民航數(shù)據(jù)鏈VDL Mode 2應用研究

李琛

摘 要： 簡要介紹了國內外民航甚高頻數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展現(xiàn)狀和應用情況，對國際民航組織建議的幾種甚高頻地空數(shù)據(jù)鏈通信模式進行了比較，并對VDL Mode 2模式進行了詳細的說明。

關鍵詞： 民航數(shù)據(jù)鏈； 甚高頻數(shù)據(jù)鏈； VDL Mode 2； ACARS

中圖分類號： TN919?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）11?0015?04

Abstract： The current development situation of foreign and domestic civil aircraft VHF datalink and its application is introduced briefly in this paper. The communication modes of several VHF air?ground datalinks recommended by ICAO are compared. VDL Mode 2 is illustrated in detail.

Keywords： civil aircraft datalink； VHF datalink； VDL Mode 2； ACARS

0 引 言

民航數(shù)據(jù)鏈有甚高頻（VHF）、高頻（HF）、S模式和衛(wèi)星通信等多種通信方式，其中使用較廣泛的是甚高頻數(shù)據(jù)通信。目前全球范圍內使用最廣泛的民航甚高頻數(shù)據(jù)鏈是ACARS模式數(shù)據(jù)鏈，該數(shù)據(jù)鏈的特點是使用相對簡單，發(fā)展較早，使用廣泛，但傳輸速率較慢。

由于ACARS數(shù)據(jù)鏈通信速率較低，而全球民航客運量卻在持續(xù)迅速的增長，現(xiàn)行民用數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)已不能完全適應空中交通流量增長和新型飛機航速航程擴展的需要。為此，國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）提出在全球建立一個新航行系統(tǒng)，航空電信網(wǎng)（Aeronautical Telecommunication Network，ATN）是新航行系統(tǒng)中的重要組成部分，提供各種計算機數(shù)據(jù)通信的最基本的通信設備，針對ATN網(wǎng)絡建設，目前為止寫入《國際民用航空公約》附件10的甚高頻通信方案共有4種，分別是甚高頻數(shù)據(jù)鏈模式1（VDL Mode 1）、模式2（VDL Mode 2）、模式3（VDL Mode 3）、模式4（VDL Mode 4）[1]。

1 國內外民航數(shù)據(jù)鏈使用現(xiàn)狀

1.1 國外民航數(shù)據(jù)鏈使用情況

（1） VDL Mode 2

目前VDL Mode 1數(shù)據(jù)鏈未推廣使用，VDL Mode 2是新發(fā)展的數(shù)據(jù)鏈中技術最為成熟的，其使用了差分8相位相移鍵控（D8PSK）調制方式，數(shù)傳速率為31.5 Kb/s，工作頻段為118～136.975 MHz，最多可以容納760個信道，公共信道所使用的頻率設為136.975 MHz，MAC子層采用的是CSMA算法。目前VDL Mode 2廣泛應用于美國、歐洲和日本，至2011年，美國國內已經(jīng)建成并投入使用了300多個VDL Mode2地面站點。

（2） VDL Mode 3

空中交通管制工作中最基本的需求是保證飛行員和管制員之間能夠清晰地、自由地通話，盡管數(shù)據(jù)通信將會取代許多日常工作，但話音通信仍然是比不可少的，VDL Mode 3的最大特點就是可以支持數(shù)話同傳。其采用TDMA的組網(wǎng)方式，通過配置不同時隙的方式，達到同時傳輸話音和數(shù)據(jù)的目的。

VDL Mode 3是美國聯(lián)邦航空局（FAA）提出的下一代民航甚高頻數(shù)據(jù)鏈，目前美國和日本一直在開展與其相關的研究[1]。

（3） VDL Mode 4

VDL Mode 4采用GFSK調制方式，數(shù)據(jù)傳輸速率為 19.2 Kb/s。組網(wǎng)方式為STDMA，其最大特點是通過使用GPS或其他輔助資源進行站點校時，因此就不需要地面站廣播參考時間。在VDL Mode 4模式下，時隙管理以及地面站其他的重要功能都可由飛機完成。

VDL Mode 4是瑞典推出的一種甚高頻數(shù)據(jù)鏈，是歐洲準備將來采用的甚高頻地空數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)，其最大優(yōu)勢是對空空通信和ADS?B的支持[1]。

