VDES通信技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)*

姚治萱

一、引言

VDES（VHF Data Exchange System，甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)）由AIS2.0（Automatic Identification System，船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）概念發(fā)展而來(lái)，2013年由ITU（International Telecommunication Union，國(guó)際電信聯(lián)盟）和IALA（International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities，國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì)）共同確立VDES概念[1]。

VDES是在現(xiàn)有AIS通信技術(shù)基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步滿足IMO（International Maritime Organization, 國(guó)際海事組織）主導(dǎo)的e-航海戰(zhàn)略船-船、船-岸間數(shù)據(jù)交換需要而開(kāi)發(fā)的海上寬帶數(shù)字通信系統(tǒng)。VDES系統(tǒng)包括AIS業(yè)務(wù)、ASM（Application Specific Message，專用報(bào)文）業(yè)務(wù)和VDE（VHF Data Exchange, VHF數(shù)據(jù)交換）業(yè)務(wù)三種業(yè)務(wù)類(lèi)型[2]，并得到了IMO的積極認(rèn)可[3]。

2015年11月，ITU在WRC15（World Radio Conference 2015，2015世界無(wú)線電大會(huì)）上批準(zhǔn)了陸基VDES系統(tǒng)頻譜方案建議，并計(jì)劃在2019年的WRC19上批準(zhǔn)VDES衛(wèi)星通信部分頻譜方案建議，從而全面制定VDES技術(shù)特性國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)?；诖?，目前世界各個(gè)海運(yùn)強(qiáng)國(guó)積極投入VDES相關(guān)技術(shù)的研究，我國(guó)多個(gè)海上通信技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)也積極投入這一系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究中。

IMO將VDES通信系統(tǒng)確定為e-航海戰(zhàn)略中主要通信方式之一，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，VDES必將在船-船、船-岸之間海上安全信息交換領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用空間，有效促進(jìn)智能船舶、無(wú)人駕駛船舶和智能航運(yùn)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)國(guó)際航海領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

二、VDES技術(shù)發(fā)展路線

VDES計(jì)劃從2013年至2021年完成涵蓋三類(lèi)業(yè)務(wù)的VDES臺(tái)站設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)制定，為VDES各類(lèi)臺(tái)站設(shè)備開(kāi)發(fā)、性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、VDES系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)測(cè)試等提供確定的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，IALA確定的VDES標(biāo)準(zhǔn)制定路線圖如圖1所示。

在ITU組織的WRC15大會(huì)批準(zhǔn)VDES地面系統(tǒng)技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，計(jì)劃在2019年的WRC19大會(huì)上全面批準(zhǔn)VDES衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)方案，并計(jì)劃在2020年提交VDES性能標(biāo)準(zhǔn)提案至IMO MSC委員會(huì)和NCSR分委會(huì)討論確定，期望在2021年或2022年通過(guò)VDES全面推廣決議，為VDES全面推廣應(yīng)用奠定政策和技術(shù)基礎(chǔ)。

VDES系統(tǒng)一旦進(jìn)入推廣應(yīng)用階段，配合e-航海戰(zhàn)略和GMDSS現(xiàn)代化等戰(zhàn)略的實(shí)施，其必將引起海上各類(lèi)數(shù)字業(yè)務(wù)服務(wù)的變革，對(duì)海上業(yè)務(wù)發(fā)展、保障船舶航行安全、保護(hù)海上環(huán)境、提高航運(yùn)效率都具有十分重要的意義。

圖1 VDES系統(tǒng)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)制定路線圖

三、VDES技術(shù)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)

1.VDES系統(tǒng)技術(shù)框架

（1）VDES系統(tǒng)總體技術(shù)框架

VDES系統(tǒng)總體技術(shù)框架包括5方面，如圖2所示，分別為船站設(shè)備、岸基設(shè)備、VDE衛(wèi)星空間段、VDE衛(wèi)星地面段、海上信息服務(wù)中心。

圖2 VDES系統(tǒng)總體技術(shù)框架圖

基于上述組成，未來(lái)VDES系統(tǒng)中包括的設(shè)備也具有多種類(lèi)型，包括單一AIS業(yè)務(wù)類(lèi)型設(shè)備、AIS+ASM業(yè)務(wù)類(lèi)型設(shè)備、AIS+ASM+地面VDE業(yè)務(wù)類(lèi)型設(shè)備、VDE岸站設(shè)備、VDE衛(wèi)星載荷及VDE衛(wèi)星地面控制設(shè)備。

