（机械电子工程专业论文）内河ais通信系统可靠性仿真分析研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：幽日期： 丝翌：! f ：堑 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 别獬卜靖醐 武汉理工犬学硕士学位论文 摘要 内河是指处于一个国家之中的河流。我国河流众多，以长江、珠江、黑龙 江三大水系和京杭大运河为主干线组成了我国“三横一纵 为主体的内河网。 内河的典型特点是河道狭窄、弯曲、河流湍急。在内河航行中，传统的导航仪 器如雷达、g p s 等由于各自的局限性很难达到安全导航、避让的作用，而且它 们也无法获得目标船的静态信息( 如船名、呼号、吃水、目的地、到达时间等) 和动态信息( 如船位、船速、船首向、航迹向、转向率等) ，所以仅仅依靠这些 工具很难达到现代安全通航的要求。船载自动识别系统( a i s ) 的诞生弥补了以 往导航仪器的不足，为内河安全航行开辟了一条崭新的道路。a i s 在我国内河航 行中的应用已经越来越广泛。作为一种船舶监测系统，并隶属于无线移动通信 网络范畴，a i s 在内河中通信的可靠性直接决定了其应用前景，因此探讨内河中 a i s 的通信可靠性对保障船载航行安全具有重要的意义。影响a i s 通信可靠性的 因素众多，在特定的内河环境中，由于其特殊的地理环境，其影响因素又会与 海上不同。 本文研究的重点是内河a i s 基站和a i s 船台之间的通信。a i s 基站的工作 原理和a i s 船台的工作原理大同小异。无线通信系统的可靠性主要受移动无线 信道的制约，研究和仿真无线通信系统首先要认识信道本身的特性并通过传播。 预测模型研究电波的传播规律。在充分考虑适用性、可靠性等因素之后，选择 了奥村模型和国家标准模型这两种传播预测模型。 o k u m u r a 模型是奥村等人根据在日本近郊测试的大量数据，统计出用曲线 表示的传播损耗图。该模型的特点是完全基于实测数据，以曲线图表的形式给 出，在计算机上应用不方便。为此，h a t a 等人在此基础上做了分析总结出了一 套经验公式，即o k u m u r a h a t a ( 奥村一哈塔) 模型。o k u m u r a - h a t a 模型是移动 通信中应用较为广泛的预测模型，是根据测试数据统计分析得到的经验公式， 其适用频率范围为1 5 0 - - - 1 5 0 0 m h z ，适用距离为1 - - - - 3 5 k m ，基站有效天线高度在 3 0 , - 一2 0 0 m 之间，移动台有效天线高度在l 1 0 m 之间。奥村一哈塔模型是以市 区传播损耗模型为标准，其它地形的传播损耗模型在它的基础上做了修正。 g b t 1 4 6 1 7 1 9 3 模型也是应用较为广泛的一种模型。我国对奥村一哈塔模 武汉理工大学硕士学位论文 型进行了修正后，在1 9 9 4 年纳入了国家标准，即国家标准模型。它扩展了传播 路径，引入了建筑物密度修正因子等，是一个理论与经验相结合的模型，更加 适用于中国地形地貌特点。 本文利用这两种模型对a i s 通信系统的可靠性进行了研究，开发了仿真系 统，并进行了仿真分析。在实验的基础上，验证了奥村模型在武汉地区应用的 适用性，并进行了修正，得到了本地化的预测模型。 关键字：船载自动识别系统；奥村一哈塔模型；国家标准模型；仿真；可靠性 i l 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n l a n dr i v e rm e a n st h ef i v e rf l o w st h r o u g ho n ec o u n t r y o u rc o u n t r yi sw a t e r e d b yn u m e r o u sr i v e r s a n dt h em a i nf r a m e w o r ko ft h ei n l a n dr i v e rn e t w o r kc a l lb es e e n a sas t r u c t u r ec a l l e d “f o u rl o n g i t u d i n a la n df o u rh o r i z o n t a l ”，w h i c hi sc o m p o s e do f c h a n g j i a n gr i v e r , p e a r lr i v e r , h e i l o n g j i a n gr i v e ra n da e i j i n g h a n g z h o ug r a n d c a n a l n a r r o wa n dc u r v e dc h a n n e l sa n dt o r r e n t sa l et h ec h a