AIS系統(tǒng)中SOTDMA協(xié)議仿真與分析

劉 鵬,謝永鋒

(1.中國西南電子設(shè)備研究所,成都 610036;2.中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)是一種新型的助航系統(tǒng)及設(shè)備,是可以用于水上交通聯(lián)絡(luò)和指揮的岸-船、船-岸、船-船之間的通信、輔助導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)為船舶航行安全和航行管理提供了一種新型而有效的手段,它基于無線電應(yīng)答器的相關(guān)監(jiān)測技術(shù),可用于船舶等運載工具的精確跟蹤,以彌補(bǔ)傳統(tǒng)雷達(dá)監(jiān)測在自動識別目標(biāo)以及獲取航行動向信息等方面的不足,對雷達(dá)監(jiān)測起輔助或替代作用。由于AIS技術(shù)的先進(jìn)性、使用的簡易性和經(jīng)濟(jì)性,AIS技術(shù)被采納為國際標(biāo)準(zhǔn)(ITU-R M.1371、IEC 61993-2)[1],國際海事組織(IMO)將AIS作為海上航行船舶(≥300 t)強(qiáng)制性要求安裝的安全設(shè)備,所以該系統(tǒng)有很廣泛的市場應(yīng)用前景。

AIS系統(tǒng)是以自組織時分多址(SOTDMA)組網(wǎng)協(xié)議為核心技術(shù),船舶間可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,無需類似管控中心等設(shè)備的支撐,這種組網(wǎng)通信方式不受不同海域的限制。但是,在交通比較繁忙的區(qū)域,由于各個船舶的超短波(VHF)信號覆蓋范圍相互重疊,這時往往可能會發(fā)生多個船舶同時預(yù)約同一個時隙的情況,這樣就有可能發(fā)生時隙沖突,從而造成船舶之間互相看不見,進(jìn)而使系統(tǒng)的識別率降低,給航行安全帶來隱患[2]。針對這一情況,分析VHF區(qū)域內(nèi)能夠容納的船載應(yīng)答機(jī)數(shù)量和信道時隙沖突率之間的關(guān)系具有十分重要的理論意義和應(yīng)用價值。

目前,國內(nèi)除了文獻(xiàn)[2]對AIS系統(tǒng)的SOTDMA協(xié)議的鏈路特性有一定的研究外,對AIS系統(tǒng)的SOTDMA協(xié)議的報告率與時隙沖突率及系統(tǒng)容量等方面沒有一個完備的仿真,國外也只做了靜態(tài)仿真,因此對SOTDMA協(xié)議進(jìn)行較完備的性能仿真可提供充足的性能仿真數(shù)據(jù)資料,以便在AIS系統(tǒng)的建設(shè)中起到重要的設(shè)計參考作用。進(jìn)行該協(xié)議仿真主要的目的是為了驗證SOTDMA協(xié)議的系統(tǒng)性能指標(biāo),驗證AIS系統(tǒng)的各船臺的報告率的分配的合理性,并在仿真中根據(jù)實際工程要求對SOTDMA協(xié)議進(jìn)行合理改進(jìn)。本文在OPNET環(huán)境下,建立仿真模型,在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上,對AIS系統(tǒng)的報告率和時隙沖突率及系統(tǒng)容量的關(guān)系進(jìn)行了深入分析,這對AIS系統(tǒng)的工程化具有非常重要的參考意義。

2 SOTDMA協(xié)議

AIS系統(tǒng)是以自組織時分多址(SOTDMA)組網(wǎng)協(xié)議為核心技術(shù),該技術(shù)將時間分成若干超幀,每個超幀又分成若干時隙供船舶用戶使用,每個用戶周期地廣播其當(dāng)前的位置信息及對未來時隙的預(yù)約信息,以構(gòu)成系統(tǒng)的時隙狀態(tài)表,這個時隙狀態(tài)表反映了所有參與船舶通信的用戶對時隙動態(tài)使用的情況,依據(jù)該時隙動態(tài)表,各用戶可以實現(xiàn)對信道時隙的自發(fā)管理。由于這些時隙資源是由用戶自行管理,不需要基站的參與,所以被稱為自組織時分多址。若因船舶用戶的增加或需發(fā)送信息增多,AIS系統(tǒng)超負(fù)荷時,SOTDMA能自動減少AIS用戶的數(shù)量,保證最近的船舶能夠接收,以犧牲覆蓋范圍的方式保證通信的可靠性。

AIS系統(tǒng)中定義1 min為一個超幀,每個超幀劃分為2 250個時隙,每個時隙長26.67 ms,可以由任意用戶使用,AIS通信應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)能提供在1 min之內(nèi)發(fā)送至少2 000條船舶信息的報告。

