AIS系统中SOTDMA协议仿真与分析

刘 鹏,谢永锋

(1.中国西南电子设备研究所,成都 610036;2.中国西南电子技术研究所,成都 610036)

1 引 言

自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)是一种新型的助航系统及设备,是可以用于水上交通联络和指挥的岸-船、船-岸、船-船之间的通信、辅助导航系统。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,它基于无线电应答器的相关监测技术,可用于船舶等运载工具的精确跟踪,以弥补传统雷达监测在自动识别目标以及获取航行动向信息等方面的不足,对雷达监测起辅助或替代作用。由于AIS技术的先进性、使用的简易性和经济性,AIS技术被采纳为国际标准(ITU-R M.1371、IEC 61993-2)[1],国际海事组织(IMO)将AIS作为海上航行船舶(≥300 t)强制性要求安装的安全设备,所以该系统有很广泛的市场应用前景。

AIS系统是以自组织时分多址(SOTDMA)组网协议为核心技术,船舶间可以直接进行数据通信,无需类似管控中心等设备的支撑,这种组网通信方式不受不同海域的限制。但是,在交通比较繁忙的区域,由于各个船舶的超短波(VHF)信号覆盖范围相互重叠,这时往往可能会发生多个船舶同时预约同一个时隙的情况,这样就有可能发生时隙冲突,从而造成船舶之间互相看不见,进而使系统的识别率降低,给航行安全带来隐患[2]。针对这一情况,分析VHF区域内能够容纳的船载应答机数量和信道时隙冲突率之间的关系具有十分重要的理论意义和应用价值。

目前,国内除了文献[2]对AIS系统的SOTDMA协议的链路特性有一定的研究外,对AIS系统的SOTDMA协议的报告率与时隙冲突率及系统容量等方面没有一个完备的仿真,国外也只做了静态仿真,因此对SOTDMA协议进行较完备的性能仿真可提供充足的性能仿真数据资料,以便在AIS系统的建设中起到重要的设计参考作用。进行该协议仿真主要的目的是为了验证SOTDMA协议的系统性能指标,验证AIS系统的各船台的报告率的分配的合理性,并在仿真中根据实际工程要求对SOTDMA协议进行合理改进。本文在OPNET环境下,建立仿真模型,在仿真结果的基础上,对AIS系统的报告率和时隙冲突率及系统容量的关系进行了深入分析,这对AIS系统的工程化具有非常重要的参考意义。

2 SOTDMA协议

AIS系统是以自组织时分多址(SOTDMA)组网协议为核心技术,该技术将时间分成若干超帧,每个超帧又分成若干时隙供船舶用户使用,每个用户周期地广播其当前的位置信息及对未来时隙的预约信息,以构成系统的时隙状态表,这个时隙状态表反映了所有参与船舶通信的用户对时隙动态使用的情况,依据该时隙动态表,各用户可以实现对信道时隙的自发管理。由于这些时隙资源是由用户自行管理,不需要基站的参与,所以被称为自组织时分多址。若因船舶用户的增加或需发送信息增多,AIS系统超负荷时,SOTDMA能自动减少AIS用户的数量,保证最近的船舶能够接收,以牺牲覆盖范围的方式保证通信的可靠性。

AIS系统中定义1 min为一个超帧,每个超帧划分为2 250个时隙,每个时隙长26.67 ms,可以由任意用户使用,AIS通信应答机系统能提供在1 min之内发送至少2 000条船舶信息的报告。

3 AIS系统SOTDMA协议的建模

OPNET Modeler提供了三层建模机制[3],最低层为进程(Process)模型,以有限状态机(FSM)模型来描述协议;其次为节点(Node)模型,由相应的协议模型构成,反映设备特性;最上层为网络模型,反映网络拓扑结构。本文也按照相同的层次结构对SOTDMA协议的建模进行描述。

3.1 消息格式

消息是整个仿真系统信息传送的关键,仿真中用到的消息格式是将AIS中的消息格式做了一定的简化。系统中使用2种消息格式,一种用于船只之间发送和接收信息,帧长度为256比特/帧;一种用于各船只将每分钟使用的时隙状态表信息发送给统计器,帧长度为256比特/帧。消息格式如图1所示。

图1 消息格式Fig.1 Message structure

3.2 信道模型

在OPNET中,无线信道建模的内容包括无线信道的频率、功率、视距以及干扰等。本仿真中信道的模型将参考AIS实际系统中使用的信道参数进行建模。其中,选择无线信道的发射频率为 161.975 MHz/162.025MHz,接收机的频率是161.975 MHz/162.025 MHz,信道带宽选择25 kHz,码元速率为9.6 kbit/s,发射机功率为12.5 W,调制方式是GMSK调制,视距为25 nmile。

3.3 进程模型

进程模型主要由FSM构成,以FSM模型来描述协议,AIS船台和基站都使用该进程模型,下面详细说明一下SOTDMA协议的进程模型,如图2所示。

图2 进程FSM模型Fig.2 Process FSM model

SOTDMA协议进程响应的事件有:

(1)Init:空闲状态,状态属性为强迫式,由启动仿真时仿真平台产生的启动事件触发,初始化相关变量;

(2)idle:空闲状态,状态属性为非强迫式,在此状态下等候下一个中断的产生;

(3)msg-arrival:状态属性为强迫式,由接收到新消息的事件触发进入该状态,主要用来解析消息获取相关时隙信息等;

(4)send-pkt:状态属性为强迫式,由send-pkt函数触发进入该状态,产生发送消息的中断。

(5)timer:状态属性为强迫式,由系统规划的定时器触发进入该状态,主要是用来产生时隙及计算时隙号;

