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新兴海事数据服务引领无线通讯解决方案改变
[作者 CML Microsystems]   2018年03月13日 星期二 浏览人次: [2714]


自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)被采纳的主要原因是防止避免商业海事船舶受到碰撞,同时也已经得到立法的支持和推动。由於此一系统的成功现今需要支援更广泛的海上数据传输而承受越来越大的压力,因而也促成了VHF数据交换系统(VHF Data Exchange System,VDES) 的开发。在VDES上运行的服务所需要的数据频宽远比原始AIS收发器能支援的要高,因此这也意味着从AIS到VDES之间会有一段过渡期。


为满足持续衍生和发展的目标,并同时保持AIS的完整性,VDES对设备制造商带来了许多技术上的挑战,并且需要能够不断演进的无线电设计。而软体无线电(Software-Defined Radio,SDR)因本身具备的可配置性,是足以因应这些挑战的技术。


VDES在海事领域迅速兴起

於2002年推出的AIS避免碰撞系统,是现行的海事定位标准。最初,强制船只安装AIS是为了维护海上的生命安全(Safety of Life at Sea,SOLAS),但目前AIS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,需要支援诸如导航(Aids to Navigation, AtoN)、专用资讯(Application Specific Messages, ASM)、搜索和救援发射机(Search and Rescue Transmitter, 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(VHF Data Link,VDL)的负载显着增加,已成为国际海事组织 (International Maritime Organisation,IMO) 和国际电信联盟 (International Telecommunication Union , ITU)主要的关注点。


针对这种情况,国际海洋航行辅助导航和灯塔协会 (International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities, IALA) 最初开发了VHF数据交换系统 (VDES) 的概念,随後被国际电信联盟、国际海事组织和其他机构采用。透过IALA和国际电联的持续努力,并凭藉一些现场试验的支援,在2015年世界无线电通讯大会 (World Radio Communication Conference in 2015, 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完整规格详细说明了所有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


· 透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


· 优化数据的通讯协议,以便每个VDES消息都能以高可靠性接收传输


图1为VDES系统和频道分配的大致情况。



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

基於上述要求,任何VDES系统的设计必须解决许多挑战,其中包括:


· 需要7个接收器来同时处理不同的VDES业务类型AIS / ASM / VDE / DSC。


· 系统必须优先考虑AIS通道。


· VDES设计基於地面和卫星通讯,因此系统必须处理这两种情况的频谱使用。


· 该系统必须支援各种调制和25 kHz到100 kHz的各种频宽。


· 必须支援多种模式,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,从现今到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在进行多次升级、发布新版本和性能提升时,对现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叁数,并可能在VDES推出时引入额外之通道。预计在WRC 19项决议通过之後,将可以确定卫星协议,之後系统将需要再次修改以整合这些协议。



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

最後,在许多情况下,VDES将推出用於改装运营中船舶的AIS系统,因此在可用的实体空间和功率方面会受到一些限制。为了大幅降低AIS到VDES的迁移成本,这些因素将需要审慎考量。


SDR的特性

软体无线电(SDR)专业术语首次出现在20世纪90年代中期,此种无线电技术的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) 可以透过软体定义。软体无线电最初是从军事应用发展而来,现已成为主导的行业标准,从军事领域的战术无线电到手机,几??所有的无线电都采用SDR。软体无线电已经应用在讯号情报 (SIGINT)、电子战、测试和测量、公共安全通讯、频谱监测和军事通讯(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援不同的波形,其中波形是指所有叁数 (例如载波频率、数据速率、调制、编码等) 具有特定值的讯号。此外,同样重要的是,可以透过修改SDR的软体或固件来支援不同的波形,而不需要改变任何硬体。这些特性在应用於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,软体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,部署路线图会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。


· 妥善设计的SDR系统可以确保系统不受未来标准和要求任何变化之影响。


· 新的无线特性和功能可以添加到现有的无线电系统,而无需增加新的硬体。


· 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,允许透过软体升级来提高多模、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应用於VDES的挑战

提升到VDES系统的过程中能够带来庞大的商机,有超过100,000艘SOLAS船只在改装期间注定要升级到VDES。而且,由於其他小型船只需要透过安装VDES设备来提升安全性和整体操作性,预计这个数字还会增加。


因此,海事系统设计人员需要快速掌握一个能够在VDES生命周期内支援他们的平台,从而可以随着VDES技术路线图的进展而实现升级以及支援更高的灵活性。例如,可用的平台将能够使他们叁与正在进行的研究和现场试验,还必须满足成本、尺寸和功耗等配置VDES的其他要求。


VDES1000最近由CML Microcircuits发布,它是CML Microcircuits协同技术合作夥伴Stone Three Venture Technology密切合作所开发。两家公司都深入叁与了IALA工作团队,致力於开发和支援海事VDES标准。CML在提供整合航海解决方案方面有着悠久的历史,而Stone Three则在开发尖端的数位讯号处理 (DSP) 解决方案方面拥有超过15年的经验,使得VDES1000在此一领域成为强而有力竞争者。



图3 : CML VDES1000模组。
图3 : CML VDES1000模组。

VDES1000是一款基於SDR技术的客制化设备,它依据ITU-R M.2091-0 (+,1) VDES规格从头设计。该模组可现场升级,支援软体更新,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。模组整体占位面积很小,使设计人员能够不受改装时的空间限制,透过直觉的API可实现完整的存取和控制,并支援快速系统整合。


结语

由於现有的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系统的设计在满足严格的规格要求,以及适应新标准的发展方面还存在许多技术挑战。SDR技术支援多种波形,允许重新编程以支援推动VDES开发路线图所造成的改变,因而非常适合因应这些设计上的挑战。


随着VDES研究和现场试验的持续演进,取得合适的平台如CML的VDES1000,将加速此一新兴技术的开发和利用,进一步支援SOLAS和海事产业。


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