r a c t e r so ft h ei n l a n d w a t e r w a y d u et ot h el i m i t a t i o no ft r a d i t i o n a ln a v i g a t o rs u c ha sr a d a ra n dg p s t h e s e e q u i p m e n t sc a n n o te n s u r es a f e t yi ns a i l i n ga n da v o i d a n c e ，a n dt h e ya l s oc a n n o t c a p t u r et h es t a t i ci n f o r m a t i o n ( s u c h a sn a m e , d e p t h , d e s t i n a t i o n ，a r r i v a lt i m ea n d e r e ) a n dd y n a m i ci n f o r m a t i o n ( s u c h 弱p o s i t i o n ，s p e e d ，h e a d i n g ，r o t a t i o nr a t ea n de r e ) s oo n l yu s et h e s ee q u i p m e n t sc a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fs a f e t yi nn a v i g a t i o n n o w , 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 ( a i s ) o v e r c o m et h es h o r t a g eo ft r a d i t i o n a l n a v i g a t o r s ，w h i c ho p e n su pan e ww a yf o rs a f e t yn a v i g a t i o no fi n l a n dr i v e r s a i si s m o r ea n dm o r ew i d e l ya p p l i e di nt h ei n l a n dn a v i g a t i o no f0 1 1 1 c o u n t r y a sak i n do f s h i pm o n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c hb e l o n g st ow i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ， t h er e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o nd e t e r m i n e st h ea p p l i c a t i o no fa i s s ot h er e s e a r c ho f r e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o no fa i si ni n l a n dn a v i g a t i o ni si m p o r t a n tf o rt h es a f e t yo f n a v i g a t i o n t h ee l e m e n t sw h i c ha f f e c tt h er e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o na r em u l t i p l e ， a n db e c a u s eo fs p e c i a l g e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n t s ，t h e s e e l e m e n t so fi n l a n d n a v i g a t i o na r ed i f f e r e n tf r o mm a r i t i m e t h e k e yp o i n to ft h i sr e s e a r c hi so nt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eb a s es t a t i o n a n ds h i pb e r t ho fa i s t h ew o r kp r i n c i p l eo fb a s es t a t i o no fa i si ss i m i l a rt os h i p b e r t ho fa i s t h