VDES系统基于TDMA方案的通信协议应用

安然 李俊成 陈东黎 谷晓鹰 杜璞玉

摘要：VDES系統是第二代海上窄带通信系统，旨在实现全球范围内水上VHF频段提供更多、更快的数据交换能力。通过介绍通信协议构架和VDE-SAT半双工TDMA设计方案，给出了VDE通信的链路层设计。

关键词：VDES系统;通信协议构架;时分多址;时隙映射

中图分类号：U675.7 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）02-0018-02

0 引言

随着传统的AIS（船舶自动识别系统：Automatic Identification System）在全球船舶行业的广泛应用，AIS的信道日益拥挤。在此基础上，国际海航标准协会IALA提出了VDES（VHF Data Exchange System）。VDES全称是VHF波段数据交换系统，集成了传统的AIS、ASM（专用电文：Amplification Specified Message）、LAIS（长量程AIS：Long Range AIS）和VDE（VHF波段数据交换：VHF Data Exchange）功能，是具有天地一体特色的海上窄带通信系统，旨在实现全球范围内水上VHF频段提供更多、更快的数据交换能力[1]。岸基作为VDES的地面基站，承担大部分的近岸港口船只的窄带数据无线通信服务;卫星作为VDES系统的天基，通过卫星组网，实现深海海域船只的窄带数据无线通信服务和对全球态势航运的管理。

当前VDES国际标准还在制定中，各国都在积极研究VDES技术，致力于向国际电信联盟提出自己的提案，参与国际标准的制定。2019年10月，国际电信联盟召开WRC-19（世界无线电通信大会：World Radio Conference），明确了VDES系统的各通信业务工作频段划分方案，并为水上频段引入卫星系统等相关规定进行了修订。目前，有关VDES的技术进展，2017年7月，挪威发射NORSAT-2卫星，用于验证VDES系统的物理层通信链路，并提供AIS船舶跟踪与数据交换服务[2]。

1 通信协议构架

传统的网络通信协议采用OSI七层通信模型。目前，VDES通信机制在国际上仍处于讨论阶段，协议层标准尚未达成一致。根据IALA发布的G1139建议书[3]，VDES系统通信协议架构采用OSI七层模型的第一到四层，如图1所示。

（1）物理层：该层提供物理介质上比特流信息的传输和发送，包括：发送端的信号调制、编码、滤波等处理，及接收端的信号解调、解码及频率同步、时间同步方案。

（2）链路层：该层保证可靠的数据传输，提供MAC帧消息的传输和发送，包括：约定时隙分配机制、TDMA同步方案和链路层帧格式。

（3）网络层：传输协议暂定采用现有的IP通信协议。

（4）传输层：暂定参照AIS的IEC61162约定、UDP，SNMP，SFTP等协议。

根据G1139建议书，VDE通信分为VDE-TER（VHF波段数据交换-岸基通信业务：VHF Data Exchange-Terrestrial）和VDE-SAT（VHF波段数据交换-卫星通信业务：VHF Data Exchange-Satellite）两种业务，这两种业务遵循统一的VDES通信协议架构，但是在链路层的实现上是两套不同的通信方案。

链路层的作用是在船台与岸基之间、船台与卫星之间保证可靠的数据传输。具体包含以下内容：（1）打包数据：把待发送的信息，包括信令和数据，根据时隙表，打包进物理层消息的负载部分，等待发送。（2）媒体接入：通过TDMA方案，按照分配的时隙号发送或接收指定的消息块。（3）数据解包：把接收的信息，包括信令和数据，根据包格式解包、处理。

2 TDMA设计方案

根据G1139建议书，VDE-SAT采用半双工TDMA接入方案，链路层把一分钟划分为2250个时隙，每个时隙占22.67ms。一分钟划分为三个子帧，每个子帧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块和数据消息块，如图2所示。

3 通信流程

G1139给出了6种VDE-SAT通信流程。

（1）岸站发起的，通过SAT轮询来自船的消息。

（2）船台发起的，通过SAT询问来自岸站的消息。

（3）船台发起的，想要通过SAT，发送消息给岸站。

（4）卫星对船的下行组播多包数据传输。

（5）卫星对船的下行单播多包数据传输。

流程4和5可以统一，SAT发起的，下行多播/单播，多包数据传输。

（6）只有发送功能的设备的消息收集。该通信流程与AIS/ASM业务类似。

以流程1为例简述具体的通信流程，见表1。

4 结语

VDES系统基于TDMA方案的通信协议设计，详细介绍了当前G1139建议书约定的通信协议构架和VDE-SAT半双工TDMA设计方案，通过时隙映射、链路层消息梳理和通信流程，给出 了VDE通信的链路层设计。

参考文献

[1] 姚治萱.VDES通信技术应用及其发展趋势[J].世界海运，2019，42（02）：34-38.

[2] 熊雅颖.海事通信技术新进展——VDES系统[J].卫星应用，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