3 AIS系統(tǒng)SOTDMA協(xié)議的建模

OPNET Modeler提供了三層建模機(jī)制[3],最低層為進(jìn)程(Process)模型,以有限狀態(tài)機(jī)(FSM)模型來描述協(xié)議;其次為節(jié)點(Node)模型,由相應(yīng)的協(xié)議模型構(gòu)成,反映設(shè)備特性;最上層為網(wǎng)絡(luò)模型,反映網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文也按照相同的層次結(jié)構(gòu)對SOTDMA協(xié)議的建模進(jìn)行描述。

3.1 消息格式

消息是整個仿真系統(tǒng)信息傳送的關(guān)鍵,仿真中用到的消息格式是將AIS中的消息格式做了一定的簡化。系統(tǒng)中使用2種消息格式,一種用于船只之間發(fā)送和接收信息,幀長度為256比特/幀;一種用于各船只將每分鐘使用的時隙狀態(tài)表信息發(fā)送給統(tǒng)計器,幀長度為256比特/幀。消息格式如圖1所示。

圖1 消息格式Fig.1 Message structure

3.2 信道模型

在OPNET中,無線信道建模的內(nèi)容包括無線信道的頻率、功率、視距以及干擾等。本仿真中信道的模型將參考AIS實際系統(tǒng)中使用的信道參數(shù)進(jìn)行建模。其中,選擇無線信道的發(fā)射頻率為 161.975 MHz/162.025MHz,接收機(jī)的頻率是161.975 MHz/162.025 MHz,信道帶寬選擇25 kHz,碼元速率為9.6 kbit/s,發(fā)射機(jī)功率為12.5 W,調(diào)制方式是GMSK調(diào)制,視距為25 nmile。

3.3 進(jìn)程模型

進(jìn)程模型主要由FSM構(gòu)成,以FSM模型來描述協(xié)議,AIS船臺和基站都使用該進(jìn)程模型,下面詳細(xì)說明一下SOTDMA協(xié)議的進(jìn)程模型,如圖2所示。

圖2 進(jìn)程FSM模型Fig.2 Process FSM model

SOTDMA協(xié)議進(jìn)程響應(yīng)的事件有:

(1)Init:空閑狀態(tài),狀態(tài)屬性為強(qiáng)迫式,由啟動仿真時仿真平臺產(chǎn)生的啟動事件觸發(fā),初始化相關(guān)變量;

(2)idle:空閑狀態(tài),狀態(tài)屬性為非強(qiáng)迫式,在此狀態(tài)下等候下一個中斷的產(chǎn)生;

(3)msg-arrival:狀態(tài)屬性為強(qiáng)迫式,由接收到新消息的事件觸發(fā)進(jìn)入該狀態(tài),主要用來解析消息獲取相關(guān)時隙信息等;

(4)send-pkt:狀態(tài)屬性為強(qiáng)迫式,由send-pkt函數(shù)觸發(fā)進(jìn)入該狀態(tài),產(chǎn)生發(fā)送消息的中斷。

(5)timer:狀態(tài)屬性為強(qiáng)迫式,由系統(tǒng)規(guī)劃的定時器觸發(fā)進(jìn)入該狀態(tài),主要是用來產(chǎn)生時隙及計算時隙號;

(6)send-ts-msg:狀態(tài)屬性為強(qiáng)迫式,該狀態(tài)主要用于發(fā)送時隙統(tǒng)計信息到時隙統(tǒng)計器,由sendts-msg觸發(fā)進(jìn)入該狀態(tài)。

3.4 節(jié)點模型

仿真系統(tǒng)中有船臺、基站和統(tǒng)計器3種節(jié)點模型,其節(jié)點模型類似主要由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及協(xié)議處理模塊組成,圖3為船臺節(jié)點模型。

圖3 船臺節(jié)點模型Fig.3 Ship node model

其中,天線收到無線信號后,送到接收機(jī),接收機(jī)由兩路接收信道組成,分別代表161.975 MHz和162.025MHz兩個頻點,接收機(jī)接收到的消息送到協(xié)議處理模塊,協(xié)議處理模塊進(jìn)行解析和分析。同時,協(xié)議處理模塊根據(jù)狀態(tài)機(jī)的變化和時隙算法的選擇,將待發(fā)送的消息通過發(fā)射機(jī)再通過天線發(fā)射出去。發(fā)射機(jī)由三路信道組成,兩路AIS發(fā)射信道和一路發(fā)送到統(tǒng)計器發(fā)射信道。

