载的临界点并得到系统的最佳工作范围 吞吐量随实际负载的变化曲线 信道效率随实际负载的变化曲线 3 3 1 4VDL模式2仿真结果总结 对VDL模式2进行OPENET仿真 结论如下 1 系统吞吐量随飞机数量的变化呈抛物线形状 2 飞机数目对系统延迟影响明显 随着飞机数目的增加 延迟显著增加 3 报文长度对系统吞吐量有明显的影响 与报文更新速率相同4 信道未饱和时 系统吞吐量随系统实际负载的增加而增加 而当信道饱和后 系统吞吐量减小 5 系统在实际负载为0 4 0 7范围内时工作效果最佳 此时信道效率达到0 4左右 3 3 1 5VDL模式4概述 VDL模式4数据链采用标准的甚高频带宽 25kHz 信道传输数字信息 其主要的特点在于信道预约访问协议 信道被划分为若干时隙 可以为飞机 地面站和其它地面通信设备的收发信机所使用 具体见后图信道预约协议降低了信道占用冲突的概率这一信道时隙使用和管理的方式称为自组织时分多址协议 3 3 1 5VDL模式4概述 VDL模式4数据链运行情况 VDL模式4数据为将来的CNS ATM技术提供系统解决方案 3 3 1 5VDL模式4物理平台 每一个VDL模式4的用户都装备有异频收发信机 用来确定位置和时间 管理数据链上的传输并接收发送数据下面介绍收发信机中各个部分的功能及工作频段 VDL模式4收发信机 3 3 1 5VDL模式4物理平台 GNSS接收机 为用户提供精确的导航信息及时间信息 时间信号是由GNSS收发信机中获得VHF收发信机 既用来发送自己的位置信息和其他的用户的有关信息 又用来接收其他用户发送的数据通信处理机 是一台用来调整使用通信信道的计算机 和VHF收发信机 GNSS接收机相连工作频谱 VDL模式4工作在108 136 975MHz的甚高频航空数据链上 3 3 1 5VDL模式4数据链的运作模式和通信结构 VDL模式4可以用来构成不同功能级别的运作模式 即受控模式和自治模式受控运作模式下 地面站按指令型预约协议为空中用户分配使用时隙自治运作模式下的VDL模式4数据链系统又可分为三种通信结构 没有地面系统的自治通信结构单蜂窝通信结构多蜂窝通信结构 3 3 1 5VDL模式4数据链的运作模式和通信结构 自治通信结构用自组织协议可以实现任何具有蜂窝重叠区用户间的空 空通信 应用于低密集区 海域和两极地带 提供ADS B和空 空通信支持提供CDTI ACAS 以及搜索和救援的协调 3 3 1 5VDL模式4数据链的运作模式和通信结构 单蜂窝通信结构VDL模式4数据链地面站提供空 地通信服务和地面监视服务 授权的地面站可以按指令型预约协议来控制信道时隙的使用地面站间无蜂窝重叠区单蜂窝通信结构的功能受地面站覆盖范围的影响 越出单蜂窝区时 其功能和运作方式与自治通信结构一样 3 3 1 5VDL模式4数据链的运作模式和通信结构 单蜂窝通信结构下 空 地通信过程可分为三个阶段 空中用户进入地面站蜂窝覆盖区 地面站蜂窝覆盖区内的飞行阶段 用户飞离地面站蜂窝覆盖区 3 3 1 5VDL模式4数据链的运作模式和通信结构 多蜂窝通信结构与单蜂窝通信结构的区别在于地面站间存在重叠覆盖区数据链同过地面站与专用的ADS B地面数据网络的联接实现ADS B的相关服务具有地面站突发的二次导航功能为GNSS功能的备份 3 3 1 5VDL模式4数据链的运作模式和通信结构 多蜂窝通信结构中空中用户跨蜂窝飞行基本原则 工作于受控通信模式空中用户进入重叠区后 继续用指令型预约协议工作于自治通信模式的可按新用户登录过程实现网络登录 进入蜂窝重叠区的空中用户与新地面站覆盖范围内的其他用户间不争用信道时隙情况的处理 继续使用原信道时隙与原地面站保持通信 并在空闲的时隙中向新地面站发送预约请求 3 3 1 5VDL模式4数据链的运作模式和通信结构 发生争用信道时隙情况的处理 自动选择空闲时隙给新地面站发送报文进入重叠区新信道不与原信道时隙冲突放弃原地面站的时隙 新地面站未为该空中用户分配 