星載AIS接收沖突分析及仿真

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

1 引 言

隨著世界經濟一體化進程的快速發展，國際間對全球海域各類船舶運輸情況的監視需求急劇增長，需要新的有效手段來監視和處理有害貨物的運輸、打擊走私的猖獗和遏制全球恐怖主義的泛濫，星載AIS接收設備的出現[1-3]，迎合與滿足了這類海域目標的探測、識別和跟蹤需求。

通常情況下，在AIS子網絡的通信范圍內，相關AIS設備通過TDMA協議有組織協同工作，避免發射和接收時隙沖突的發生。而另一方面，從圖1所示的衛星在太空運行的角度看，星載AIS將作用更多獨立的AIS子網絡，從而產生接收時隙沖突的可能性。因此，從衛星上接收AIS信息將面臨覆蓋范圍廣、接收AIS信息的時隙沖突增大等問題，相關文獻對此類問題進行了有益的研究、評估和仿真[4]。

圖1 衛星AIS接收示意圖Fig.1 Space-based concept for AIS reception

本文是在以前論證工作的基礎上[5]，對星載AIS接收設備所涉及到的接收時隙沖突問題及接收概率進行了分析和論證。在建立基于星載AIS系統的觀察、分析模型基礎上，理論分析了星載AIS接收時隙沖突概率并給出了接收時隙沖突概率公式，并對相關理論結果進行了Matlab仿真；同時，根據仿真結果給出了星載AIS接收設備的優化建議。

2 理論分析

AIS系統是基于SOTDMA鏈路接入協議和時隙劃分而有效工作的。SOTDM 信道接入協議的目的是在無基站控制的情況下通過一定的信道接入算法解決彼此的發射時隙沖突。

2.1 SOTDMA接入方式

利用圖2的時隙選擇圖來完成SOTDMA信道接入算法，并保障時隙的同步、確定初始時隙以及分配(預約)工作時隙。為了簡化討論，我們假設AIS船載設備只在一個信道間隔發射。有關AIS系統詳細的描述參見文獻[6-7]。

圖2 基于SOTDMA時隙接入Fig.2 Slot map accessed using SOTDMA

在圖2中涉及以下參數的定義：

(1)計劃開始時隙(Nominal Start Slot，NSS)：被AIS設備用來發射信息并宣布進入AIS子網絡的第一個時隙為計劃開始時隙，其它隨后的發射時隙選擇是以NSS為基準的。

(2)計劃時隙(Nominal Slot，NS)：為候選發射時隙區域的中心點，在一超幀的起始發射時隙上，NSS和NS是相等的。NS的計算公式如下：

NS=NSS+n×NI，0

(1)

式中，n是一個整數，Rr是設備在每一幀中的位置報告率，NI是計劃時隙增量。

位置報告率Rr與報告間隔ΔT的關系為

(2)

計劃時隙增量NI計算如下：

(3)

式中，2 250為每個信道劃分為1 min長的超幀時隙數。

(3)選擇范圍(Selection Interval，SI)：候選發射時隙的選擇范圍，其中心為計劃時隙，選擇范圍為

SI=NS-0.1×NI,NS+0.1×NI

(4)

(4)計劃發射時隙(Nominal Transmission Slot，NTS)：最終在選擇范圍內確定的發射時隙為計劃發射時隙。

SOTDMA算法簡單描述如下：

(1)根據當前信息報告率確定通常的計劃時隙增量NI；

(2)根據計劃時隙增量確定選擇范圍；

(3)根據時隙信息內容確定時隙的time-out值；time-out值確定了需要占用本時隙重復發射信息的次數，time-out值是在3～7之間選擇的；

(4)選擇下一個NS和NTS；

(5)等待NTS的到來；

(6)在NTS內發射信息；

(7)當信息報告率未改變時，返回到步驟5等待進行下一次發射；

(8)當改變信息報告率時，返回到步驟1開始新一輪的自主時隙選擇和發射過程。

2.2 船載設備的通信范圍

船載AIS設備由于受自身高度和發射功率的限制，作用距離一般為30～40 nmile。船載AIS設備間實際運行如圖3所示。

圖3 AIS實際運行示意圖Fig.3 The real situation of the AIS

船載AIS設備在開電源工作時，將用1 min時間監視VDL信道，以確定該信道的活動性、加入到AIS子網絡中的其它設備的ID、當前時隙的分配情況、其它設備所報告的位置以及存在的基站設備。在這段時間內，將建立一個工作在AIS子網中的所有成員的動態目錄，并構造一個反映該子網的TDMA信道活動情況時隙幀圖。在此基礎上，每個船載AIS設備根據自身的發射時隙安排，有規律地進入AIS子網絡信道中發射。

