基于VDES的空天地海通信网络架构与关键技术

胡旭 林彬 王珍

【摘  要】随着航运业务的不断发展，现有的海事通信技术难以满足日益增长的用户需求，基于VDES的“空天地海”通信网络成为国际海事通信研究的热点。在介绍VDES的发展背景和发展现状的基础上，分析了VDES的系统架构模型和频谱分配策略，并对VDES的关键技术进行阐述，最后对VDES技术的发展前景进行了展望。VDES的全球覆盖可对“空天地海”通信网络的全面部署提供有力的支撑，将对建设智慧海洋发挥重要作用。

【关键词】空天地海;VDES;频谱分配

中图分类号：TN929

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2019）05-0002-07

1   引言

随着“一带一路”战略的逐步实施，兴起了通过海洋走向世界、走向全球的热潮。繁忙的航线、密集的港口以及繁荣的航运业务凸显了建设海事通信网络的重要性，完善海事通信网络，将“天地一体化”网络升级组建“空天地海”通信网络已成为建设海洋强国的大方向、大趋势。

“天地一体化”是建设以地面网络为基础、以空间网络为延伸，覆盖宇宙空间、空中、陆地、海洋等自然空间，为天基、空基、陆基等各类用户的活动提供信息保障的基础设施[1]。“空天地海”网络是在“天地一体化”网络架构的基础上融合海事通信技术，完善海事通信中船岸、船间、船舶与卫星之间的通信，弥补我国海事通信在覆盖范围、通信质量等方面的欠缺[2]。

目前，海事通信中广泛应用的第一代数字化通信系统——AIS（Automatic Identification System，自动识别系统）通过向周围船只进行广播，定期报告自身位置、航向和速度等信息，在确保海上交通安全、维护海上交通秩序和船舶跟踪等方面发挥着至关重要的作用[3]。在船舶规模大型化、船舶航行高速化、船舶数量密集化、用户需求多样化等趋势下，海事通信的数据量也不断增加，使得AIS负荷和消息冲突率激增。近年来，随着大数据时代的到来和社会信息化的不断推进，AIS延伸出了许多扩展应用，这使得原本难以满足船舶之间互相识别和碰撞避免的AIS又被迫负担起船岸、船船间数据通信等业务，加剧了AIS频段的拥挤程度，其信道占用过饱和，在一些地区的负载甚至已经达到64%，工作效率难以满足日益增加的用户需求[4]。

为了缓解AIS数据通信压力、有效传递避碰信息、保证AIS基本功能的完整性，VDES（VHF Data Exchange System，甚高频数据交换系统）应运而生。作为新兴海事通信系统的代表，VDES在保留原有AIS功能的基础上加入两个子系统：VDE（VHF Data Exchange，宽带甚高频数据交换）和ASM（Application Specific Messages，特殊应用报文），三者共同配合来提高海事船舶通信的数据传输能力[5]。VDES技术主要实现了星基、陆基、船舶三大部分之间的信息传输与交换，极大地拓宽了海事通信的信息传输能力，有效地提高了频带利用率和通信效率。在即将到来的智能航海时代，VDES技术将在建设高效便捷可靠的“空天地海”通信网络中发挥重要作用。

2   VDES发展现状

自2013年以来，在IMO（International Maritime Organization，国际海事组织）、IALA（International Association of Lighthouse Authorities，国际航道标志协会）和ITU（International Telecommunication Union，国际电信联盟）的联合号召下，各国开始对VDES进行设计和研发。目前，VDES的各项标准尚处于制定中，很多草案和协议还需进一步讨论，相关的技术也处在实验论证过程中。图1所示为VDES的研究进程规划图[6]。从2013年到2017年，VDE发射机实现了从开发到实际执行的全面过渡;相应的，VDES相关草案和国际通信标准主要在2014年到2017年间完成;2017年至2019年，各国开始重点发展VDES卫星服务，进而扩展卫星VDES的应用市场;到2020年，将实现VDES的全方位运行，实现GMDSS（Global Maritime Distress and Safety System，全球海上遇险与安全系统）现代化[6]。