er e l i a b i l i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sm a i n l ya f f e c t e db y w i r e l e s sc h a n n e l t os t u d ya n ds i m u l a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mm u s ta n a l y z e t h ec h a r a c t e r so fc h a n n e la n du s ef o r e c a s tm o d e lt os t u d yt h eb r o a d c a s td i s c i p l i n eo f r a d i of i r s t l y b a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o no ff a c t o r so fa p p l i c a t i o na n d r e l i a b i l i t ya n ds o o n ，t h i st h e s i sc h o o s e so k u m u r a - h a t am o d e la n dn a t i o n a ls t a n d a r dm o d e l a c c o r d i n gt ot h el a r g ea m o u n to fd a t at e s t e di nj a p a n ，o k u m u r aa n do t h e r sh a v e m a d et h ec u r v ec h a r to fp r o p a g a t i o nl o s s t h ef e a t u r eo ft h em o d e li st h a tt h er e s u l to f m o d e lg i v e nb yt h ef o r mo fc u r v e si s c o m p l e t e l yb a s e do nm e a s u r e dd a t a i t s i ! i 武汉理工大学硕士学位论文 i n c o n v e n i e n tt oa p p l yi nc o m p u t e r s o ，h a t aa n ds o m eo t h e rp e o p l eh a v ea n a l y z e do n t h i sb a s i sa n ds u m m a r i z e das e to fe m p i r i c a lf o r m u l a t h a ti so k u m u r a h a t am o d e l o k u m u r a - h a t am o d e li sak i n do fp r e d i c t i o nm o d e lw i d e l yu s e di nt h em o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，i ti sa ne m p i r i c a lf o r m u l ao b t a i n e db yt h es t a t i s t i c a la n a l y s i so ft e s t d a t a ，i t sa p p l i c a b l ef r e q u e n c yr a n g ei s15 0 l5 0 0 m h z ，t h ed i s t a n c ei s1 2 0 k m ，t h e e f f e c t i v ea n t e n n ah e i g h to fb a s es t a t i o ni s3 0 2 0 0 m ，a n dt h em o b i l es t a t i o n si s l lo m o k u m u r a - h a t am o d e li se s t a b l i s h e da st h es t a n d a r db yu r b a np r o p a g a t i o n l o s s ，t h eo t h e rt e r r a i n sh a sm a d es o m ea m e n d m e n t so nt h i sb a s i s g b t 1 4 6 1 7 1 - 9 3m o d e li sa l s oaw i d e l yu s e dm o d e l i n1 9 9 4 ，o k u m u r a - h a t a m o d e lw a sb r o u g h ti