在圖3中，船載A設備不與其它船載設備通信；船載B設備與船載C、D、F設備相互通信，因此，它們之間按照一定的規則(SOTDMA)協同工作；船載D、E設備還與岸基站S設備保持通信。可以想象，如果更多的船載設備參與通信，實際的運行圖將更加復雜；然而，SOTDMA信道進入協議可處理大規模船舶間的協同通信。

在AIS數據鏈負載飽和情況下，船載AIS設備具有降低它們之間通信范圍的能力，以便保留有限的時隙資源，給相互較近的船載設備通信，避免船舶間的碰撞。

2.3 觀察模型

為了有效進行星載AIS接收沖突分析，首先必須對衛星對地觀測區域進行合理簡化，簡化模型如圖4所示。

圖4 AIS網絡簡化模式示意圖Fig.4 Organized areas simplification

在某個AIS子網，船載AIS設備間通信由于統一采用了SOTDMA接入協議，有效避免了相互間的發射沖突。但對星載AIS傳感器的覆蓋范圍來說，可以作用多個AIS子網。為了便于分析，我們這里定義規則區域，每個規則區域的作用范圍是40 nmile；在一個規則區域內，所有船載AIS設備是有組織和有規則地參與發射，避免發射時隙的沖突；而不同規則區域內船載AIS設備是相互獨立發射的，其發射時隙是有可能重疊或沖突的。

從圖4中可以看出，衛星AIS的的觀察區域包括M(m)個各自獨立的規則區域,每一個規則區域包含N(n)個船舶,m指示為規則區域的第m個子區域，n指示為在m規則區域內的第n個船舶，該n個船舶的位置發射時間間隔定義為ΔT。這樣，在整個衛星觀察區域內的總船舶Ntot為

(5)

在一個規則區域內最大可能擁有的船舶數由下式決定：

(6)

式中，nch是獨立用于系統發射的頻道，針對AIS系統，nch為2；2250是1 min的時隙劃分數；Rr是位置報告率，假設在一個規則區域內的所有船舶具有一樣的位置報告率；針對不同的位置發射時間間隔ΔT，可以計算出一個AIS規則子網絡所擁有的船舶數量。

2.4 接收沖突機制分析

每一個SOTDMA設備產生的時隙選擇圖都嚴格限制在以自己為中心的最大作用范圍內，這個范圍是由射頻相關參數決定的。每個AIS設備的傳輸時隙是在這個范圍內考慮了其它AIS設備的傳輸時隙而智能選取的。通常，每個AIS設備都有反映信道實際工作情況的時隙選擇圖，這意味著在同一規則區域內兩個不在同一位置的AIS設備，它們擁有的時隙選擇圖是不同的；在不同的規則區域內的AIS設備，它們擁有的時隙選擇圖是有可能相同的。

針對星載AIS接收傳感器，通過邏輯分析可以得出，發生接收時隙沖突的機制有以下兩種：

(1)從不同的AIS規則子網在相同的時隙內發送AIS信息，在星載AIS接收端同時接到；

(2)從不同的AIS規則子網在不同的時隙發送AIS信息，但由于發送信號所走路徑的不同，導致在星載AIS接收端同時接到。

在AIS相關標準中[6-7]，信息格式規定了12 bit的距離延時緩存位，用于防止相鄰時隙發送的AIS信息的相互重疊，確保在同一AIS規則子網中信息接收的完整性，該系統延遲保護距離為202 nmile。圖5顯示了星載AIS的運行高度為600 km時的幾何覆蓋范圍。

圖5 星載AIS在600km高度的幾何示意圖Fig.5 Geometry showing the relation for an AIS sensor at 600 km altitude

通過余弦定理可以計算出衛星與地球垂直點到延遲保護距離增大為202 nmile后點的覆蓋距離NM約為400 nmile(394 nmile)，這意味著衛星的掃描寬度在800 nmile范圍內時，在分析接收時隙沖突時，只考慮第一種接收時隙沖突機制發生作用。