原地面站分配了新时隙 使用该新时隙一直与原地面站保持通信 并与新地面站建立通信 实现越区切换 3 3 1 5VDL模式4系统运行 数据传输网络接入 3 3 1 5VDL模式4系统运行 一 数据传输 1 单时隙数据传输 分为A B C D四个阶段 3 3 1 5VDL模式4系统运行 一 数据传输 数据传输阶段 3 3 1 5VDL模式4系统运行 一 数据传输 单时隙传输阶段图中可以看到 除去上述四个阶段外 还保留一个传输保护时间间隔 传输保护间隔时间的使用 3 3 1 5VDL模式4系统运行 一 数据传输 2 多时隙数据传输 多时隙传输就是一次传输跨越多个时隙 同单时隙传输 3 3 1 5VDL模式4系统运行 二 网络接入 以下情况下会应用网络接入协议 站点开始运行 转到另一个新的信道上发送 在一个信道上很长时间没有监听 发现突然出现许多未知站点站点接入网络有两种方式 复合式广播预约和请求 回复预约或BNG 3 3 1 5VDL模式4系统运行 二 网络接入 1 复合式广播接入 站点必须先监听信道至少一分钟 用来建立时隙预约 然后利用时隙选择过程选择发送时隙 等到发送时隙时发送报文 2 请求 回复和BNG接入 需要快速接入网络 这时有三种方式可以使用 分别是BNG预约 半时隙传输和请求 回复传输 当一个站点监听了信道一段时间 但是还没有建立一个完整的时隙预约表时 可以使用BNG预约快速接入网络 3 3 1 5VDL模式4系统运行 当站点需要预约一些时隙用于传输但又不清楚时隙占用情况时 可以使用请求 回复传输 如果站点只进行简短的发送 可以使用半时隙传输 3 3 1 6S TDMA数据链协议 S TDMA协议采用典型的TDMA传输体制 将时间轴等分成若干信息帧 每帧又分成若干时隙供飞机等用户使用 各用户周期地发送时隙预约信息报文构造时隙状态表通过时隙争用 预约 占用等过程用时隙的预约技术来实现系统的自组织组网 3 3 1 6S TDMA数据链协议分层结构 S TDMA数据链采用OSI模型设计系统体系结构 将通信子网系统分为两层 从上到下各层依次为 数据链路层和物理层 数据链路层分为四个子层 MAC子层 VSS子层 DLS子层 LME子层MAC子层负责时隙划分 实现TDMA信道接入 VSS子层提供多种协议 使得用户可以自组织地在TDMA信道上进行发送 DLS子层负责提供面向链接和面向无链接的服务LME子层负责链接的建立 管理 维护及终止 3 3 1 6S TDMA数据链协议MAC子层 MAC子层透明地查询共享的通信路径以提供上述通信服务 主要功能 TDMA信道访问 信道在时间上被划分为连续的超帧 典型的超帧结构 3 3 1 6S TDMA数据链协议MAC子层 信道中的时隙同步 站点必须与UTC时间保持同步 精度要求在 400ns误差范围内 并将此时间作为首选的时间基准 而且每秒进行一次时隙同步 时隙占用情况A 未占用时隙的检测 a 预期的预约结束 当某用户接收到预约表中已预约时隙的发送时 便认为该时隙所在的时隙块将处于未被占用的状态 b 信道空闲的通知 当用户接收到来自物理层信道时隙起始空闲的通知时 便认为该时隙未被占用 3 3 1 6S TDMA数据链协议MAC子层 处理发送和接收的突发帧MAC子层接受来自VSS子层要发送的带有发送时间信息和访问控制方式的突发帧同时提供所接收到的突发帧或帧数据 时隙占用与否的通知以及待发送突发帧的状态A 发送处理 如果用户已经预约当前时隙或当前时隙未被占用 用户启动发进程 如果不能启动则及时通知VSS子层 3 3 1 6S TDMA数据链协议MAC子层 B 接收处理 MAC子层对突发帧进行CRC校验 丢弃具有不正确CRC校验值的突发帧对正确CRC突发帧传递给VSS用户 对正确CRC的帧交给DLE具有正确CRC校验值的突发帧 帧的信号质量和发送时间交给相应的LME 3 3 1 6S TDMA数据链协议VSS子层 VSS子层为用户提供多种信道访问方式 