在此机遇下，我国各大研究院和高校都积极跟进，努力抢得先机，赶上发达国家研究进程。天津海事局AIS中心与企业的合作项目在调制解调技术和编码技术取得突破，并在天津通信中心成功进行实验室级别的高速数据传输试验[7]。以上海航标处信息科、浙江海事局“智能航运研究团队”等为代表的团队也正不断形成合力[7]，积极迎接基于VDES的航海时代的到来。

VDES作為“空天地海”通信网络的一个实例，在建设“海洋强国”中发挥着重要作用。本文着重分析VDES的系统模型和频谱分配策略，有针对性地介绍VDES的主要关键技术，并对未来的发展趋势进行展望。

3   VDES架构

将VDES的体系架构按照“空天地海”通信网络进行划分，其中：“天”是指由卫星等空间飞行器作为主要节点组成的天基网络;“地”是指由地面基站网络组成的岸基网络;“海”是指由船舶和浮标等组成的海洋网络[8]。

3.1  VDES模型

VDES的模型架构分为五部分：船站设备、岸站设备、VDE卫星地面段、VDE卫星空间段、信息服务中心。VDES模型架构如图2所示，在此框架下，船舶可根据自己所处的位置不同，广播自身位置信息，并与在通信范围内的其他船舶交换数据信息。此外，船舶还可通过与附近的浮标通信，获取接收范围之外的船舶分布情况。当船舶距陆地较远时，可以通过卫星来实现与岸站之间的通信。船舶搭载的VDES设备类型可分为：AIS、ASM和VDE三个子系统，其组合形式可分为：单一AIS、AIS+ASM、AIS+ASM+地面VDE、VDE岸站系统和VDE卫星载荷及VDE卫星地面控制设备[9]，VDES通信目标与设备组合分配情况如表1所示[9]，如：在天基设备中船舶与VDE空间站上行链路的通信中，采用VDE设备，占用VDE2频段，其频道号为1026和1086，通信速率为50 kHz，其作用为扩展通信范围，实现较远距离通信。

通过不同类型的设备相互组合通信，可使船舶及时获取有效信息，这不仅保障了航行安全，还满足了不同用户的应用需求。

VDES各部分功能如下：

（1）AIS子系统：通过收发机交换船舶当前的位置和速度信息，保障位置跟踪、搜寻搜集、航线导航、船舶身份识别等基本航线功能，实现有效跟踪和避碰。由于AIS子系统与船舶安全相关，所以具有最高的优先级。

（2）ASM子系统：旨在减少AIS信道上的负载，传输诸如水纹、天气预报等与航行状态安全无关的应用消息。由于ASM信道与AIS信道相隔较近，需要预留较宽的频谱空隙，导致信道使用效率降低[10]。

（3）VDE子系统：VDE频段可用于传输任何数据，是VDES的核心，该系统可提供更大容量的数据交换，是实现高速率数据传输的基础。

（4）卫星子系统：该子系统采用双工链路，通过上行链路和下行链路的有效配合来扩展地面通信服务的范围，进而实现了远距离船岸通信，提高了基站范围外的数据交换能力[11]。

在VDES保障下，船舶航行的主要过程为：首先通过AIS子系统报告自身的位置信息、航行速度等信息，保障航行安全;其次在ASM子系统中传输水纹和天气信息以应对海上快速变化的天气情况;最后，通过VDE子系统完成船舶中个人用户的应用消息的传输与交互，提升船客的乘船服务质量。VDES的逐步建成，将构建起“空天地海”通信网络的基本框架。随着平流层的通信技术不断成熟，以无人机和飞艇为代表的空基网络也将部署其中，这将实现陆基、天基、空基和海基网络的全面配合，进而迎来智能航海事业的新时代。