（2）VDES臺(tái)站設(shè)備總體技術(shù)架構(gòu)

所有VDES終端設(shè)備中，包括空基VDES載荷設(shè)備，都需要具有上述設(shè)計(jì)的物理通信信道，同時(shí)能夠兼容第一代AIS系統(tǒng)。因此，基本的VDES臺(tái)站設(shè)備總體技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 VDES臺(tái)站設(shè)備總體技術(shù)架構(gòu)圖

由于VDES終端設(shè)備包含多個(gè)不同帶寬、不同調(diào)制解調(diào)模式的收發(fā)信道，其調(diào)制解調(diào)模式、接入方式都按照自組織算法進(jìn)行自適應(yīng)信號(hào)處理。

同時(shí)，IALA推薦了VDES臺(tái)站基本技術(shù)架構(gòu)。在VDES臺(tái)站基本技術(shù)架構(gòu)中，就VDES接收機(jī)而言，需要至少4種類(lèi)型的接收信道，包括：現(xiàn)有基于GMSK的AIS1和AIS2，基于其他數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)模式ASM1和ASM2，基于新的調(diào)制解調(diào)模式的50千赫信道，基于新的調(diào)制解調(diào)模式的100千赫信道。

同時(shí)，發(fā)射部分也分別與此相對(duì)應(yīng)。

目前，比較推薦基于軟件無(wú)線電的超寬帶采樣射頻結(jié)構(gòu)，并基于數(shù)字濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)各信道的分.和信號(hào)提取，以實(shí)現(xiàn)多并行接收信道的數(shù)據(jù)處理功能方案。

2.VDES關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)VDES系統(tǒng)技術(shù)框架和各類(lèi)型臺(tái)站設(shè)備，除頻譜方案屬政策層面問(wèn)題外，其他如信道管理技術(shù)、收發(fā)信機(jī)技術(shù)、多信道自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)技術(shù)、多算法聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)及衛(wèi)星載荷技術(shù)等都是VDES技術(shù)核心關(guān)鍵技術(shù)，需要逐一攻克，才能研制穩(wěn)定、可靠、符合標(biāo)準(zhǔn)的VDES臺(tái)站設(shè)備和系統(tǒng)。

（1）信道管理技術(shù)

基于現(xiàn)有的VDES頻譜方案，VDES涵蓋三種業(yè)務(wù)、九種類(lèi)型的信道，這些信道調(diào)制解調(diào)方式不同，帶寬不同，接入系統(tǒng)的機(jī)制不完全一樣，各類(lèi)業(yè)務(wù)同時(shí)并發(fā)機(jī)制和傳輸優(yōu)先級(jí)也不一樣。因此，設(shè)計(jì)前向兼容、協(xié)調(diào)、優(yōu)化的信道數(shù)據(jù)并發(fā)機(jī)制和信道管理模式是當(dāng)前VDES標(biāo)準(zhǔn)制定和設(shè)備研制過(guò)程中的核心關(guān)鍵問(wèn)題之一。

就并發(fā)作業(yè)機(jī)制而言，VDES具有多類(lèi)信道，存在不同信道同時(shí)接收數(shù)據(jù)和發(fā)射數(shù)據(jù)的情況，同時(shí)，考慮到前向兼容原有AIS業(yè)務(wù)，其發(fā)射過(guò)程中與其他信道數(shù)據(jù)通信的沖突會(huì)更加嚴(yán)重，因此，需重點(diǎn)研究和設(shè)計(jì)不同業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)協(xié)調(diào)解調(diào)機(jī)制和多信道并發(fā)機(jī)制[4]。

另外，由于VDES信道需要并發(fā)作業(yè)，信道管理和信道切換將更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)一種合理的信道間切換和管理算法也十分必要。

（2）自適應(yīng)數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)

現(xiàn)有的AIS系統(tǒng)采用了GMSK調(diào)制解調(diào)模式，在25千赫信道上提供9.6比特率數(shù)據(jù)傳輸速率[5]。而在設(shè)計(jì)的VDES系統(tǒng)增加了如三、1節(jié)所述的多種業(yè)務(wù)和不同的調(diào)制解調(diào)技術(shù)。

為保證在單位載頻上獲得更高的通信速率，VDES采用的數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)已十分成熟，且完全不同于GMSK模式。在當(dāng)前的物理信道技術(shù)設(shè)計(jì)中，ITU建議采用基于自適應(yīng)信道檢測(cè)技術(shù)的自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)技術(shù)，為不同信道環(huán)境情況下的VDES信道和臺(tái)站選擇不同的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，該技術(shù)使原有AIS研制機(jī)構(gòu)需整體調(diào)整VDES臺(tái)站設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)，攻關(guān)這一關(guān)鍵技術(shù)。