3.5 網(wǎng)絡(luò)模型

網(wǎng)絡(luò)域中有船臺、基站和統(tǒng)計器3種節(jié)點類型,整個網(wǎng)絡(luò)采用廣播協(xié)議,其中統(tǒng)計器的作用是負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的時隙使用的動態(tài)統(tǒng)計,用來計算在整個網(wǎng)絡(luò)中的時隙沖突率。仿真中建立了多個場景,在每個場景中,基站和統(tǒng)計器各有一個,而有不同數(shù)目的船臺,模擬不同用戶數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)。圖4是船臺數(shù)為100的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖4 AIS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 Network model of AIS

4 仿真結(jié)果分析

4.1 仿真統(tǒng)計指標(biāo)

SOTDMA網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)最主要的性能指標(biāo)是系統(tǒng)時隙沖突率和系統(tǒng)容量,其中,系統(tǒng)容量是指一定區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)所能容納的船只總數(shù),系統(tǒng)時隙沖突率是指在整個仿真時間內(nèi)對所有沖突時隙的統(tǒng)計平均,這里定義的時隙沖突率是指每一分鐘(幀)上的沖突時隙數(shù)與這一幀的總的時隙數(shù)的比值,統(tǒng)計計算公式為系統(tǒng)時隙沖突率其中 N 為總的仿真時間,M(i)為每分鐘的時隙沖突率。本仿真重點考察了系統(tǒng)容量與系統(tǒng)時隙沖突率的關(guān)系。

4.2 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真參數(shù)設(shè)置如下:

幀大小:1 min;

每幀時隙數(shù):2 250個;

報告率:5,6,10,15,20,30次/分鐘;

船只數(shù)目:由20～200遞增;

基站預(yù)留時隙數(shù):35個時隙;

幀長度:256 bit;

基站數(shù):1個;

仿真時間:180 min。

4.3 仿真方法

仿真按照SOTDMA協(xié)議,通過改變系統(tǒng)中的兩個重要參數(shù)來進(jìn)行仿真:

(1)保持系統(tǒng)的“船只數(shù)目”不變,改變報告率;

(2)保持系統(tǒng)的“報告率”不變,改變船只數(shù)目。

4.4 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖5所示,曲線為報告率、系統(tǒng)的時隙沖突率和網(wǎng)絡(luò)容量三者的關(guān)系。

圖5 SOTDMA協(xié)議仿真結(jié)果Fig.5 SOTDMA protocol simulation result

由圖5可以看出,在報告率一定的條件下,隨著系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)容量的增加,系統(tǒng)的時隙沖突率隨之不斷增加,并且,在網(wǎng)絡(luò)容量相同的條件下,網(wǎng)絡(luò)中船只的報告率增大也導(dǎo)致系統(tǒng)的時隙沖突率增加。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)容量為200、船只的報告率為30次/分鐘時,系統(tǒng)的時隙沖突率達(dá)到40.2%左右,即有1 800個時隙發(fā)生沖突。同時從圖中可以看出,當(dāng)船只報告率小于等于10次/分鐘、網(wǎng)絡(luò)容量小于150時,系統(tǒng)的時隙沖突率很小,幾乎為0,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)容量大于150時,沖突率為5%左右,這是因為系統(tǒng)規(guī)定船只初次入網(wǎng)的時隙必須在150個時隙內(nèi)選擇,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有船只同時啟動時,必然出現(xiàn)船只重復(fù)選用時隙,所以導(dǎo)致系統(tǒng)的時隙沖突率明顯增加。根據(jù)VTS(船舶交通管理系統(tǒng))水域內(nèi)船舶航行的實際情況,高速船只的數(shù)量不會很多,大多數(shù)應(yīng)該為錨泊船和低速船,其報告率都小于等于每分鐘10次。所以,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中主要是低速船只時,系統(tǒng)能達(dá)到高質(zhì)量的通信性能。

因此,在交通繁忙的區(qū)域,網(wǎng)絡(luò)容量大的時候,AIS系統(tǒng)中各船臺應(yīng)自動將報告率降低,這樣整個系統(tǒng)的時隙沖突率不會很高;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)容量小的時候,可以將報告率增加,也不會產(chǎn)生大的時隙沖突率,這樣不會影響整個AIS系統(tǒng)的性能。

5 結(jié) 論

AIS系統(tǒng)的市場應(yīng)用前景非常廣闊,SOTDMA協(xié)議是AIS系統(tǒng)的核心協(xié)議,是實現(xiàn)AIS系統(tǒng)的關(guān)鍵,本文重點對SOTDMA網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量和時隙沖突率及報告率進(jìn)行仿真研究,其結(jié)論對AIS系統(tǒng)的工程應(yīng)用具有重要的參考價值。

[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] 葉剛,劉振安,田鋼.STDMA系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈自組織特性的仿真研究[J].計算機(jī)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)

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