nt h en a t i o n a ls t a n d a r da f t e ro u rc o u n t r ym a d es o m e m o d i f i c a t i o n s ，t h a ti st h en a t i o n a ls t a n d a r dm o d e l i te x t e n d st h et r a n s m i s s i o np a t h ， l e a d si n t ot h ed e n s i t yc o r r e c t i o nf a c t o ro ft h eb u i l d i n ga n ds oo n ，i f sac o m b i n a t i o no f t h e o r e t i c a la n de m p i r i c a lm o d e l s ，s oi t sm o r es u i t a b l ef o rt h ef e a t u r e so fc h i n e s e t e r r a i n i nt h i s t h e s i s ，t h e s et w om o d e l sa r eu s e dt os t u d yt h er e l i a b i l i t yo fa i s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n dm a k es o m es i m u l a t i o n a n a l y s i s o n t h eb a s i so f e x p e r i m e n t ，v e r i f y i n gt h ea c c u r a c yo fo k u m u r a - h a t am o d e l s a p p l i c a t i o ni nw u h a n ， a n dd o i n gs o m em o d i f i c a t i o n s k e y w o r d ：a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n s y s t e m - ( a i s ) ；o k u m u r a - h a t am o d e l ； g b t 1 4 6 1 7 1 9 3m o d e l ；s i m u l a t i o n ；r e l i a b i l i t y i v 武汉理工大学硕七学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2a i s 系统概述2 1 2 1 a i s 系统的构成2 1 2 2a i s 系统的主要功能3 1 2 3a i s 系统通信协议4 1 2 4a i s 系统通信方式6 1 3a i s 的网络可靠性研究现状7 1 4 课题来源及本文的主要工作8 1 4 1 课题来源8 1 - 4 2 本文的主要工作及论文结构8 第2 章a is 基站的技术特性和可靠性评价指标10 2 1a i s 基站概述1 0 2 2 a i s 基站的工作原理1 0 2 2 1a i s 基站的广播式卫星定位转发器原理1 1 2 2 2a i s 基站的自组织通信原理1 1 2 3a i s 基站的消息1 3 2 4 可靠性评价指标j ：j + ：。：j ：1 4 2 4 1面向服务质量的评价指标1 4 2 4 2 面向网络效率的评价指标1 5 2 5 本章小结1 6 第3 章a ls 通信系统仿真模型17 3 1 无线电传播模型概述1 7 3 2 o k u m u r a h a t a 模型1 8 3 3g b t 1 4 6 1 7 卜9 3 模型1 9 3 3 1 准光滑地形上的基本传输损耗2 0 3 3 2 丘陵、山地路径基本传输损耗2 1 3 4 本章小结2 3 第4 章无线传播模型仿真系统2 4 4 1 无线信道仿真软件设计2 4 v 4 1 2 界面设计2 6 4 1 3 程序设计2 7 4 2 仿真分析3 0 4 2 1o k u m u r a - h a t a 模型仿真3 0 4 2 2 g b t 1 4 6 1 7 1 - 9 3 模型仿真3 3 4 2 3 对比仿真3 3 4 3 监测半径3 4 4 4 到包率3 7 4 5 评价指标关系分析3 9 4 6 本章小结3 9 第5 章实验与分析4 0 5 1a i s 报文概述4 0 5 1 1a i s 报文特点4 0 5 i 2a i s 报文信息4 1 5 2 a i s 报文解析4 2 5 2 1c r c 校验4 4 5 2 2 八比特a s c i i 码转换为六比特二进制码4 4 5 2 3 获取报文序号4 6 5 2 4a i s 报文解析4 7 “5 3 实验j “- “；“? 