VDL數(shù)據(jù)鏈技術指標對比情況見表1。

1.2 國內民航數(shù)據(jù)鏈使用現(xiàn)狀

我國民航目前所采用的數(shù)據(jù)鏈是ACARS模式，1998年開始第一期建設，至目前為止，已經(jīng)建立了100多個地面站點，基本覆蓋了我國大部分中、高空航路。作為ICAO的參與國家，在參加ICAO相關會議的同時，我國與國外VDL Mode 2設備生產廠商，如美國ARINC、Collins公司等進行技術交流，獲取目前地空數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)向ATN系統(tǒng)的過渡方案與建議，以及北美、歐洲等地區(qū)實施VDL Mode 2系統(tǒng)的經(jīng)驗，在2004年，開始了VDL Mode 2數(shù)據(jù)鏈的研究工作，經(jīng)歷了協(xié)議仿真研究、地面站系統(tǒng)設計和控制軟件實現(xiàn)，并取得了初步成果，目前我國在VDL Mode 2數(shù)據(jù)鏈建設上也取得了一定的進步。目前國內已經(jīng)建立了10余個地面站點，能夠支持VDL Mode 2數(shù)據(jù)鏈的應用，目前已經(jīng)初步完成了系統(tǒng)的建設、測試和試驗等相關工作[4?8]。

2 VDL Mode 2技術

2.1 VDL Mode 2體系結構

VDL Mode 2主要由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和子網(wǎng)層組成，屬于ATN網(wǎng)絡的地/空子系統(tǒng)，能夠給ATN系統(tǒng)提供可靠的子網(wǎng)服務。其基本構成如圖1所示。其中數(shù)據(jù)鏈路層由介質訪問控制（Media Access Control，MAC）子層、數(shù)據(jù)鏈路服務（Data Link Service，DLS）子層以及甚高頻管理實體（VHF Management Entity，VME）子層組成[1?2]。

2.1.1 物理層

VDL Mode 2傳輸波形物理層參數(shù)如下：調制方式：D8PSK；成形濾波器：升余弦濾波器（a=0.6）；符號速率：10 500 sample/s；信道速率：31.5 Kb/s；編碼方式：RS（255，249）；VDL Mode 2傳輸波形物理層幀結構如圖2所示。

其中：

（1） 信道建立

信道建立段長度為5個符號，由一段固定的偽隨機碼構成，用于發(fā)射端功率建立，以及接收端的AGC穩(wěn)定。

（2） 同步段

同步段長度為16個符號，由一個48 b的獨特字組成，用于接收端的幀同步和位同步，它是接收端收到的有效信息的起始標記。

（3） 標題段

標題段長度為8個符號，前17 b為傳輸數(shù)據(jù)長度信息，表示數(shù)據(jù)段傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)長度。

（4） 數(shù)據(jù)段

數(shù)據(jù)段由[N]個RS（255，239）編碼塊組成，以編碼塊為單位進行傳輸，編碼塊的個數(shù)由每次傳輸數(shù)據(jù)長度決定。

VDL Mode 2傳輸波形物理層信號發(fā)射與接收流程如圖3所示。

2.1.2 數(shù)據(jù)鏈路層

鏈路層包含兩個子層和一個管理實體，其中MAC（Media Access Control，媒體訪問控制）子層采用P堅持的CSMA協(xié)議來控制對每個25 kHz的信道的訪問，從而最大限度地避免沖突；DLS（Data Link Service）子層提供錯誤檢測、錯誤恢復、流控制、重傳控制和幀地址確認等功能。VME（Link Management Entity）提供鏈路的建立、維護、釋放及交換等功能。

（1） MAC子層協(xié)議

MAC子層接收來自DLS子層的AVLC數(shù)據(jù)幀，但是不對AVLC幀進行修改，只對其進行訪問控制。它還接收來自物理層的數(shù)據(jù)包并將它上傳給DLS子層。