（3）VDES聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)

當(dāng)前正在設(shè)計(jì)的VDES系統(tǒng)共涉及三類(lèi)六項(xiàng)業(yè)務(wù)信道，分別為兩項(xiàng)AIS信道、兩項(xiàng)ASM信道和兩項(xiàng)VDE信道，未來(lái)還可能進(jìn)一步擴(kuò)展獨(dú)立的衛(wèi)星VDE信道。除AIS信道鏈路組網(wǎng)模型、算法較為確定外，ASM和VDE信道還需要進(jìn)一步研究更高效的鏈路組網(wǎng)方案，具體需要研究：①以ASM信道為導(dǎo)頻的VDE信道高效組網(wǎng)技術(shù)；②ASM與VDE信道自組織時(shí)隙管理算法與模型；③區(qū)別于adhoc的有限多跳VDE通信協(xié)議和最優(yōu)算法；④VDES不同業(yè)務(wù)信道用戶容量與性能。

（4）基于軟件無(wú)線電的VDES收發(fā)信機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

VDES收發(fā)信機(jī)涉及多個(gè)信道并行處理，高速寬帶信號(hào)采樣、窄帶數(shù)字濾波、自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)技術(shù)、信號(hào)質(zhì)量評(píng)估、弱信號(hào)檢測(cè)、SPOC（片上處理系統(tǒng)，System Process On Chipset）基帶芯片等都是基于軟件無(wú)線電的VDES收發(fā)信機(jī)的重點(diǎn)研究技術(shù)。

（5）數(shù)據(jù)交換協(xié)議技術(shù)

在以上VDES臺(tái)站設(shè)備研究、接入技術(shù)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，不同臺(tái)站設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換協(xié)議和電文格式需要重新設(shè)計(jì)，其不同于過(guò)去AIS中ITU-R M.1371-5附錄8所定義的256 bit時(shí)隙電文。在VDES中，幀結(jié)構(gòu)由子幀、超時(shí)隙、二進(jìn)制時(shí)隙和時(shí)隙組成；除數(shù)據(jù)速率增加外，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加了更為復(fù)雜的同步字、鏈路識(shí)別ID、FEC糾錯(cuò)編碼、CRC校驗(yàn)、填充、引導(dǎo)字等內(nèi)容，使數(shù)據(jù)交換協(xié)議處理技術(shù)更加復(fù)雜。

另外，當(dāng)前AIS采用了簡(jiǎn)單的自定義HDLC數(shù)據(jù)幀格式，在VDES高速數(shù)字通信過(guò)程中，國(guó)際相關(guān)研究機(jī)構(gòu)正在研究論證能否采用基于現(xiàn)有通用尋址技術(shù)的TCP/IP數(shù)據(jù)交換協(xié)議。如果采用，其無(wú)線路由協(xié)議和移動(dòng)IP技術(shù)在自組織VDES系統(tǒng)中是否適用，是否需要完善，都是VDES數(shù)據(jù)交換協(xié)議技術(shù)領(lǐng)域的重要議題。

（6）衛(wèi)星VDES系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

在VDES設(shè)計(jì)框架中，衛(wèi)星VDE占據(jù)著重要地位，所有信道都與衛(wèi)星VDE相關(guān)，因此，針對(duì)衛(wèi)星VDE系統(tǒng)，需要重點(diǎn)研究包括但不限于如下三方面關(guān)鍵技術(shù)：①衛(wèi)星VDES系統(tǒng)多信道復(fù)用衛(wèi)星載荷技術(shù)；②衛(wèi)星VDES系統(tǒng)信道間抗干擾和數(shù)據(jù)沖突技術(shù)；③衛(wèi)星VDES系統(tǒng)增值服務(wù)和推廣機(jī)制研究。

其中，衛(wèi)星載荷是衛(wèi)星VDES系統(tǒng)的核心，信道抗干擾和數(shù)據(jù)沖突技術(shù)是衛(wèi)星載荷的技術(shù)關(guān)鍵，并涉及衛(wèi)星VDES天線技術(shù)。而增值服務(wù)與推廣機(jī)制則直接關(guān)系到各個(gè)國(guó)家未來(lái)的利益，需要重點(diǎn)研究應(yīng)對(duì)措施。

