新兴的海事数据服务预示着无线通信解决方案的改变

winniewei 提交于 周四, 03/08/2018
新兴的海事数据服务预示着无线通信解决方案的改变

自动识别系统(AIS)主要因商业海事船舶出于避免碰撞的目的而采纳,也已经得到立法的推动。然而,这种系统的成功现在却需要支持更广泛的海上数据传输,因而正在承受越来越大的压力,这导致开发了VHF数据交换系统(VDES)。在VDES上运行的服务所需要的数据带宽远比原始AIS收发器能支持的要高,因此这也预示着会有一段从AIS到VDES的过渡期。对于设备制造商而言,满足VDES新出现的和不断发展的目标,同时保持AIS的完整性带来了许多技术挑战,需要一种能够不断演进的无线电设计。软件定义无线电(SDR)因其固有的可配置性,是一种可以适应这些挑战的技术。

VDES在海事领域迅速兴起

AIS于2002年作为避免碰撞系统推出,是现行的海事定位标准。最初,AIS只是强制用于海上生命安全(SOLAS)船只,但目前AIS已变得越来越普及,已经部署在捕鱼船队、内陆航运和休闲船只等范围更广的领域。伴随着船舶部署数量的增加,系统所承受的压力也越来越大,需要支持诸如导航(AtoN)、专用信息(ASM)、搜索和救援发射机(SART)、人员落水(Man Over-Board,MOB)设备和EPIRB-AIS等其他应用。AIS技术的扩展应用导致VHF数据链路(VDL)负载的显著增加,这已成为国际海事组织(IMO)和国际电信联盟(ITU,国际电联)的一个主要关注点。

针对这种情况,IALA(国际海洋航行辅助导航和灯塔协会)最初开发了VHF数据交换系统(VDES)的概念,随后被国际电信联盟、国际海事组织和其他机构采用。通过IALA和国际电联的持续工作,并凭借一些现场试验的支持,在2015年世界无线电通信大会(WRC15)上通过了VDES国际标准。本次会议还批准对海事频段无线电频谱的分配进行必要修改,以便利用地面频道实现VDES部署的第一阶段,预期在WRC19上将确定所需的卫星频谱分配。

ITU-R M.2092-0(10/2015)文件中包含的VDES完整规范详细说明了所有VDES兼容系统必须满足的严格要求。这些要求的主要目标是:

  • 确保海事频段无线电频谱的高效使用
  • 通过系统满足日益增长的数据和语音需求
  • 提供比AIS更高的数据速率
  • 优化数据的通信协议,以便每个VDES消息都能以高可靠性接收传输

图1给出了VDES系统和频道分配的大概情况。

 图1:VDES频道计划图(ITU-R M.2092-0)。

 

图1:VDES频道计划图(ITU-R M.2092-0)。

VDES提出的设计挑战

基于上述要求,任何VDES系统的设计必须解决许多挑战,其中包括:

  • 需要7个同时的接收器来处理不同的VDES业务类型 - AIS / ASM / VDE / DSC
  • 系统必须优先考虑AIS通道
  • VDES设计基于地面和卫星通信,因此系统必须处理这两种情况下的频谱使用。
  • 该系统必须支持各种调制和从25 kHz到100 kHz的各种带宽。
  • 必须支持多种模式,包括自主模式,分配模式和轮询模式

此外,VDES标准仍在不断发展,从现在到2021年,预计VDES将经历四个实施阶段,如图2所示。因此,任何系统都必须能够进行多次升级、新版本发布和提高,同时对已有功能的影响降至最低。未来新版本可能会改变调制和载波频率等波形参数,并可能在VDES推出时引入额外的通道。在预期中的WRC 19决议之后,卫星协议将可以确定,之后系统将再次需要修改以整合这些协议。

图2:VDES发展路线图(来源:IALA指南G1117 - VHF数据交换系统(VDES)概述2.0版 - 2017年12月)。

图2:VDES发展路线图(来源:IALA指南G1117 - VHF数据交换系统(VDES)概述2.0版 - 2017年12月)。

最后,在很多情况下,VDES将推出用于改装处于运营中船舶AIS的系统,因此在可用的物理空间和可用功率方面会受到一些限制。为了最大限度地降低从AIS到VDES的迁移成本,这些因素将需要认真考虑。