當衛星的掃描寬度在800 nmile范圍外時，在分析接收時隙沖突時，還需考慮第二種接收時隙沖突機制發生作用。

圖6顯示了星載AIS的觀察幾何模型，圖中各參數的意義如下：Hsat是星載AIS的運行高度，Rs是星載AIS與某觀察AIS子網內目標的直線距離，Rshorizon是星載AIS與地球切線的直線距離，Rsmax是星載AIS掃描寬度邊緣點與衛星的直線距離(Rsmax≤Rshorizon)，ΔR=202 nmile是延遲保護距離。

圖6 星載AIS的觀察幾何模型圖Fig.6 The observation geometry for the system

從圖6中可以看出：在區域Ⅰ(陰影部分)中，有關AIS規則子網到星載AIS傳感器的傳輸距離都遵守延遲保護距離，只考慮第一種接收時隙沖突機制發生作用。

在區域Ⅱa中，AIS規則子網到星載AIS傳感器的傳輸距離將超出AIS系統延遲保護距離，有些AIS信息可能提前到達星載AIS傳感器，產生接收時隙沖突；在區域Ⅱb中，AIS規則子網到星載AIS傳感器的距離也將超出AIS系統延遲保護距離，有些AIS信息可能遲后到達星載AIS傳感器，產生接收時隙沖突；第二種接收時隙沖突機制將發生作用。

在進行理論分析時，我們假設星載AIS到達同一AIS規則子網各邊是相同距離；圖7是圖6簡化后的星載AIS幾何掃描圖，每個小的柵格表示40 nmile×40 nmile的小型正方形。從圖7中也可以看出：星載AIS運行在600 km高度時抵達地球切線的可視范圍；為了計算的方便和簡化，這里假設可視范圍是正方形，每一個AIS規則子網簡化為40 nmile×40 nmile的小型正方形，這樣，總的可視范圍包含5 184個小型正方形(72×72)，組成2 880 nmile的掃描寬度。

圖7 星載AIS的觀察簡化模型圖Fig.7 The quadratic observation area for an AIS sensor at 600 km altitude with FOV to the horizon

當星載AIS傳感器采用傳統天線時，其覆蓋的區域大于800 nmile時，需要同時考慮兩種接收時隙沖突機制的作用，因此，在實際設計星載AIS傳感器設備時，需要慎重考慮接收天線的型式。

2.5 相關推導

當星載AIS傳感器的掃描寬度限制在800 nmile以內，只需要考慮第一種接收時隙沖突機制的影響。在本文中將擴展星載AIS的掃描寬度在800 nmile以外，因此，需要同時考慮兩種接收時隙沖突機制的影響。

針對任意AIS規則子網，在其觀測時間和間隔報告時間相等(Tobs=ΔT)條件下，任一AIS規則子網內指定的船載AIS設備的發射時隙與該衛星覆蓋區域內其它AIS規則子網內的任一船載AIS設備的發射時隙無碰撞的概率PΔT為：

(1)若指定的AIS規則子網在衛星覆蓋區域I中，其船舶發射時隙無碰撞的概率為

(7)

(2)若指定的AIS規則子網在衛星覆蓋區域Ⅱa和Ⅱb中，其船舶發射時隙無碰撞的概率為

(8)

式中，N是每個AIS規則子網實際包含的船舶數量，Nmax是AIS規則子網最大可能包含的船舶數量，M是整個衛星觀測區域內包含的AIS規則子網數量，Ntot是整個衛星觀測區域內包含的船舶數量，nch=2是AIS系統擁有的獨立信道數。

插入因子k為

(9)

(10)

(11)

(12)

在引入平均概率、獨立概率等概念后，式(10)可以簡化為

(13)

式中，s是交聯因子，描述了在衛星覆蓋區域內的任意船舶與區域IIa和IIb中的船舶的關系，計算如下：

(14)

因此，s是星載AIS傳感接收器高度Hsat和掃描寬度ΔS的函數。

利用冪級數展開公式和近似公式對式(13)進行簡化，并考慮到如果只有第一種接收時隙沖突機制發生作用，s=0，可得：

(15)

從上述公式可以看出：簡化了的船舶發現概率形式上是不受星載AIS傳感接收器高度Hsat和掃描寬度ΔS影響的，因此，船舶發現概率主要受覆蓋區域內船舶數量Ntot和觀察時間Tobs的影響。