3.2  VDES频谱分配

VDES划分了18个海上通信信道：2个AIS信道、2个ASM信道、12个VDE信道和2个卫星监测AIS信道。其中，AIS信道又可分为AIS1和AIS2信道，继续承担与航行安全相关的消息的传输。ASM信道分为ASM1和ASM2信道，用于传输特殊应用报文，诸如：水纹、天气和危险货物指示等。VDE信道按照链路方向可分为上行链路和下行链路，其中每个方向链路又分为4个100 kHz的VDE1信道和2个50 kHz的VDE2信道。卫星监测AIS信道主要用于传输远距离的AIS报文[12]。VDES信道频段分配情况如表2[9]所示：

当同一信道由不同设备使用时，信道充当的角色也不同。VDE1和VDE2的上行信道对于船舶的终端设备而言是发射信道，而对于岸站和空基AIS卫星则是接收信道。同理VDE1和VDE2的下行信道对于船舶的终端设备而言是接收信道，但对于岸站和空基AIS卫星载荷则为发射信道。

4   VDES关键技术

VDES主要包含四层网络结构，即：物理层、数据链路层、网络层和传输层[13-14]。其中，物理层主要负责传输透明的比特流;链路层主要负责封装成帧、透明传输和差错控制;网络层主要负责数据链路拥塞问题;传输层主要负责把数据包进行分片并进行有效排序。不同网络层次的功能实现又对VDES提出了新的技术和要求，主要包括天基卫星技术、调制解调技术、收发机技术、接入网技术等。

4.1  天基卫星技术

卫星在VDES中占据举足轻重的地位，和其他信道相比，卫星信道具有传输距离长、受干扰程度大、信噪比低等特点。目前，卫星信道编码技术主要包括卷积码、级联编码、Turbo码、LDPC（Low Density Parity-Check，低密度奇偶校验）码。由于VDES设计的目标是进行大容量的数据较换，在传输过程中以长分组数据为主，而Turbo码凭借其良好的编码性能和成熟的技术，成为卫星信道中采用的信道编码技术[15]。

在VDES卫星系统中，其关键技术包括信道间抗干扰技术、数据冲突技术和多信道复用载荷技术等[15]。由于海事通信带宽过窄，会导致接收脱敏、相邻信道干扰，本地接收机和发射机相互影响等问题，对此，VDES系统将采用上述技术解决这些问题。信道间抗干扰技术可解决海事通信带宽过窄所导致的相邻信道间的干扰问题，数据冲突技术可解决本地接收机和发射机导致的数据冲突问题，信道复用技术可提高信道使用率，实现用户对信道的复用，从而避免数据冲突[16]。为拓宽卫星的应用范围，将设置卫星增值服务机制并优化VDES卫星天线，从而保证VDES卫星系统的有效性和可靠性。

4.2  VDES调制解调技术

VDES物理层的主要目标是提高单位载频的通信传输速率。为此，VDES采用了以下几种调制解调技术相结合的方式：GMSK调制解调技术、π/4 QPSK，π/8 QPSK以及8×16-QAM[17]。这几种调制方式的结合可满足不同信道的客观传输环境，从而为各个信道找到最适合其功能和传输特性的调制解调方式，从而满足海上用户的不同需求。VDES中，AIS信道采用GMSK的调制方式，信道速率为25 kHz，原始数据为9.6 kbit·s-1，ASM采用的调制方式是π/4 QPSK，VDE信道调制方式主要采用π/4 QPSK，各信道的具体调制技术如表3所示[18]。