使信道达到最大的系统吞吐率 能有效的减少碰撞 减少传输延时 1 VSS子层提供的功能 多种信道访问协议 检错 身份识别 信道阻塞报告 3 3 1 6S TDMA数据链协议VSS子层 2 预约访问协议当采用预约访问方式时 用户要采用预约协议中规定的方法为自己或其他用户预约发送时隙 下面介绍预约访问协议中的几个重要部分 时隙预约表 时隙选择 时隙复用 3 3 1 6S TDMA数据链协议VSS子层 时隙预约表 时隙动态分配示意图 3 3 1 6S TDMA数据链协议VSS子层 时隙选择 用户有发送需求 而此前又没有预约发送时隙 这时就要进行时隙选择成功预约时隙的步骤六个 请看书 时隙复用 若空闲时隙有限 站点可以使用已被其它遥远站点预约过的时隙 有两种时隙复用准则 RobinHood原理 同信道干扰 CCI 保护 3 3 1 6S TDMA数据链协议VSS子层 RobinHood原理 优先选取最远站点 然后选取较近站点预约的时隙利用RobinHood原理导致广播范围的缩小 3 3 1 6S TDMA数据链协议VSS子层 同信道干扰 CCI 保护 CCI保护推广了RobinHood原理 允许由一个站点使用另外两个站点为进行点到点通信已经预约的时隙 3 3 1 6S TDMA数据链协议VSS子层 预约访问的分类预约访问有以下几种类型 a 空预约b 周期性广播预约c 递增型广播预约d 复合型广播预约e BNG广播预约f 单向请求预约g 信息传输请求预约h 指令性请求预约i 块预约j 回复预约各种预约适用各种不同情况的应用 3 3 1 6S TDMA数据链协议VSS子层 3 随机访问协议 随机访问协议仅用于没有机会利用地面隔离时隙的情况对于所有用随机访问方式进行发送的报文 VSS子层能对其按优先级进行排队 使得优先级高的得以先发送 4 固定访问协议 只适用于地面站 地面站可以决定是否在某些特定时刻进行特定发送而不需要预约 3 3 1 6S TDMA数据链协议VSS子层 5 重发过程当突发帧发送后 如果在预约时隙内没有及时收到回复 应按重发过程重发该突发帧 3 3 1 6S TDMA数据链协议DLS子层 1 DLS子层的协议及功能DLS子层使用NSCOP协议和ZOCOP协议 仅提供面向比特的通信 NSCOP协议用于地空通信 ZOCOP协议用于空空通信提供的服务有用户数据传输 数据包的分割 对已传输的用户数据进行确认接收用户数据指示DLS链路已经建立和指示DLS链路已经拆掉等服务过程如下图 3 3 1 6S TDMA数据链协议DLS子层 DLS的服务过程 3 3 1 6S TDMA数据链协议DLS子层 2 DLS子层的处理过程主要包括以下几个过程 广播 重传参数的选择 待传送的用户数据包的选择 根据优先级 传送法过程的选择 用户数据包的接收 应答数据链路层协议数据单元 ACKDLPDU 的接收 连接重置 数据链路服务数据链路层协议数据单元 DLSDLPDU 传输和控制链路层协议数据单元 CTRLDLPDU DLS的运行过程如下图 3 3 1 6S TDMA数据链协议DLS子层 DLS运行过程 3 3 1 6S TDMA数据链协议DLS子层 3 短传输协议 DLS层中和数据包长度相关的系统参数有 ND1 ND2 ND3 ND4 ND1指定DLS可接收处理的最大用户数据包字节数ND2指定短传输最大长度ND3指定传输分段最大可占用时隙数ND4参数用来指定最大广播数据包长度短传输协议的时序如下图 3 3 1 6S TDMA数据链协议DLS子层 短传输协议时序图 3 3 1 6S TDMA数据链协议DLS子层 短传输过程中的两种数据突发帧 信息突发帧确认突发帧 短传输时隙分配图 3 3 1 6S TDMA数据链协议DLS子层 1 短传输参数V32 V33共同确定了回复时隙的时隙选择窗口设置V32为了使得接收站点有足够的时间生成确认包并组织发送设置V33为了提高通信性能 如果发送失败可以及时进行重传 3 3 