四、VDES技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

如前所述，VDES技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一旦確定并正式發(fā)布，將引起海上數(shù)字通信相關(guān)業(yè)務(wù)的變革，對(duì)海上安全信息交換、智能船/無(wú)人船應(yīng)用發(fā)展等領(lǐng)域的發(fā)展都具有重要意義和極大的促進(jìn)作用。

1.VDES在船岸安全信息服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

VDES技術(shù)研究的主要目的是保障船舶航行安全。自2016年至今，e-航海戰(zhàn)略發(fā)展受海上數(shù)字通信技術(shù)的限制，多項(xiàng)海上安全信息服務(wù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)被擱置，如船舶報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)、海上安全信息服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、來(lái)自岸基信息的統(tǒng)一協(xié)調(diào)顯示標(biāo)準(zhǔn)等。因此，隨著VDES技術(shù)的成熟和推廣應(yīng)用，海上船舶航行安全信息交換的瓶頸將被突破，從而使該領(lǐng)域進(jìn)入快速發(fā)展軌道。

岸基對(duì)船舶的安全信息服務(wù)進(jìn)入新的階段。為保障船舶航行安全，沿岸國(guó)具有提供沿海水域航標(biāo)助航服務(wù)、安全航行信息服務(wù)（如航警、搜救、冰況等信息）、水文氣象服務(wù)、海圖更新服務(wù)等，而這些信息之前多通過(guò)硬介質(zhì)（如紙質(zhì)、光盤(pán)等）進(jìn)行更新，部分通過(guò)衛(wèi)星提供服務(wù)，致使信息更新不及時(shí)，影響船舶航行安全。隨著VDES技術(shù)的推廣應(yīng)用，將徹底解決這些問(wèn)題。船舶到達(dá)相關(guān)區(qū)域后，岸基VDES系統(tǒng)會(huì)輔助岸基服務(wù)系統(tǒng)根據(jù)船舶航行區(qū)域自動(dòng)更新和推送上述各類(lèi)船舶航行安全信息，使船舶快速、自動(dòng)、實(shí)時(shí)獲取相關(guān)航行安全數(shù)據(jù)，保障船舶航行安全。

2.VDES在船船信息交換領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

VDES技術(shù)的推廣應(yīng)用會(huì)從根本上改變當(dāng)前通過(guò)AIS僅了解船舶單一位置的現(xiàn)狀，使船舶之間能夠進(jìn)一步了解各自航行意圖，從而在避碰作業(yè)中防止誤判。同時(shí)，VDES技術(shù)支持更多的船船之間信息播發(fā)，使船舶間使用直接、明確的文字進(jìn)行簡(jiǎn)單的溝通，解決當(dāng)前海上航行區(qū)域船員之間語(yǔ)言不統(tǒng)一、表達(dá)不清晰而引起的安全問(wèn)題。

3.VDES在智能船/無(wú)人船領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

衛(wèi)星通信無(wú)法支持實(shí)時(shí)的船-船通信，VDES技術(shù)是當(dāng)前海上已知的唯一的數(shù)字通信系統(tǒng)。因此，VDES技術(shù)及其后續(xù)技術(shù)將會(huì)在智能船/無(wú)人船領(lǐng)域占據(jù)舉足輕重的作用，特別是對(duì)無(wú)人船在復(fù)雜海域中航行具有重要價(jià)值和意義。隨著智能經(jīng)濟(jì)的到來(lái)，智能船/無(wú)人船技術(shù)蓬勃發(fā)展，VDES技術(shù)的成熟應(yīng)用和推廣將進(jìn)一步促進(jìn)智能船/無(wú)人船的應(yīng)用。

五、結(jié)論

VDES技術(shù)是第二代海上數(shù)字通信技術(shù)，是IMO主導(dǎo)的e-航海戰(zhàn)略核心通信方式，對(duì)海上航行安全、海上經(jīng)濟(jì)發(fā)展及智能船/無(wú)人船的實(shí)踐應(yīng)用都具有重要的意義和促進(jìn)作用。因此，在當(dāng)前VDES技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定階段，研究VDES關(guān)鍵技術(shù)，了解VDES應(yīng)用趨勢(shì)可吸引更多產(chǎn)業(yè)力量和資源進(jìn)入VDES技術(shù)領(lǐng)域，這對(duì)促進(jìn)我國(guó)海上技術(shù)發(fā)展，推進(jìn)我國(guó)海上成果國(guó)際化，發(fā)展海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略具有十分重要的意義。