(6)send-ts-msg:状态属性为强迫式,该状态主要用于发送时隙统计信息到时隙统计器,由sendts-msg触发进入该状态。

3.4 节点模型

仿真系统中有船台、基站和统计器3种节点模型,其节点模型类似主要由天线、发射机、接收机及协议处理模块组成,图3为船台节点模型。

图3 船台节点模型Fig.3 Ship node model

其中,天线收到无线信号后,送到接收机,接收机由两路接收信道组成,分别代表161.975 MHz和162.025MHz两个频点,接收机接收到的消息送到协议处理模块,协议处理模块进行解析和分析。同时,协议处理模块根据状态机的变化和时隙算法的选择,将待发送的消息通过发射机再通过天线发射出去。发射机由三路信道组成,两路AIS发射信道和一路发送到统计器发射信道。

3.5 网络模型

网络域中有船台、基站和统计器3种节点类型,整个网络采用广播协议,其中统计器的作用是负责整个网络的时隙使用的动态统计,用来计算在整个网络中的时隙冲突率。仿真中建立了多个场景,在每个场景中,基站和统计器各有一个,而有不同数目的船台,模拟不同用户数量的网络。图4是船台数为100的网络拓扑图。

图4 AIS系统网络模型Fig.4 Network model of AIS

4 仿真结果分析

4.1 仿真统计指标

SOTDMA网络通信系统最主要的性能指标是系统时隙冲突率和系统容量,其中,系统容量是指一定区域内系统所能容纳的船只总数,系统时隙冲突率是指在整个仿真时间内对所有冲突时隙的统计平均,这里定义的时隙冲突率是指每一分钟(帧)上的冲突时隙数与这一帧的总的时隙数的比值,统计计算公式为系统时隙冲突率其中 N 为总的仿真时间,M(i)为每分钟的时隙冲突率。本仿真重点考察了系统容量与系统时隙冲突率的关系。

4.2 仿真参数设置

仿真参数设置如下:

帧大小:1 min;

每帧时隙数:2 250个;

报告率:5,6,10,15,20,30次/分钟;

船只数目:由20～200递增;

基站预留时隙数:35个时隙;

帧长度:256 bit;

基站数:1个;

仿真时间:180 min。

4.3 仿真方法

仿真按照SOTDMA协议,通过改变系统中的两个重要参数来进行仿真:

(1)保持系统的“船只数目”不变,改变报告率;

(2)保持系统的“报告率”不变,改变船只数目。

4.4 仿真结果分析

仿真结果如图5所示,曲线为报告率、系统的时隙冲突率和网络容量三者的关系。

图5 SOTDMA协议仿真结果Fig.5 SOTDMA protocol simulation result

由图5可以看出,在报告率一定的条件下,随着系统中网络容量的增加,系统的时隙冲突率随之不断增加,并且,在网络容量相同的条件下,网络中船只的报告率增大也导致系统的时隙冲突率增加。当网络容量为200、船只的报告率为30次/分钟时,系统的时隙冲突率达到40.2%左右,即有1 800个时隙发生冲突。同时从图中可以看出,当船只报告率小于等于10次/分钟、网络容量小于150时,系统的时隙冲突率很小,几乎为0,当网络容量大于150时,冲突率为5%左右,这是因为系统规定船只初次入网的时隙必须在150个时隙内选择,当网络中有船只同时启动时,必然出现船只重复选用时隙,所以导致系统的时隙冲突率明显增加。根据VTS(船舶交通管理系统)水域内船舶航行的实际情况,高速船只的数量不会很多,大多数应该为锚泊船和低速船,其报告率都小于等于每分钟10次。所以,当网络中主要是低速船只时,系统能达到高质量的通信性能。

因此,在交通繁忙的区域,网络容量大的时候,AIS系统中各船台应自动将报告率降低,这样整个系统的时隙冲突率不会很高;当网络容量小的时候,可以将报告率增加,也不会产生大的时隙冲突率,这样不会影响整个AIS系统的性能。

5 结 论

AIS系统的市场应用前景非常广阔,SOTDMA协议是AIS系统的核心协议,是实现AIS系统的关键,本文重点对SOTDMA网络通信系统的系统容量和时隙冲突率及报告率进行仿真研究,其结论对AIS系统的工程应用具有重要的参考价值。

[1] Recommendation ITU-R M.1371-1,Technical characteristics for a universal shipborne automatic identification system using time division multiple access in the VHF maritime mobile band[S].

[2] 叶刚,刘振安,田钢.STDMA系统数据链自组织特性的仿真研究[J].计算机仿真,2004,21(2):60-62.YE Gang,LIU Zhen-an,TIAN Gang.Simulation of the Self-Organized Characteristics of the Data Link for STDMA[J].Computer Simulation,2004,21(2):60-62.(in Chinese)

[3] OPNET modeler online document[Z].3rd ed.[S.l.]:OPNET Technologies Inc.,2000.

[4] ITU Recommendation ITU-R M.1371-1,IALA Technical clarification(Edition 1.4)[S].

[5] 董泽刚,钟杰,等.SOTDMA研究及仿真实现[J].电讯技术,2005,45(z1):30-33 DONG Ze-gang,ZHONG Jie,et al.the Study and Simulation of SOTDMA Protocol[J].Telecommunication Engineering,2005,45(z1):30-33.(in Chinese)

[6] 刘人杰,刘畅,等.AIS通信协议-SOTDMA性能分析及仿真[J].电讯技术,2005,45(z1):50-54.LIU Ren-jie,LIU Chuang,et al.AIS Communication Protocol-SOTDMA Performance Analysis and Simulication[J].Telecommunication Engineering,.2005,45(z1):50-54.(in Chinese)