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新興海事數據服務引領無線通訊解決方案改變
[作者 CML Microsystems]   2018年03月13日 星期二 瀏覽人次: [2126]


自動識別系統(Automatic Identification System,AIS)被採納的主要原因是防止避免商業海事船舶受到碰撞,同時也已經得到立法的支持和推動。由於此一系統的成功現今需要支援更廣泛的海上數據傳輸而承受越來越大的壓力,因而也促成了VHF數據交換系統(VHF Data Exchange System,VDES) 的開發。在VDES上運行的服務所需要的數據頻寬遠比原始AIS收發器能支援的要高,因此這也意味著從AIS到VDES之間會有一段過渡期。


為滿足持續衍生和發展的目標,並同時保持AIS的完整性,VDES對設備製造商帶來了許多技術上的挑戰,並且需要能夠不斷演進的無線電設計。而軟體無線電(Software-Defined Radio,SDR)因本身具備的可配置性,是足以因應這些挑戰的技術。


VDES在海事領域迅速興起

於2002年推出的AIS避免碰撞系統,是現行的海事定位標準。最初,強制船隻安裝AIS是為了維護海上的生命安全(Safety of Life at Sea,SOLAS),但目前AIS變得越來越普及,已經部署在捕魚船隊、內陸航運和休閒船隻等範圍更廣的領域。伴隨著船舶部署數量的增加,系統所承受的壓力也越來越大,需要支援諸如導航(Aids to Navigation, AtoN)、專用資訊(Application Specific Messages, ASM)、搜索和救援發射機(Search and Rescue Transmitter, SART)、人員落水(Man Over-Board, MOB)設備和EPIRB-AIS等其他應用。AIS技術的擴展應用導致VHF數據鏈路(VHF Data Link,VDL)的負載顯著增加,已成為國際海事組織 (International Maritime Organisation,IMO) 和國際電信聯盟 (International Telecommunication Union , ITU)主要的關注點。


針對這種情況,國際海洋航行輔助導航和燈塔協會 (International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities, IALA) 最初開發了VHF數據交換系統 (VDES) 的概念,隨後被國際電信聯盟、國際海事組織和其他機構採用。透過IALA和國際電聯的持續努力,並憑藉一些現場試驗的支援,在2015年世界無線電通訊大會 (World Radio Communication Conference in 2015, WRC15) 上通過了VDES國際標準。本次會議還批准對海事頻段無線電頻譜的分配進行必要修改,以便利用地面頻道實現VDES部署的第一階段,預期在WRC19上將確定所需的衛星頻譜分配。


ITU-R M.2092-0 (10/2015)文件中包含的VDES完整規格詳細說明了所有VDES兼容系統必須滿足的嚴格要求。這些要求的主要目標是:


‧ 確保海事頻段無線電頻譜的高效使用


‧ 透過系統滿足日益增長的數據和語音需求


‧ 提供比AIS更高的數據速率


‧ 優化數據的通訊協議,以便每個VDES消息都能以高可靠性接收傳輸


圖1為VDES系統和頻道分配的大致情況。



圖1 : VDES頻道計劃圖(ITU-R M.2092-0)。
圖1 : VDES頻道計劃圖(ITU-R M.2092-0)。

VDES提出的設計挑戰

基於上述要求,任何VDES系統的設計必須解決許多挑戰,其中包括:


‧ 需要7個接收器來同時處理不同的VDES業務類型—AIS / ASM / VDE / DSC。


‧ 系統必須優先考慮AIS通道。


‧ VDES設計基於地面和衛星通訊,因此系統必須處理這兩種情況的頻譜使用。


‧ 該系統必須支援各種調製和25 kHz到100 kHz的各種頻寬。


‧ 必須支援多種模式,包括自主模式,分配模式和輪詢模式。


此外,VDES標準仍在不斷發展,從現今到2021年,預計VDES將經歷四個實施階段,如圖2所示。因此,任何系統都必須能夠在進行多次升級、發布新版本和性能提升時,對現有功能的影響降至最低。未來新版本可能會改變調製和載波頻率等波形參數,並可能在VDES推出時引入額外之通道。預計在WRC 19項決議通過之後,將可以確定衛星協議,之後系統將需要再次修改以整合這些協議。