SDR的特性

软件定义无线电(SDR)这个术语首次出现在20世纪90年代中期,它所描述的是这样一种无线电技术,其中一些或全部物理层功能(例如混频器、滤波器、放大器、调制器/解调器和检测器)可以通过软件定义。软件定义无线电最初是从军事应用发展而来,现在已成为占主导的行业标准,从军事领域的战术无线电到手机,几乎所有的无线电都采用SDR。 软件定义无线电已经应用在信号情报(SIGINT)、电子战、测试和测量、公共安全通信、频谱监测和军事通信(MILCOM)等各个领域,因此,这种技术部署在VDES等海事应用中并不奇怪。

SDR的主要特性是能够支持不同的波形,其中波形是指所有参数(例如载波频率、数据速率、调制、编码等)具有特定值的信号。此外,同样重要的是,可以通过修改SDR的软件或固件来支持不同的波形,而不需要改变任何硬件。这些特性在应用于VDES系统的设计时具有明显的优势,其中包括:

  • 固有的可重新编程能力;在极端情况下,软件定义无线电可能会重新编程以实现从未预料到的功能。在当前VDES环境下,标准正在不断演进,在未来几年内,部署路线图要求实现多个版本发布和功能更改,因而SDR是一种理想选择。
  • 仔细设计的SDR系统可以确保系统不受未来标准和要求任何变化的影响。
  • 新的无线特性和功能可以添加到现有的无线电系统,而无需增加新的硬件。
  • SDR技术成本相对较低。

综上所述,SDR技术提供了一种高效且成本相对较低的解决方案,允许通过软件升级来提高多模、多频和/或多功能无线设备的性能。这项技术非常适合VDES系统的设计。

将SDR应用于VDES的挑战

向VDES的过渡能够带来重大的机遇,有超过100,000艘SOLAS船只在改装期间注定要升级到VDES。而且,由于其他小型船只需要通过安装VDES设备来提升其安全性和整体操作性,这个数字预计还会增加。

因此,海事系统设计人员需要快速掌握一个能够在VDES生命周期内支持他们的平台,从而可以随着VDES技术路线图的进展而实现升级和支持更高的灵活性。例如,可用的平台将能够使他们参与正在进行的研究和现场试验,还必须满足成本、尺寸和功耗等VDES部署的其他要求。

VDES1000最近由CML Microcircuits发布,它是CML Microcircuits通过与技术合作伙伴Stone Three Venture Technology紧密合作而开发。两家公司都深入参与了IALA工作组,致力于开发和支持海事VDES标准。CML在提供综合航海解决方案方面有着悠久的历史,而Stone Three则在开发尖端的数字信号处理(DSP)解决方案方面拥有超过15年的经验,这使得VDES1000成为该领域的强有力竞争者。

图3:CML VDES1000模块。

图3:CML VDES1000模块。

VDES1000是一款基于SDR技术的定制设备,它依据ITU-R M.2091-0(+,1)VDES规范从头设计。该模块可现场升级,支持软件更新,能够适应未来海事VDES标准的变化,确保VDES整个生命周期的未来发展。该模块整体占位面积很小,使设计人员能够满足改装时的空间限制,通过直观的API可实现完全访问和控制,并支持快速系统集成。

结束语

由于现有的AIS系统需要更换,VDES的持续开发和推出带来了许多商业机会。与此同时,VDES系统的设计在满足规范的严格要求,以及适应新标准的发展方面还存在许多技术挑战。SDR技术支持多种波形,允许重新编程以支持由VDES开发路线图推动的标准变化,因而非常适合应对这些设计挑战。

随着VDES研究和现场试验的继续进行,获得CML的VDES1000等合适的平台将加快这一新兴技术的开发和利用,从而进一步支持SOLAS和海事产业。

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