4 7 5 3 1 实验条件4 7 5 3 2 实验结果4 9 5 4 模型验证4 9 5 5 模型修正5 2 5 6 本章小结5 3 第6 章总结与展望5 4 6 1 研究内容总结5 4 6 2 研究展望5 5 致谢。5 6 参考文献5 7 攻读硕士期间发表的论文与参加的科研项目6 0 v l 武汉理下大学硕十学位论文 1 1引言 第1 章绪论 随着世界经济的发展，航运事业迈向了一个新的台阶，船舶的数量也日益 增多，而且船舶逐渐朝着大型化和高速化方向发展，水域交通变得同益繁忙， 内河水道变得异常拥挤，水上的交通事故发生率明显增加，给船舶航行安全和 生态环境造成了巨大威胁。据统计，近九成的水上交通事故是由于人为因素造 成的。航海雷达的出现，一度是航海技术发展史上的重大里程碑，但是由于自 身局限性的存在，在现代航运中它已很难适应人们的需要。比如，航海雷达不 能识别其他船舶标识，不能告知对方自己的操船意图，并且其工作受环境和天 气的影响较大。在船舶密度大的水域，比如狭长的水道和弯曲的水道，航海雷 达在使用过程当中出现了较大的局限性。后来的自动雷达标绘仪( a r p a ) ，与 普通雷达相比能够自动、连续地提供必要的航行及避碰信息数据，并能连续、 准确、迅速地对航行态势进行评估。驾驶员利用a r p a 进行避碰，可以进行早 期的了望与判断，还可以采取可靠的避让措施。避免了盲目采取避让措施，大 大减少了船舶碰撞事故的发生。尤其是在能见度不是很高的情况下，a r p a 可以 充当驾驶员的眼睛。但是由于a r p a 功能繁多，人工操作起来比较复杂，因此 常常出现人员操作上的失误而导致船舶发生碰撞的事件。另外，利用v h f 进行 通信，不能识别船舶标识，彼此问可能存在语言障碍而难以沟通等，制约了它 的发展。在这种情况下，船舶自动识别系统( a i s ) 作为一种由国际海事组织 ( i m o ) 、国际航标协会( 认l a ) 、国际电信联盟( i t u ) 共同研究出来的，以 信息技术为主导、以多门类高科技为支柱的新型航海电子系统应运而生了。a i s 的诞生，弥补了以往助航仪器存在的不足，开启了个新的纪元【i 2 】。 目前，交通部已经分别在渤海湾、长江口、珠江口、琼州海峡和三峡坝区 等地建立了a i s 基站，随着a i s 在长江上的逐步使用，a i s 在内河水域中的应 用将进一步推广，将逐步实现长江全段水域的覆盖，为内河船舶航行打下坚实 的基础。因此，a i s 作为一门航行新技术，其发展之迅速既反映了时代的需要， 同时也对在应用a i s 系统过程中不断完善其理论基础提出了更高的要求。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2a i s 系统概述 船舶自动识别系统( a i s ) 由基站设施和船载设备共同组成，是一种新型的 集网络技术、现代通信技术、计算机技术、电子信息显示技术为一体的数字助 航系统和设备。它是由舰船飞机之敌我识别器发展而成，通过g p s 将船位、船 速、航向等船舶动态信息结合船名、呼号、m m s i 等船舶静态信息由甚高频向周 围的船舶及岸台广播，使周围的船舶及岸台能够即时掌握周围船舶的动静态信 息，从而能够相互知道对方意图，采取必要的避让措施，对船舶的航行安全有 很大的帮助。 a i s 系统的基本原理为：装有a i s 的船舶能够自动播报本船的信息给周围的 船舶和岸台，也可以接收来自其它船舶的消息和岸台的消息，使信息得以交换， 避免船舶间碰撞。它的核心思想是将船舶的全球定位系统( g p s ) 信息用甚高频 ( v h f ) 数字通信广播给周围的其他船舶，使船舶间能够共享信息，以实现船 舶间的相互识别和监控【3 】。a i s 系统使用的核心技术是自组织时分多址 ( s o t d m a ) 技术，使用2 2 种报文进行通信，信息的内容包含有九位识别码 ( m m s i ) 、船舶运动参数( 主要由g p s 提供) 、船舶的静态信息及与航行相关 的信息、与安全相关的信息，采用短消息进行通信。船舶间通过互相发送消息 了解对方的情况，船舶与岸台间通过交换信息提高了v t s 中心管理水平，船舶 问或船舶与岸台问通过交换与安全相关的信息提高了航行的安全性。 1 2 1a i s 系统的构成 a i s 系统主要由船载设备和岸台设备两部分组成。在岸台v t s 覆盖的范围 内，a i s 基站可以和装有a i s 设备的船舶进行指定模式的通信。a i s 系统主要由： 数据采集部分、信号处理器、a i s 显示终端、v h f 收发机四部分组成。 ( 1 ) 数据采集部分：主要是用来接收来自g p s d g p s 接收机的本船经纬度 信息、对地的航速、同步u t c 时间、来自电罗经的本船对地航向等信号，转换 成数字信号并输入信息处理器，还有包括从输入装置中输入的信息。 ( 2 ) 信息处理器：是a i s 的核心部分，用来存储本船的识别码、船名、呼 号、船长、船宽等静态信息和船舶吃水、危险货物类型、航线等与航行相关的 信息；处理存储本船的动态信息；将存储的本船最新航行数据及必要的静态信 息与航行相关的其它信息进行编码并存储解码后的数据；将本船和其它船舶的 航行数据等信息送往信息显示器显示。信息处理器主要由船舶静、动态数据库 2 武汉理工人学硕十学位论文 及对信息的处理、管理控制、显示等相应的软件集成。 ( 3 ) a i s 显示终端：与雷达、a p r a 、电子海图显示器一体化，用来显示 各种数据和状态信息、监视系统的运行状况等。 ( 4 ) v h f 收发机：由系统信息处理器控制，用v h f8 7 b ( 1 6 1 9 7 5 ) 和8 8 b ( 1 6 2 0 2 5 ) 两个国际专用频道自动发射和接收通信协议方案规定的高斯滤波最 小频移键控( g m s k ) 信号，已调信号中含有本船和它船航行信息，a i s 同时在 这两个频率上接收信息，而发射信息是在两个频率上交替进行的。 a i s 系统的组成框图如图1 1 所示。 图1 1a i s 系统的组成 从图1 1 可以看出，除了四个组成部分，a i s 系统的外部设备还包括获取船 位信息的g p s 、计程仪( 提供船舶的速度) 、罗经( 航向) 以及外部输入设备等。 1 2 2a i s 系统的主要功能 a i s 可以用于水上交通联络和指挥，是用于岸一船、船一岸、船一船之间的 通信导航系统。它运用s o t d m a 方式发射船舶数据，将本船的信息：九位识别 码、船名、静态信息、动态信息等，经过接口电路转换后送往信息处理器处理， 在计算机内实现信息的融合、编程，然后再由接口电路经信道的选择和编码， 由甚高频发信机发送到甚高频信道，在此信道守听的目标船就可以收到信息； 同时，本船也可以接收和显示目标船的信息，并将目标船的信息和本船的信息 3 武汉理工大学硕士学位论文 一起存储到本船的存储器中，以便向其它的船舶发送信剧4 1 。 a i s 应用的最终目的是实现船舶之间的互相识别，避免发生碰撞事件，而且 还可以在无人参与的情况下自动收发信息。它的主要功能可以从以下几个方面 来阐述。 ( 1 ) a i s 用于船对船模式避碰，满足船舶避碰通信过程中对船舶识别的需 要。目前船舶避碰过程中使用的无线电通信设备主要是v h f 电台，由于信息存 在延时性和人工操作失误，难以及时采取避碰措施，给安全航行带来了隐患； ( 2 ) 它作为一种v t s 工具，能够较好地解决船舶交管系统中存在的船舶自 动识别难题。目前，v t s 主要的观测手段是雷达和v h f d f 设备，需要耗费大 量的人工操作，费时费力，而且还不准确，容易出错。而a i s 能自动与目标船 舶、岸台建立通信联系，互相发送消息，知道对方的操作意图，并能够保证通 信的可靠性，帮助船舶安全导航，改善航行的安全，增加对覆盖区域船舶的识 别和监控l 孓6 1 ； ( 3 ) 为船舶航行提供新的观测手段。雷达是目前船舶使用的主要的无线电 观测系统，但是它容易受到恶劣天气、海况、地形的影响。a i s 利用无线电波可 以绕过障碍物，克服了上述不利因素，提供目标船的静态和动态信息给本船， 将水上通信带入计算机数字通信的网络时代。 1 2 3a i s 系统通信协议 。 a i s 通信采用的协议主要是自组织时分多址协议，即s o t d m a 通信协议： s o t d m a 是指每一个用户可以自主地选择时隙，没有主次之分。在a i s 通信系 统中，a i s 用户可以自主地收发消息，在发送的消息里面它为自己申请了下一次 发射的时隙，从而能够自主地解决时隙冲突问题，当然时隙的选择是随机的， 每个用户可以选择一个时隙发送消息。在自组织时分多址中，信道被分为固定 的间隔时间，每个间隔叫做一帧，通常一帧为一分钟，一帧包含2 2 5 0 个时隙， 这些时隙在时域范围内是不重叠的【卜们。自组织是指所有移动用户自动地在每一 帧中选择时隙来发送，而不是依靠某个基台给每个移动用户分配。在自组织时 分多址中，某个移动用户选择时隙发射子帧时，其它移动用户在对应时隙应该 处在接收状态【l m l 2 】。 除了自组织时分多址通信协议外，a i s 系统还有增量时分多址、随机接入时 分多址、固定接入时分多址协议。在通信过程中，要根据不同的情况选择不同 4 武汉理工人学硕士学位论文 的通信协议。 a i s 主要有自主和连续、轮询、指定三种工作方式，具体如下。 ( 1 ) 自主模式：自主模式是指用户自主地选择时隙进行消息的发射，并且 在和其它用户发生时隙冲突的时候，能够自主地解决问题，不需要人为地干预。 ( 2 ) 分配模式：分配模式是指用户使用已经制定好的时隙表，按照上面指 定的时隙发送消息。 ( 3 ) 轮询模式：轮询模式是指当其它船舶或管理部门有询问请求时，用户 才会响应，然后发射响应信息。轮询模式在运行过程中不会影响到自主模式和 分配模式的运行，它们之间不会产生冲突。 