在物理层中，VDES关键技术主要包括自适应调制和编码（ACM）技术和识别调制技术等[19]。ACM可以根据不同信噪比动态选择不同调制编码技术，如：当船舶远离海岸时，海面的传输损耗将导致低信噪比，此时系统将采用π/4 QPSK调制，编码效率为1/2，通过牺牲信道吞吐量，從而保证数据包没有丢失。同样的，当船舶距离海岸较近时，此时信噪比较高，此时将采用16-QAM调制，编码效率为3/4，从而提高信道的吞吐量。由于在发射端系统根据信噪比的不同采用不同的调制编码技术，对应的接收端并不知道采用了哪种调制编码技术发送数据包，VDES系统采用识别调制技术解决该问题。识别调制技术通过在数据包头增加调制标志位告知接收器使用哪种调制编码方式发送剩余的数据包，从而保证数包的可靠传输。

4.3  VDES收发机技术

由于VDES中包含多个子系统，不同子系统的信道速率和发射频率也不尽相同，因此，VDES收发机需要多个信道并行处理。目前，收发机的信号采样、窄带滤波、以及信号检测与评估等问题仍是海上收发机研究的重点[20]。

4.4  VDES接入网协议

数据链路层分为三个子层：链路管理实体子层、数据链路服务子层和媒体访问控制子层。其中链路管理实体子层起管理分配的作用，负责管理其他子层。数据链路服务子层主要负责数据链路的注册和注销，并对发送的数据进行检测和纠错、对独立性和规范性等问题给予算法支持。媒体访问控制子层的接入协议作为船舶、船岸以及船舶与卫星之间实现可靠性传播的核心，在船舶网络中发挥着重要作用。

VDES应基于不同的应用场景和运行模式来采用不同的接入方式。目前，该系统主要采用SOTDMA（Self-Organized Time-Division Multiple Access，自组织时分多址）、RATDMA（Random Access Time-Division Multiple Access，隨机接入时分多址）、ITDMA（Incremental Time-Division Multiple Access，增量时分多址）等多种技术[19]，来保障VDES正常工作。图3所示为三种协议的运行示意图，VDES根据网络所处情况选择相应协议。SOTDMA协议的思想是将时间划分成若干个时隙，当信道空闲时，船舶直接占用时隙，当信道繁忙时，船舶会选择一个已被远距离预定的时隙。船舶以广播的方式将消息发给当前海域网络内的其他船舶，进行船与船之间的识别和信息传输。网络内所有的船舶通过自主选择时隙的方式完成信道资源的管理与分配，提高了自动识别的效率[21]。RATDMA协议主要应用于分配未预先声明的时隙或登录网络期间发送的第一个时隙。当船舶处于进入数据链路网络、临时更改信号发送间隔和需要预约安全相关信息时需要使用ITDMA协议[22]。

随着人工智能的快速发展，接入协议也融入了人工智能元素，一些专家和学者试图将融合了人工智能元素的接入协议应用在VDES中来建设“空天地海”通信网络。

5   展望

由于近年来E-航海战略的实施受到了海上数字通信技术的限制，致使海上信息交换陷入瓶颈，多项航行信息被迫延时。VDES的建成将迎来海事通信新阶段，多项航海通信节点将部署其中，诸如搜救、航警、气象水文、海图更新等服务将更加快速高效地获取，从而使航行路线更安全，航行体验更舒适[23]。此外，由于无人船和无人机技术的大力发展，船舶感知信息的途径增多，信息传输的延迟也逐渐缩短，特别是在复杂海域中，无人机和无人船可以成为航行的“触角”，提前获前方海域的信息情况，在打造智慧海洋、智能航运方面起着举足轻重的作用。

6   结束语

本文分析了海事通信的需求及挑战，介绍了现阶段VDES的发展状况。从“空天地海”通信网络的具体应用着眼，分析了VDES的体系架构与频谱分配策略并对VDES的主要关键技术及发展进程进行阐述。以“空天地海”通信网络架构为主体，以VDES为触手，将卫星、船舶、岸基设备有效结合，构建便捷高效稳定的海事通信网络，将为航运业务保驾护航，为打造海事强国提供有力保障。

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