數(shù)據(jù)收發(fā)過程：

發(fā)送：從DLS子層數(shù)據(jù)鏈路子層到物理層傳輸AVLC幀；

接收：從物理層到DLS子層數(shù)據(jù)鏈路子層來接收AVLC幀。

MAC子層的服務主要包括兩個部分：P堅持的CSMA算法進行多路接入訪問和信道擁塞通告服務。

（2） DLS子層體系結構

DLS子層負責在鏈路上組織并傳輸包。它執(zhí)行來自HDLC（High?level Data Link Control）協(xié)議的子協(xié)議AVLC（Aviation VHF Link Control）協(xié)議，提供數(shù)據(jù)鏈路的基站標識，并完成流控制，幀序列交換和處理以及錯誤檢測的功能。

DLS為每個連接建立一個數(shù)據(jù)鏈路實體（Data Link Entity?DLE）。DLE實際上是執(zhí)行航空甚高頻數(shù)據(jù)鏈控制AVLC協(xié)議，主要完成數(shù)據(jù)幀處理、交換和錯誤檢測的功能。本地DLE與目的端DLE進行通信，來控制兩個電臺之間的整個交通流，包括控制流和數(shù)據(jù)流。DLE負責向VME通報過量的包丟失[3]。

（3） VME管理實體

甚高頻管理實體（VHF Management Entity?VME）負責建立和維護空/地無線鏈路。并為每個鏈路創(chuàng)建一個LME（Link Management Entity），提供鏈路的建立、維護、釋放及移交等功能，VME有如下三個功能：

① 頻率管理。目前，通用信道 CSC（Common Signalling Channel）頻率為136.975 MHz，所有的空/地通信服務都可以共享此頻率。VDL Mode 2允許使用的頻率段為118～136.975 MHz；

② 地面站管理。每一個地面站都有規(guī)律地發(fā)射廣播幀（GSIF）用來向飛機提供自己的存在和容量信息。VME還儲存了一個峰值實體連接表，用來管理每個連接，從而選取最優(yōu)的地面站，一般從以下幾個方面考慮最優(yōu)連接的選?。荷闲行盘栙|量、地面站是否是本地的、服務類型等。如果當前地面站所提供的信號質量較差，而同時另外一個地面站能提供較好的信號質量時，VME開始進行地面站間的移交。

③ 連接上層接口。VME是連接子網(wǎng)層的接口，在DLS 子層和子網(wǎng)層之間起到連接和紐帶作用。

2.1.3 子網(wǎng)層

子網(wǎng)層主要完成數(shù)據(jù)包交換，錯誤恢復，連接流量控制，數(shù)據(jù)包分段存儲，子網(wǎng)連接管理等功能。它提供的服務如下：

（1） 子網(wǎng)連接管理

使用多種不同的包類型、程序和設備來建立、終止和管理網(wǎng)絡連接。連接的兩端都會維護連接狀態(tài)信息，鏈路最優(yōu)化選取時，實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接的移交功能。

（2） 包分段和重組

子網(wǎng)層允許將來自子網(wǎng)用戶的大的數(shù)據(jù)單元分段，以便提高子網(wǎng)的空?地部分傳輸速率。當子網(wǎng)的接收端收到分段信息后，會進行分段信息的重組，恢復出原信息。

（3） 錯誤恢復

監(jiān)督幀中的“REJECT”格式包用在子網(wǎng)層目的是進行錯誤恢復。這些數(shù)據(jù)包在子網(wǎng)層實體之間發(fā)送，為了重傳錯誤包。飛機終端接收“REJECT”包后，會傳輸指定的數(shù)據(jù)包。

（4） 連接流量控制

數(shù)據(jù)包序列數(shù)和滑動窗口一起來進行被動的流控制。拒絕接收包（Receive Not Ready，RNR）不能被用來進行直接的流控制。重傳等待時間和信道訪問概率對鏈路流量也有很大的影響。

2.2 技術特點與優(yōu)勢

隨著民用航空運輸量的快速增長，目前的航空管理保障體系已明顯不能滿足需求，因此，迫切需要尋求新的空中交通管理手段。新航行系統(tǒng)就是解決航路擁擠所產生的問題而進行開發(fā)的，而作為新航行系統(tǒng)中數(shù)據(jù)鏈的模式選用，VDL Mode 2數(shù)據(jù)鏈是其中重要的組成部分。