圖2 : VDES發展路線圖 (source:IALA指南G1117-VHF數據交換系統(VDES)概述2.0版 2017/12)。
圖2 : VDES發展路線圖 (source:IALA指南G1117-VHF數據交換系統(VDES)概述2.0版 2017/12)。

最後,在許多情況下,VDES將推出用於改裝運營中船舶的AIS系統,因此在可用的實體空間和功率方面會受到一些限制。為了大幅降低AIS到VDES的遷移成本,這些因素將需要審慎考量。


SDR的特性

軟體無線電(SDR)專業術語首次出現在20世紀90年代中期,此種無線電技術的其中一些或全部物理層功能(例如混頻器、濾波器、放大器、調製器/解調器和檢測器) 可以透過軟體定義。軟體無線電最初是從軍事應用發展而來,現已成為主導的行業標準,從軍事領域的戰術無線電到手機,幾乎所有的無線電都採用SDR。軟體無線電已經應用在訊號情報 (SIGINT)、電子戰、測試和測量、公共安全通訊、頻譜監測和軍事通訊(MILCOM) 等各個領域,因此,這種技術部署在VDES等海事應用中並不奇怪。


SDR的主要特性是能夠支援不同的波形,其中波形是指所有參數 (例如載波頻率、數據速率、調製、編碼等) 具有特定值的訊號。此外,同樣重要的是,可以透過修改SDR的軟體或固件來支援不同的波形,而不需要改變任何硬體。這些特性在應用於VDES系統的設計時具有明顯的優勢,其中包括:


‧ 固有的可重新編程能力;在極端情況下,軟體無線電可能會重新編程以實現從未預料到的功能。在當前VDES環境下,標準正在不斷演進,在未來幾年內,部署路線圖會要求實現多個版本發布和功能更改,因而SDR是一種理想選擇。


‧ 妥善設計的SDR系統可以確保系統不受未來標準和要求任何變化之影響。


‧ 新的無線特性和功能可以添加到現有的無線電系統,而無需增加新的硬體。


‧ SDR技術成本相對較低。


綜上所述,SDR技術提供了一種高效且成本相對較低的解決方案,允許透過軟體升級來提高多模、多頻和/或多功能無線設備的性能。這項技術非常適合VDES系統的設計。


將SDR應用於VDES的挑戰

提升到VDES系統的過程中能夠帶來龐大的商機,有超過100,000艘SOLAS船隻在改裝期間注定要升級到VDES。而且,由於其他小型船隻需要透過安裝VDES設備來提升安全性和整體操作性,預計這個數字還會增加。


因此,海事系統設計人員需要快速掌握一個能夠在VDES生命週期內支援他們的平台,從而可以隨著VDES技術路線圖的進展而實現升級以及支援更高的靈活性。例如,可用的平台將能夠使他們參與正在進行的研究和現場試驗,還必須滿足成本、尺寸和功耗等配置VDES的其他要求。


VDES1000最近由CML Microcircuits發布,它是CML Microcircuits協同技術合作夥伴Stone Three Venture Technology密切合作所開發。兩家公司都深入參與了IALA工作團隊,致力於開發和支援海事VDES標準。CML在提供整合航海解決方案方面有著悠久的歷史,而Stone Three則在開發尖端的數位訊號處理 (DSP) 解決方案方面擁有超過15年的經驗,使得VDES1000在此一領域成為強而有力競爭者。



圖3 : CML VDES1000模組。
圖3 : CML VDES1000模組。

VDES1000是一款基於SDR技術的客製化設備,它依據ITU-R M.2091-0 (+,1) VDES規格從頭設計。該模組可現場升級,支援軟體更新,能夠適應未來海事VDES標準的變化,確保VDES整個生命週期的未來發展。模組整體佔位面積很小,使設計人員能夠不受改裝時的空間限制,透過直覺的API可實現完整的存取和控制,並支援快速系統整合。


結語

由於現有的AIS系統需要更換,VDES的持續開發和推出帶來了許多商業機會。與此同時,VDES系統的設計在滿足嚴格的規格要求,以及適應新標準的發展方面還存在許多技術挑戰。SDR技術支援多種波形,允許重新編程以支援推動VDES開發路線圖所造成的改變,因而非常適合因應這些設計上的挑戰。


隨著VDES研究和現場試驗的持續演進,取得合適的平台如CML的VDES1000,將加速此一新興技術的開發和利用,進一步支援SOLAS和海事產業。


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