VDES系統基于TDMA方案的通信協議應用

安然 李俊成 陳東黎 谷曉鷹 杜璞玉

摘要：VDES系統是第二代海上窄帶通信系統，旨在實現全球范圍內水上VHF頻段提供更多、更快的數據交換能力。通過介紹通信協議構架和VDE-SAT半雙工TDMA設計方案，給出了VDE通信的鏈路層設計。

關鍵詞：VDES系統;通信協議構架;時分多址;時隙映射

中圖分類號：U675.7 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）02-0018-02

0 引言

隨著傳統的AIS（船舶自動識別系統：Automatic Identification System）在全球船舶行業的廣泛應用，AIS的信道日益擁擠。在此基礎上，國際海航標準協會IALA提出了VDES（VHF Data Exchange System）。VDES全稱是VHF波段數據交換系統，集成了傳統的AIS、ASM（專用電文：Amplification Specified Message）、LAIS（長量程AIS：Long Range AIS）和VDE（VHF波段數據交換：VHF Data Exchange）功能，是具有天地一體特色的海上窄帶通信系統，旨在實現全球范圍內水上VHF頻段提供更多、更快的數據交換能力[1]。岸基作為VDES的地面基站，承擔大部分的近岸港口船只的窄帶數據無線通信服務;衛星作為VDES系統的天基，通過衛星組網，實現深海海域船只的窄帶數據無線通信服務和對全球態勢航運的管理。

當前VDES國際標準還在制定中，各國都在積極研究VDES技術，致力于向國際電信聯盟提出自己的提案，參與國際標準的制定。2019年10月，國際電信聯盟召開WRC-19（世界無線電通信大會：World Radio Conference），明確了VDES系統的各通信業務工作頻段劃分方案，并為水上頻段引入衛星系統等相關規定進行了修訂。目前，有關VDES的技術進展，2017年7月，挪威發射NORSAT-2衛星，用于驗證VDES系統的物理層通信鏈路，并提供AIS船舶跟蹤與數據交換服務[2]。

1 通信協議構架

傳統的網絡通信協議采用OSI七層通信模型。目前，VDES通信機制在國際上仍處于討論階段，協議層標準尚未達成一致。根據IALA發布的G1139建議書[3]，VDES系統通信協議架構采用OSI七層模型的第一到四層，如圖1所示。

（1）物理層：該層提供物理介質上比特流信息的傳輸和發送，包括：發送端的信號調制、編碼、濾波等處理，及接收端的信號解調、解碼及頻率同步、時間同步方案。

（2）鏈路層：該層保證可靠的數據傳輸，提供MAC幀消息的傳輸和發送，包括：約定時隙分配機制、TDMA同步方案和鏈路層幀格式。

（3）網絡層：傳輸協議暫定采用現有的IP通信協議。

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

根據G1139建議書，VDE通信分為VDE-TER（VHF波段數據交換-岸基通信業務：VHF Data Exchange-Terrestrial）和VDE-SAT（VHF波段數據交換-衛星通信業務：VHF Data Exchange-Satellite）兩種業務，這兩種業務遵循統一的VDES通信協議架構，但是在鏈路層的實現上是兩套不同的通信方案。

鏈路層的作用是在船臺與岸基之間、船臺與衛星之間保證可靠的數據傳輸。具體包含以下內容：（1）打包數據：把待發送的信息，包括信令和數據，根據時隙表，打包進物理層消息的負載部分，等待發送。（2）媒體接入：通過TDMA方案，按照分配的時隙號發送或接收指定的消息塊。（3）數據解包：把接收的信息，包括信令和數據，根據包格式解包、處理。

2 TDMA設計方案

根據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個時隙，每個時隙占22.67ms。一分鐘劃分為三個子幀，每個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據消息塊，如圖2所示。

3 通信流程

G1139給出了6種VDE-SAT通信流程。

（1）岸站發起的，通過SAT輪詢來自船的消息。

（2）船臺發起的，通過SAT詢問來自岸站的消息。

（3）船臺發起的，想要通過SAT，發送消息給岸站。

（4）衛星對船的下行組播多包數據傳輸。

（5）衛星對船的下行單播多包數據傳輸。

流程4和5可以統一，SAT發起的，下行多播/單播，多包數據傳輸。

（6）只有發送功能的設備的消息收集。該通信流程與AIS/ASM業務類似。

以流程1為例簡述具體的通信流程，見表1。

4 結語

VDES系統基于TDMA方案的通信協議設計，詳細介紹了當前G1139建議書約定的通信協議構架和VDE-SAT半雙工TDMA設計方案，通過時隙映射、鏈路層消息梳理和通信流程，給出 了VDE通信的鏈路層設計。

參考文獻

[1] 姚治萱.VDES通信技術應用及其發展趨勢[J].世界海運，2019，42（02）：34-38.

[2] 熊雅穎.海事通信技術新進展——VDES系統[J].衛星應用，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