1 6S TDMA数据链协议DLS子层 2 短传输重传机制如果确认没有被站点1正确接收 则信息突发帧需要在 t后被重传 t由重传算法确定 由VSS子层执行 短传输重传示意图 3 3 1 6S TDMA数据链协议DLS子层 4 长传输协议当DLS发送数据长度大于ND2时 需要采用长传输协议进行发送 时序图如下 3 3 1 6S TDMA数据链协议DLS子层 分析长传输过程中的数据突发帧 RTS 协议中唯一使用随机方式发送的数据 为对方站点2发送CTS预约了时隙CTS1 该突发帧是对RTS请求的回复INFO 1 站点1发送的信息突发帧ACK 1 CTS2 该时隙的发送包含站点2对信息突发帧1的确认以及为站点1发送下一个信息突发帧预约的时隙的信息最后的ACK 当收到最后一个信息突发帧后 站点2发送最后一个ACK 3 3 1 6S TDMA数据链协议DLS子层 长传输时隙分配图 3 3 1 6S TDMA数据链协议DLS子层 1 长传输参数V43 V44确定了信息发送时隙的时隙选择窗口 V45 V46确定了确认发送时隙的时隙选择窗口 其他参数含义同短传输协议 长传输参数 3 3 1 6S TDMA数据链协议DLS子层 2 长传输重传机制长传输中的重传包含两个部分 请求信息RTS的重传CTS信息的重传 长传输重传示意图 3 3 1 6S TDMA数据链协议LME子层 1 LME子层的功能LME子层提供并维护处于地面站系统覆盖范围内的移动用户和地面站之间的可靠连接监视所有来自于其对等用户的发送 2 LME过程LME包含两个重要的用于建立和维护链接的过程 用广播同步突发帧来交换移动站和地面站的地址和位置信息 用XID交换链接控制信息 3 3 1 6S TDMA数据链协议LME子层 同步突发过程同步突发帧由每个移动站和地面站周期发送包含两部分 固定数据域 提供ADS B和数据链管理通信方面的应用可变数据域 包含一些VSS用户可能需要的额外信息身份和位置信息在一分钟内至少要广播一次 3 3 1 6S TDMA数据链协议LME子层 XID过程地面站可以用XID帧和一个或多个移动站协商建立链接 XID过程包括 请求发送 回复 确认三个过程请求 一个LME需要传输一个请求传输XID突发帧 RTX 回复 目的站收到请求后 使用回复预约进行回复确认 请求站收到回复后要在相应的预约时隙中发送确认帧 3 3 1 6S TDMA数据链协议数据链关键技术 S TDMA数据链的动态时隙分配S TDMA数据链的隐藏终端问题S TDMA数据链的暴露终端问题 3 3 1 6 6 1S TDMA数据链的动态时隙分配 时隙的分配是指在受控状态下主控站根据时隙的分布情况为用户指定可用时隙的过程 受控状态下用户的时隙分配是由主控站采用一定的时隙分配方案实现的所以需要采用指令型请求预约协议 由地面主控站为用户统一安排时隙 地面站对用户的控制是通过采用一定的时隙分配方案为用户安排时隙实现的 3 3 1 6 6 1S TDMA数据链的动态时隙分配 1 典型的S TDMA时隙分配方案 首先进行系统登录 接收系统广播报 向地面站发送预约请求 接收到地面站的应答后 用户立即转入受控状态成为新用户随后可在地面站分配的时隙内广播数据报文缺点 用户自己不能主动发送报文请求 限制了实时应用 3 3 1 6 6 1S TDMA数据链的动态时隙分配 2 新的S TDMA时隙动态分配方案当用户有紧急业务需求时 地面站可根据用户带有优先级的预约请求 实时地为其分配时隙 并支持用户需要连续占用多个时隙发送长报文的要求当用户需要发送报文时 向地面站发送预约请求信息 根据紧急与否 此报文可以选择是否带有优先标志 优先级别高的报文将优先获得服务用户将自己的需求信息反应到地面站后 地面站将按照一定的规则来协调各用户的要求 并为之服务 3 3 1 6 6 1S TDMA数据链的动态时隙分配 新的时隙动态分配方案下用户工作流程图 3 3 1 6 6 2S TDMA数据链的隐藏终端问题 