一般而言，a i s 采用自主和连续工作方式，除非在有特殊的情况下会例外。 a i s 采用四种协议进行通信，分别为增量时分多址( i t d m a ) 、自组织时分 多址( s o t d m a ) 、随机存取时分多址( r a t d m a ) 和固定存取时分多址 ( 汀d m a ) 。下面具体介绍一下每一种通信协议。 ( 1 ) i t d m a 协议 i t d m a 接入协议允许台站预先声明具有不重复性质的传输时隙。但是在一 种情况下例外，即在数据链路网络登录时，应对i t d m a 时隙加以标记，以便将 其保留于下一帧。这使得台站为自主和连续运行模式预先声明分配的时隙。 i t d m a 协议主要用于以下三种情况： 1 ) 数据链路网络登录； 2 ) 周期报告率的临时更改及转换； -一- 3 ) 有关安全信息的预先声明。 i t d m a 传输有2 种开始的方法，一种是通过取代s o t d m a 分配时隙，另 一种是通过采用r a t d m a 分配另一个新的、未声明过的时隙。无论采用哪一种 方法，都将成为第一个i t d m a 时隙。 ( 2 ) s o t d m a 协议 s o t d m a 接入方式应用于以自主、连续模式运行的移动台。该接入方式的 目的在于提供一个无需控制台介入便可以迅速解决冲突的接入算法。采用 s o t d m a 接入方式的消息应具有可重复的性质。使用这类消息是为了向数据链 路的其它用户提供连续更新的监视画面。 ( 3 ) r a t d m a 协议 当个台站需要分配一个事先未预先声明的时隙时，应采用r a t d m a 。通 常，这应该用于数据链路网络登录的第一个传输时隙，或用于非周期性的消息。 f a t d m a 应当只被用于基地台，f a t d m a 分配的时隙应用于重复性的消息。 数据链路接入应以帧开始作为参考，每一个分配都由主管机关预先设定好，在 整个运行期间应该保持不变，直到重新设定为止。除非超时时另作定义， 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 时隙什么时候成 为自由时隙，在每次接收完信息后，3 分钟的超时应重新设置。 f a t d m a 协议、r a t d m a 协议、i t d m a 协议是对s o t d m a 协议很好的 补充，是为s o t d m a 协议服务的。这四种协议是平等的，何时使用根据具体的 场合决定，但是其实质都是t d m a 1 3 】。 1 2 4a i s 系统通信方式 在a i s 发展的过程中，它主要有两种通信方式：甚高频( v h f ) 数字选择 呼叫( d s c ) 方式、基于自组织时分多址协议的广播方式。下面具体介绍一下这 两种通信方式。 ( 1 ) 甚高频( v h f ) 数字选择呼叫( d s c ) 方式 数字选择呼叫( d s c ) 是一种自动呼叫系统，它可以与指定的船舶进行通信， 通信时指定的船舶电台知道有另外一个电台在呼叫它，准备与其通信。甚高频 ( v h f ) 数字选择呼叫( d s c ) 又称为d s c 无线应答器方式，它是一种利用检 错编码技术，由工作在甚高频( v h f ) 海上通信频带的船舶电台进行数字选择呼叫 的系统。 。 + 一 选择甚高频( v h f ) 数字选择呼叫( d s c ) 方式的a i s ，其工作频率为甚 高频7 0 频道( 1 5 6 5 2 5 m h z ) 。其基本原理是：在地面控制站进行询问的情况下， 报告如下信息给岸上的接收站和其它的船只： 静态信息：九位识别码、船名、呼号、船舶类型； 动态信息：船位信息、船舶对地航向、航速； 与航行有关的信息：船舶吃水、有无危险货物等。 ( 2 ) 基于s o t d m a 通信协议的广播方式 v h f d s c 方式的a i s 通信方式虽然简单但是存在诸多缺陷，不适合现代通 信发展的要求，因此，目前使用较多的是另一种一一广播方式的a i s 。 利用目前已经在使用的g p s ( 全球定位系统) 和g l o n a s s ( 全球卫星导航 系统) ，结合系统接收机、甚高频收发机和通信处理装置等，可以自动发送本船 6 卜 武汉理丁大学硕士学位论文 的船舶信息，而且还可以利用从导航卫星获得的u t c 时间同步发送不同船舶的 航行信息，即把时间分成一个个小的时隙，每个时隙用来发送一条a i s 报文信 息。这样，就可以充分地利用无线电频道，使每一条船的a i s 设备在各自对应 的时隙内发送本船航行信息，而在其它时隙内处于接收状态，接收来自其他船 舶的航行信息。根据这样的背景和新技术开发的船舶自动识别系统，称为广播 式的识别系统。 1 3a i s 的网络可靠性研究现状 a i s 的运用为船舶航行提供了可靠的保证，也为管理部门带来了很多方便， 具有广泛的应用前景。a i s 快速发展的同时，也吸引了更多的人来研究它。