與目前廣泛采用的ACARS數(shù)據(jù)鏈面向字符的傳輸方式不同，VDL Mode 2采用了面向比特的傳輸方式，數(shù)據(jù)包經(jīng)過壓縮傳輸，傳輸速率明顯提高，由ACARS的2.4 Kb/s提高到了31.5 Kb/s。ACARS數(shù)據(jù)鏈和VDL Mode 2數(shù)據(jù)鏈對比情況見表2。

2.3 應用步驟

航空電信網(wǎng)（ATN）是未來航空通信的必然發(fā)展趨勢，它是基于OSI七層體系結構的航空專用網(wǎng)，在將來向航空電信網(wǎng)ATN的過渡中，能夠與現(xiàn)有ACARS網(wǎng)絡兼容是需要考慮的十分重要的一點。

VDL Mode 2是ATN網(wǎng)絡的主要空地通信方式之一，但在ATN實施過程中，一些地區(qū)和組織VDL Mode 2的實施可能先于ATN地面網(wǎng)絡，因此，工業(yè)上提出了VDL Mode 2服務兩步走的計劃[9]：

（1） 將當前的ACARS信息轉化為小型的VDL Mode 2（ACARS over AVLC，AOA）應用。即在ACARS網(wǎng)絡基礎設施下，將VDL Mode 2空地子網(wǎng)接入到ACARS網(wǎng)絡中。

（2） VDL Mode 2/ATN。在ATN網(wǎng)絡基礎設施下，將VDL Mode 2的空地移動子網(wǎng)接入到ATN網(wǎng)絡中?；赩DL Mode 2的ACARS組網(wǎng)協(xié)議的協(xié)議棧如圖4所示。

在ACARS網(wǎng)絡中，VDL Mode 2作為ACARS網(wǎng)絡的一種移動子網(wǎng)，承載著空地移動通信中的ACARS數(shù)據(jù)包。主要分為：

（1） ACARS應用子層：主要支持空中交通服務（ATS）和航務運行管理服務（AOC）；

（2） AOA及ACARS路由子層：將來自應用子層的消息封裝成AOA分組，并將上行消息路由到合適的機載子系統(tǒng)，或將下行消息路由到合適的地面系統(tǒng)；

（3） VDL Mode 2鏈路層子層，包括：鏈路管理實體（LME/VME），用于鏈路的建立、維護與切換；數(shù)據(jù)鏈服務子層（DLS），采用AVLC協(xié)議，是HDLC協(xié)議的子集；媒體接入控制（MAC）子層，采用CSMA接入機制；

（4） VDL Mode 2物理層。采用D8PSK方式，速率可達到31.5 Kb/s。

3 結 語

綜合考慮各種數(shù)據(jù)鏈模式的性能及特點，VDL Mode 2由于它對ACARS網(wǎng)絡的兼容性和對未來ATN網(wǎng)絡的無縫隙的結合而成為當前民航數(shù)據(jù)鏈技術的首選，我國也最終選擇VDL Mode 2作為下一代民航數(shù)據(jù)鏈，開展相關的研究工作并建立相應的驗證環(huán)境，將對VDL Mode 2的推廣應用提供有力的技術支持。

參考文獻

[1] 陳巖，董淑福，蔣磊.甚高頻數(shù)據(jù)鏈技術及其應用[J].科技信息，2008（10）：395?397.

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[9] 畢心安，張軍，樊衛(wèi)兵，等.VHF地空數(shù)據(jù)網(wǎng)在中國[J].國際航空，1995（12）：35?36.

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航空電信網(wǎng)（ATN）是未來航空通信的必然發(fā)展趨勢，它是基于OSI七層體系結構的航空專用網(wǎng)，在將來向航空電信網(wǎng)ATN的過渡中，能夠與現(xiàn)有ACARS網(wǎng)絡兼容是需要考慮的十分重要的一點。

VDL Mode 2是ATN網(wǎng)絡的主要空地通信方式之一，但在ATN實施過程中，一些地區(qū)和組織VDL Mode 2的實施可能先于ATN地面網(wǎng)絡，因此，工業(yè)上提出了VDL Mode 2服務兩步走的計劃[9]：

（1） 將當前的ACARS信息轉化為小型的VDL Mode 2（ACARS over AVLC，AOA）應用。即在ACARS網(wǎng)絡基礎設施下，將VDL Mode 2空地子網(wǎng)接入到ACARS網(wǎng)絡中。