S TDMA数据链除了支持面向无连接的广播通信服务外 还支持面向连接的端到端的通信服务 两架飞机用户间的通信实际上是典型的无线局域网中的点对点通信方式 会出现隐藏终端问题产生原因 飞机的通信范围是一个快速移动的球状区域 3 3 1 6 6 2S TDMA数据链的隐藏终端问题 接收端R在某一发送端S的通信范围内 另外一个发送端S位于发送端S的通信范围之外接收端R又在发送端S 的通信范围内出现发送端S和S 选用同一个时隙与接收端R通信的情况 产生时隙冲突发送端S和S 互为隐藏终端隐藏终端所在区域为H区 3 3 1 6 6 2S TDMA数据链的隐藏终端问题 解决隐藏终端问题一般采用 BTMA 忙音多址访问方法和 ISMA 空闲信号多址访问方法也可采用RTS ACK机制解决隐藏终端问题的方法采用捎带技术实现的消除隐藏终端方案 称为捎带帧方案 捎带帧由报文数据和捎带数据构成 捎带帧方案示意图 3 3 1 6 6 3S TDMA数据链的暴露终端问题 当终端S预约了某一时隙同R进行点到点通信终端S 不能再预约此时隙传送信息终端S 与R 之间的通信是可以的但占用该时隙传送信息的S TDMA协议限制了它对时隙的占用就是S TDMA数据链的暴露终端问题 暴露终端示意图 3 3 1 6 6 3S TDMA数据链的暴露终端问题 同时规定 1 接收到两个RTS突发帧的终端 只有在第一个突发帧是发给自己的情况下 才做出响应 2 发送端接收到两个响应时 忽略后一个响应信息 当终端S准备向终端R发报 但其预约未得到响应时 若终端S 发报的目的端R 不是R 便可以对此时隙进行预约有如下四种情况 3 3 1 6 6 3S TDMA数据链的暴露终端问题 1 属于暴露终端问题 采用本方案可以使S和S 同时发报 2 3 4 并不存在暴露终端问题 3 3空管数据链通信系统 3 3 1甚高频数据链系统3 3 2卫星数据链系统3 3 3高频数据链系统3 3 4S模式二次雷达数据链系统 3 3 2卫星数据链系统概述 卫星通信技术是实现CNS ATM的基础 其主要运行形式是AMSSAMSS主要通过INMARSAT的空间卫星实现机载地球站与地面地球站间的数据传输可以完全或大部分覆盖中低纬度地区可以弥补甚高频数据链的不足 满足航空运行无缝通信的要求 3 3 2卫星数据链系统 3 3 2 1系统构成3 3 2 2AMSS的运行方式和业务种类3 3 2 3现行航空卫星通信服务的不足和思考3 3 2 4新的卫星通信系统3 3 2 5新的卫星通信技术3 3 2 6AMSS在我国的应用前景 3 3 2 1系统构成 卫星数据链系统主要由空间卫星 机载地球站和地面地球站三部分组成 1 空间卫星AMSS数据通信采用面向比特的协议 采用OSI技术 与ATN兼容 卫星与飞机间的使用L波段卫星与地面间的使用C波段或Ku波段采用全双工通信方式 3 3 2 1系统构成 目前能提供全球性AMSS服务的只有INMARSAT 下面是其覆盖图 3 3 2 1系统构成 2 机载地球站 AES 包括航空电子设备分系统和天线分系统 主要增加了卫星数据处理组件 SDU 等硬件设备和相关服务软件 其工作过程与甚高频ACARS类似 天线的增益方式 分为低增益 Aero L 高增益 Aero H 改进高增益 Aero H 中增益 Aero I 四种 3 3 2 1系统构成 Aero L 0db 是较早的增益方式 特点为单信道通信 适用于通信量小的用户 现已不再用Aero H 12db 采用多信道通信 可以同时实现话音 传真和数据通信 适用于远程和跨洋飞行但使用费用较高Aero H 是对Aero H的改进 对卫星资源的占用小 费用更低Aero I是国际上最新推出的天线增益方式 各方面使用性能都较优 适用于中短程的运行区域 3 3 2 1系统构成 3 地面地球站 GES GES由天线 C 或Ku 频段收发信机 L频段收发信机 导频 信道单元及网络管理设备组成 提供空间卫星