AIS (船舶自动识别系统Automatic Identification System)通信原理


参考本校两个PPT：
第八讲-AIS系统.ppt
AIS_17 1 系统.pdf

AIS通信原理

  • AIS通信过程
    • 时分多址概念
    • TDMA（时分多址）技术
    • 船舶发送信息的间隔
    • 例子
    • 同步模式
  • AIS通信协议
    • 时分多址技术的数据接入技术
      • （一）自组织时分多址SOTDMA
        • AIS自组织通信算法
      • （二）增量时分多址ITDMA
      • （三）随机接入时分多址RATDMA
      • （四）固定接入时分多址FATDMA
  • 自组织时分多址（SOTDMA）
    • 特点


AIS通信过程

我们以最常用的A类型的AIS为研究对象进行讨论。AIS工作频段在航海VHF频段，国际电信联盟1997年无线电大会指定了161.975MHz(87B频道)和162.025MHz(88B频道)两个VHF频率作为AIS频道。系统采用两个TDMA接收机分别在这两个信道上同时接受信息，并通过一个TDMA发射机在这两个信道上交替发射信息(此处可以理解为两收一发，收信道分别接受两个频点信息，发信道通过两个频点交替发送AIS信息)。
就完成通信而言，一个无线电通信频道已经足够了，但是为了防止干扰和转换频道时造成的通信损失，每个AIS站均同时在两个频道进行收发。
AIS采用VHF频段，其通信覆盖距离与其他VHF设备一样，都是电波直线传播，天线的高度决定通信传播距离，在海上通常为20海里左右。在地面障碍物不高的情况下，视距上能看到AIS站的情况下，可以借助中继站，扩大通信范围。

（VHF意思是甚高频）
参考VHF、UHF的频率范围

时分多址概念

多址技术参考：
频分多址、时分多址、码分多址概念
频分多址、时分多址、码分多址、空分多址之间的区别区别

时分多址(TDMA)是把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），然后根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动台的信号而不混扰。同时，基站发向多个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。TDMA通信系统的信号传输分正向和反向传输，其中基站向移动台传输，常称正向传输或下行传输，移动台向基站传输，常称反向传输或上行传输。

简单举例，我们把频率资源想象成一个房间，如果这个房间里，某一时间让某一个人说话，下一时间段，让另一个人说话，就是时分多址.

下图是AIS-STDMA/ITDMA的原理。装备AIS的船只都是这个过程。
其中每个时隙代表26.6ms。提到的STDMA和ITDMA在之后详细介绍。

AIS-STDMA/ITDMA的原理

TDMA（时分多址）技术

TDMA

在AIS网络中，一帧60s被分为2250个时隙，每个时隙长度为26.67ms。每个时隙可以发送一条256bit的信息，当信息长度大于256bit时，将占用2个或多个时隙。理论上在同一区域能同时容纳200-300艘船舶信息。当船只数大于系统容量时，远距离的目标就会被忽略，以此保证AIS系统对近距离目标的优先权。

参考：AIS船舶自动识别系统原理

船舶发送信息的间隔

静态数据：电源开启2分钟，设备就可以恢复工作并发射船舶自身的静态数据。这些数据每6分钟重发一次，如有修正则随时发送。
动态数据：发射的时间间隔由船速和航向而定，具体见下表

动态数据
航行数据：如船舶吃水、危险品、目的港和ETA（预计抵达时间）等航行有关的其他数据，每6分钟发送一次。
安全有关短信息：随时发送。

例子

假定船舶平均6秒发射一次，即每分钟十次，一个区域的理论容量：
2250*2/10=450台站

这里为什么要乘一个2呢？
原因：VHF信道通常称为AIS1，AIS2，交替发射；AIS占用VHF 87B、88B两个频道

AIS中，每个台站使用限定的时隙发射，这种模式称为TDMA。AIS发射时隙采用UTC（世界协调时）同步，UTC从GNSS（全球导航卫星系统Global Navigation Satellite System）获得。

名词参考：
AIS系统中的UTC同步
gnss到底是什么呢

同步模式

同步是通信系统中一个十分重要的实际问题。通信系统能够有效、可靠的工作，很大程度上取决于有无良好的同步系统。AIS系统中重要的同步有UTC同步和时隙同步与帧同步。
世界协调时（UTC）同步是航海领域中非常关键的技术。在AIS系统中，站台之间通信的数据收发都依据UTC时间，主要时间源是GPS时间。
UTC同步
（1）UTC直接同步
能够直接访问UTC时间的站台，应通过设置使站台的同步状态与UTC保持同步。
由GNSS（ Global Navigation Satellite System全球卫星导航系统）提供。

（2）UTC间接同步
与已经和UTC同步的台同步。
一个站台若不能直接访问UTC时间，但能获得其他直接与UTC同步的站台的时间，应与那些站台进行同步，此时要将同步状态设置为UTC间接同步。AIS规定UTC间接同步只允许一次间接。

（3）与基站同步（间接或直接）
基站直接：与标识数最高的基站UTC同步
基站间接：与已经同步于基站的移动台同步
那些既不能与UTC直接同步，又不能获得间接UTC同步，但可以接收基站的发射的数据的移动站台，应该与接收站数最多并且在最近的40秒内有过两次报告被其他站接收的基站进行同步。与此基站一旦建立了同步，如果40秒内从此站接收的报告少于2次，则应当立即中断同步。