（2） VDL Mode 2/ATN。在ATN網(wǎng)絡基礎設施下，將VDL Mode 2的空地移動子網(wǎng)接入到ATN網(wǎng)絡中?；赩DL Mode 2的ACARS組網(wǎng)協(xié)議的協(xié)議棧如圖4所示。

在ACARS網(wǎng)絡中，VDL Mode 2作為ACARS網(wǎng)絡的一種移動子網(wǎng)，承載著空地移動通信中的ACARS數(shù)據(jù)包。主要分為：

（1） ACARS應用子層：主要支持空中交通服務（ATS）和航務運行管理服務（AOC）；

（2） AOA及ACARS路由子層：將來自應用子層的消息封裝成AOA分組，并將上行消息路由到合適的機載子系統(tǒng)，或將下行消息路由到合適的地面系統(tǒng)；

（3） VDL Mode 2鏈路層子層，包括：鏈路管理實體（LME/VME），用于鏈路的建立、維護與切換；數(shù)據(jù)鏈服務子層（DLS），采用AVLC協(xié)議，是HDLC協(xié)議的子集；媒體接入控制（MAC）子層，采用CSMA接入機制；

（4） VDL Mode 2物理層。采用D8PSK方式，速率可達到31.5 Kb/s。

3 結 語

綜合考慮各種數(shù)據(jù)鏈模式的性能及特點，VDL Mode 2由于它對ACARS網(wǎng)絡的兼容性和對未來ATN網(wǎng)絡的無縫隙的結合而成為當前民航數(shù)據(jù)鏈技術的首選，我國也最終選擇VDL Mode 2作為下一代民航數(shù)據(jù)鏈，開展相關的研究工作并建立相應的驗證環(huán)境，將對VDL Mode 2的推廣應用提供有力的技術支持。

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VDL Mode 2是ATN網(wǎng)絡的主要空地通信方式之一，但在ATN實施過程中，一些地區(qū)和組織VDL Mode 2的實施可能先于ATN地面網(wǎng)絡，因此，工業(yè)上提出了VDL Mode 2服務兩步走的計劃[9]：

（1） 將當前的ACARS信息轉化為小型的VDL Mode 2（ACARS over AVLC，AOA）應用。即在ACARS網(wǎng)絡基礎設施下，將VDL Mode 2空地子網(wǎng)接入到ACARS網(wǎng)絡中。

（2） VDL Mode 2/ATN。在ATN網(wǎng)絡基礎設施下，將VDL Mode 2的空地移動子網(wǎng)接入到ATN網(wǎng)絡中?；赩DL Mode 2的ACARS組網(wǎng)協(xié)議的協(xié)議棧如圖4所示。

在ACARS網(wǎng)絡中，VDL Mode 2作為ACARS網(wǎng)絡的一種移動子網(wǎng)，承載著空地移動通信中的ACARS數(shù)據(jù)包。主要分為：

（1） ACARS應用子層：主要支持空中交通服務（ATS）和航務運行管理服務（AOC）；

（2） AOA及ACARS路由子層：將來自應用子層的消息封裝成AOA分組，并將上行消息路由到合適的機載子系統(tǒng)，或將下行消息路由到合適的地面系統(tǒng)；

（3） VDL Mode 2鏈路層子層，包括：鏈路管理實體（LME/VME），用于鏈路的建立、維護與切換；數(shù)據(jù)鏈服務子層（DLS），采用AVLC協(xié)議，是HDLC協(xié)議的子集；媒體接入控制（MAC）子層，采用CSMA接入機制；

（4） VDL Mode 2物理層。采用D8PSK方式，速率可達到31.5 Kb/s。

3 結 語

綜合考慮各種數(shù)據(jù)鏈模式的性能及特點，VDL Mode 2由于它對ACARS網(wǎng)絡的兼容性和對未來ATN網(wǎng)絡的無縫隙的結合而成為當前民航數(shù)據(jù)鏈技術的首選，我國也最終選擇VDL Mode 2作為下一代民航數(shù)據(jù)鏈，開展相關的研究工作并建立相應的驗證環(huán)境，將對VDL Mode 2的推廣應用提供有力的技術支持。

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