3 仿真實現及結果分析

利用本文前述的理論及公式，并結合MATLAB 7.5的仿真平臺，編寫了若干.m文件，對星載AIS接收沖突概率進行了模擬仿真。

3.1 仿真條件

在設計模擬仿真程序時，首先歸一化和假設如下：

(1)在AIS規則子網中船舶數量是一樣的，都為N；

(2)在觀察區域內有M個AIS規則子網，這樣總船舶數為Ntot=N×M；

(3)在觀察區域內船舶的位置報告間隔是一致的，都為ΔT；

(4)觀察區域是正方形。

下列算法將應用于仿真程序中：

(1)在每個AIS規則子網中，對所有船舶指派計劃開始時隙；

(2)在相應的候選發射時隙的選擇范圍(SI)中采用隨機法選擇每個發射時隙，避免發射時隙的沖突；

(3)在衛星觀察區域所包含的所有AIS規則子網都重復步驟1～2；

(4)在上述步驟基礎上，同時考慮兩種沖突機制發生的可能，對整個衛星觀察區域計算船舶的發現概率；

(5)多次重復步驟1～3，進行統計試驗；

(6)通過多次統計試驗，計算船舶的平均發現概率。

3.2 仿真及分析

星載AIS接收沖突概率模擬仿真程序主要由InterferenceAnalysis.m文件和下列函數組成，包括F-DetectionProbability.m 函數、F-InitorganizedAreas.m函數、F-reservedSlot.m函數等；同時，在上述.m文件中，對模擬仿真過程中涉及到的各類常數、全局變量進行了設置和定義，并通過主文件來調用函數文件。有關仿真結果如圖8所示。

圖8 船舶偵測概率與船舶數量的關系圖Fig.8 Ship detection probability vs. the number of ships for different swath widths

從仿真結果可以看出：

(1)在1 000艘左右船舶條件下，星載AIS的發現概率為99%左右；

(2)增加衛星掃描寬度，意味著增加了衛星觀測時間，因此，也就給定了船舶分布數量和覆蓋區域；

(3)衛星覆蓋區域直徑從80、200、400、 600、到800 nmile時，星載AIS的接收沖突概率是覆蓋區域內船舶數量的函數；

(4)增加衛星的掃描寬度也就是增加了覆蓋區域內的船舶數量，因此，要使星載AIS的接收沖突概率增大，優化衛星的掃描寬度將是關鍵因素。

另外，從圖9的仿真結果中也可以看出：采用對消技術與否對星載AIS的接收沖突概率也有較大的影響。

圖9 采用對消技術比較圖Fig.9 Comparison of the detection probability of a conventional AIS receiver with interference cancellation

4 結 論

本文對星載AIS所涉及到的接收沖突問題及概率進行了分析和論證，建立了基于星載AIS系統的觀察、分析模型，理論分析了星載AIS接收沖突概率并給出了接收沖突概率公式，對相關理論結果進行了Matlab仿真，并通過分析得出以下結論：星載AIS傳感器接收AIS信息是可行的，船舶發現概率主要受覆蓋區域內船舶數量Ntot和觀察時間Tobs的影響,這對更深入地論證、設計星載AIS傳感接收器設備、衛星的運行軌道等具有一定的指導和參考意義。

參考文獻：

[1] Eriksen T, Hye G, Narheim B, et al.Maritime Traffic Monitoring Using a Space-Based AIS Receiver[J]. Acta Astronautica,2005,58(10):537-549.

[2] ITU-RWP8B,Satellite Detection of AIS Messages[S].

[3] Miguel A Cervera, Alberto Ginesi. Satellite-based AIS System Study[C]//Proceedings of the 26th International Communications Satellite Systems Conference (ICSSC). San Diego, CA:IEEE, 2008:1-6.

[4] John Stolte, Anthony Robinson. Space based monitoring of global maritime shipping using Automatic Identification system:US，2008/0088485 A1 [P]. 2008.

[5] 何民, 許斌, 鐘杰. 基于衛星的AIS接收鏈路設計及仿真[J].電訊技術,2010,50(9):114-118.

HE Min, XU Bin, ZHONG Jie. Design and simulation about AIS receiver link in LEO satellite[J].Telecommunication Engineering，2010,50(9):114-118.(in Chinese)

[6] ITU 1998-2001,Recommendation ITU-R M.1371-1: Technical Characteristics for a Universal Shipborne Identification System using Time Division Multiple Access in the VHF Maritime Mobile Band[S].

[7] ITU-RM.1371-1,I ALA: Technical Clarifications on ITU Recommendation[S].