（4）与移动台同步
与MMSI最低的AIS站同步
MMSI：水上移动通信业务标识码（Maritime Mobile Service Identify）
如果一个台既不能与UTC直接同步，也不能与UTC间接同步，同时又不能接收到其他基站的信息，则此站应与其他移动台进行同步，所选择同步的移动台应该在接下来9帧的时间中有最多的站台接收到其信息，并且此移动台在40秒内至少曾有2次报告被其他台接收。

AIS通信协议

AIS系统采用的TDMA通信协议，系统运行时不停的检测TDMA信道的活动状态，根据信道的占用情况预约本台的发射时隙。

时分多址技术的数据接入技术

  1. 自组织时分多址 SOTDMA
  2. 增量时分多址 ITDMA
  3. 随机时分多址 RATDMA
  4. 固定时分多址 FATDMA

自组织时分多址接入(SOTDMA)、增量时分多址接入(ITDMA)、随机时分多址 接入(RATDMA)和固定时分多址接入(FATDMA) 4种不同的接入方式。

SOTDMA系列接入技术是RATDMA、ITDMA和SOTDMA三种多址接入技术的总称，是被AIS设备较早使用的一种时分多址通信技术。

其中，RATDMA体现了一种“随机性”，其用来为船站预留一个未预先对外宣布和不具有重复性的时隙。ITDMA体现了一种“预约性”，通常在自主和连续工作模式的第一帧阶段、临时变更报告频次阶段，预先发布安全相关电文时预约时隙。

（一）自组织时分多址SOTDMA

移动台在自主连续操作阶段使用，其信息具有重复特性，为数据链其它用户提供连续更新监督场景。

在自主和连续工作模式时，AIS系统使用SOTDMA接入AIS数据链路，这使其不依赖岸基系统支持就可以自己实现本船台站与外部通信等功能的正行运行。AIS系统通过SOTDMA自组织发送时隙，周期性的向外广播动态电文，为数据链路上的其他台站提供本船相关的动态、静态信息。

在将要接入数据链路时，通过对数据链路的监听一分钟，获取各个时隙的状态，建立本船站时隙表。在自主和连续模式工作阶段，通过接收、解析数据链路中其他船站发送电文的SOTDMA和ITDMA通信状态、基站的链路管理电文20来完成时隙状态表的更新。

AIS自组织通信算法

避免通信冲突：
开机时守听一分钟；
预留下一帧通信时隙。
解决通信冲突：
随机选取 3 - 8分钟的“超时值”；
主动时隙复用。

（二）增量时分多址ITDMA

通过代替分配SOTDMA的时隙或通过RATDMA分配一个新的未经预宣布的时隙进行发射。

在第一帧阶段划分时隙时、临时变更报告频次阶段、预先发布安全相关的电文时使用。ITDMA进入数据链路可以使用RATDMA预留尚未向外公布的时隙，也可占用SOTDMA算法已预约的发送时隙。AIS设备在开机后的第一帧阶段采用ITDMA进入AIS数据链路，为其后的自主和连续模式划分发送时隙。

使用ITDMA完成船站电文发送时，将ITDMA通信状态信息封装到电文中是至关重要的。ITDMA时隙划分功能的实现依托于电文的ITDMA通信状态信息。ITDMA通信状态信息包括：时隙偏置、时隙数目、保持标志。

开机首次进入数据链路时，需将RATDMA划分第一个发射时隙作为ITDMA的第一个发送时隙使用。在当前ITDMA时隙发射之前，船舶随机地选择下个后随的ITDMA发射时隙，并计算与当前时隙的相对偏置，将时隙偏置添加到ITDMA通信状态中。接收到的船站应将该时隙偏置标示的这一时隙标划分为外部占用时隙，上述时隙的划分的过程按要求延续。在最后的ITDMA发送中，时隙偏置被置为零，标识本次ITDMA划分过程已终结。

（三）随机接入时分多址RATDMA

当电台需要分配一个未经预宣布的时隙时使用。

在船站需要预留一个未预先对外宣布和不具重复性的时隙时使用。此算法通常用于AIS网络进入阶段和发送非重复电文阶段。例如AIS设备在首次进入网络或应答基站询问时，均是采用RATDMA技术获得发送时隙，接入到AIS数据链路中。

（四）固定接入时分多址FATDMA

只有基地台和控制台能使用，在已分配的时隙中发射重复信息。
不重要，不详细说了。


RATDMA、ITDMA和SOTDMA参考：

A类AIS数据接入技术

自组织时分多址（SOTDMA）

进入TDMA网络的AIS设备一般采用自组织的时分多址（SOTDMA）协议进行工作，采用这个方式传输的AIS设备可以自主解决发射冲突，自主接收其他台站的信息。

SOTDMA

SOTDMA
SOTDMA描述

特点

通过分析SOTDMA的原理，我们可以得出它的特点：

(1)网络的自组性。 自组织网络可以在任何时刻任何地点同时产生多个网络环境支持移动协同计算，不需要基站支持。
(2)动态的拓扑结构。 由于网络中的节点可以任意速度和任意方式移动，节点间通过无线信道形成的网络拓扑结构可以随时发生变化。
(3)分布式控制网络。 网络各节点没有重要和次要之分，从而可以防止一且控制中心被破坏而引起的全网瘫痪的危险。