相对 而言，对a i s 网络通信的可靠性方面的研究比较匮乏。曾经有一些国家和地区 对a i s 进行了相应的仿真活动。在这些仿真中大多数采用的是分析的方法。鉴 于分析方法自身存在很多局限性，又有一些国家和地区采用模拟的方法来研究 a i s 系统的通信可靠性。 德国国家航行管理局设计了名为d r l 的a i s 仿真器，通过对a i s 物理层的 仿真来研究不同的调制方案对a i s 可靠性的影响；西班牙马德里大学通过建立 a i s 链路层模型来研究a i s 链路层性能；美国的l m e i 公司也对s t d m a 协议建 立了相关的仿真模型；瑞典的c a a 公司采用m a t l a b 仿真开发平台设计了s p s ( s t d m ap e r f o r m a n c es t i m u l a t o r ) 性能仿真器来研究网络吞吐性能和信道负载 之间的关系。这些仿真活动都相应地得出一些结论，对a i s 的发展和理论研究 有着积极地推动作用d 4 - 1 5 】。 我国对于a i s 网络性能的研究主要还是采用理论分析的方法。2 0 0 4 年大连 理工大学的吴华锋对a i s 的网络性能进行了研究，针对a i s 的网络吞吐性能、 监测容量及网络半径等问题，开展了广泛而深入的研究，并取得了一些成果； 2 0 0 5 年大连理工大学的郑鹭峰利用网络仿真方法模拟a i s 自组织接入协议的运 行过程来研究a i s 网络性能，利用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 软件开发平台，设计 并编程实现a i s 网络性能仿真器，对改善a i s 网络性能提出了合理化建谢1 6 1 。 7 判断，主观因素比较强烈，虽然比较简单但是不够准确，常常需要在安装或者 使用过程中动态地加以调整，以满足用户的需要。定量分析是指运用数学工具 或者测量方法分析反映网络可靠性的定量指标间的数值关系和某个或某些指标 变化时会对网络可靠性产生怎样的影响。这两种方法相比较，定量分析显然更 准确，更能反映网络可靠性的实际情况，从而为设计、规划和评价a i s 网络提 供更准确的依据，也能使用户对a i s 有更清晰的认识。定量分析法又可分为三 类：数学解析法、模拟仿真法、测试监控法。 数学解析法是一种利用公式进行研究通信系统性能评价技术方法。主要是 运用数理论、概率论、排队论等数学工具来研究网络的可靠性，并把各种可靠 性指标归纳为公式，通过这些公式来研究网络的各项可靠性指标。比如，通常 用资源的平均占用时间和用户使用的频率来计算网络的负载，由网络负载和模 型迅速地计算预期性能的度量标准。解析模型的最大好处是速度比较快，可以 得到可靠性参数的公式解，它可在可靠性参数和系统输入参数之间建立明确的 数据关系，从而可以更深入地了解该系统的特点。还有很多数学工具可以辅助 建立模型进行必要的研究分析，比如说排队论、p e t r i 网的运用等。 模拟仿真法就是编写一个应用程序对所要研究的网络的全部或部分行为进 行仿真，然后运行该程序，在程序的运行过程中收集相应的数据，最后对该程 序的运行结果进行统计分析。对于网络仿真，如果对所研究的网络有一个比较 详细的仿真，那将会得到一个比用分析法研究更为精确的数据，而且网络仿真 可以检测到对可靠性的影响的因素。当然，和现实相比模拟仿真法仍然会有一 定的差距，更何况网络仿真是通过模拟网络系统的行为来评价可靠性的，因此， 可以评价网络系统的瞬间行为。但仿真方法的计算量太大，没有解析法简单明 8 武汉理工大学硕士学位论文 了，如果仿真模型选择的不正确，那么得出的结果和现实将有很大差别。在分 析研究网络系统可靠性上使用模拟仿真法，首先必须对仿真模型进行仔细地推 理和验证，确定完全正确后才能继续进行分析。本文主要是采用该方法进行研 究。 测试监控法就是直接对实际运行中的网络系统的各种可靠性指标或与之相 关的量进行直接的测试，从而对网络系统的可靠性进行评价的方法。为了使测 试数据具有代表性，可以选择网络系统在比较接近正常运行条件下进行测试。 本文将结合这三种方法对a i s 网络可靠性进行研究。 本文结构如下： 第1 章：绪论。主要介绍a i s 网络可靠性研究现状，确定本文的研究内容。 第2 章：a i s 基站的技术特性和可靠性评价指标。由于论文研究的对象是 a i s 基站和a i s 船台之间的通信，所以本章探讨了a i s 基站的一些技术特性， 包括a i s 基站的组成，a i s 基站的工作原理( 这个和a i s 的工作原理大同小异) ， 还有a i s 基站收发的消息类型。结合当前的环境，建立了评价可靠性的指标。 第3 章：a i s 通信系统的仿真模型。无线通信传播损耗预测模型很多，本文 在充分考虑地形、适用条件等方面的因素之后，选择了奥村模型和国家标准模 型进行研究。对这两种模型分别进行了详细介绍，包括适用条件，公式等。 第4 章