AIS (船舶自动识别系统Automatic Identification System)通信原理

参考：AIS国际标准解析和技术发展展望-2015.ppt
参考本校两个PPT：
第八讲-AIS系统.ppt
AIS_17 1 系统.pdf

AIS通信原理

• AIS通信模型
• • OSI 模型
  • 物理层
  • • 物理层主要功能
    • • 部分概念
      • 几个参数
  • 数据链路层
  • 网络层
  • 传输层
• AIS通信过程
• AIS通信协议
• • 时分多址技术的数据接入技术
• 自组织时分多址（SOTDMA）

AIS通信模型

分为四层：
物理层
数据链路层
网络层
传输层

OSI 模型

OSI-RM ISO/OSI Reference Model 高模型是国际标准化组织（ISO）为网络通信制定的协议，根据网络通信功能的要求，它把通信过程分为七层，分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，每层都规定了完成的功能及相应的协议。

层次模型：

上图是一套发射装置。AIS设备有两套接收装置、对应AIS1、AIS2。

物理层

物理层主要功能

• 发送比特流
• 同步，定时
• 功率控制
• 数据调制解调
• 数据编码
• 发射机原理

部分概念

• 传输介质：AIS1和AIS2
• 双信道运行：2个TDMA接收机分别在2个独立的频道上同时接收信息，同时，使用1个TDMA发射机在2个独立的频道上交替进行TDMA发射
• 带宽：25kH或12.5kHz。公海应采用25kHz的带宽，而在领海应根据当地权力机关的要求采用25kH或12.5kHz带宽。

几个参数

• 调制方案：最小移频键控（ GMSK/FM）
• 信道编码：不归零翻转编码，遇0电平变化
• 数据速率：9.6 kbitps±50PPM
• 对准序列：24比特的0和1交替组成

GMSK/FM调制

采用 GMSK/FM

调制基础参考樊昌信的《通信原理》
MSK是移频键控（FSK）的一种改进。
在移频键控中，每一码元的频率不变或跳变一个固定值，而两个相邻的频率跳变码元信号，其相位通常是不连续的。而MSK是FSK信号的相位始终保持连续变化的一种特殊方式，它由于移频小而且相位连续，因此频带利用率优于一般的FSK方式。GMSK将数字基带信号先经过一个高斯滤波器整形后进行调频，从而使功率谱高频分量滚降更快，降低带外辐射。

)

GMSK具体公式推导见GMSK调制与解调

信道编码

归零编码（RZ：Return-to-zero Code）：在 RZ 编码中，正电平代表逻辑 1，负电平代表逻辑 0，并且，每传输完一位数据，信号返回到零电平， 也就是说，信号线上会出现 3 种电平：正电平、负电平、零电平。

不归零编码（NRZ：Non-Return to Zero）：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”，低电平表示“0”，高电平表示“1”。

不归零翻转编码（NRZI：Non-Return to Zero Inverted）NRZI 用信号的翻转代表一个逻辑，信号保持不变代表另外一个逻辑。电平翻转代表逻辑 0，电平不变代表逻辑1（NRZI 遇 0 翻转，遇 1 不变）

信道编码方案无前向纠错和交织，无位扰
前向纠错知识：前向纠错和信道编码

参考：RZ,NRZ与NRZI编码

对准序列

对准序列：位同步码，或者比特同步码。作用是把收发两端时钟对准，使码位对齐，以给出每个码元的判决时刻。对准序列是由0、1交替的数码组成的一段信号，用NRZI（不归零翻转）编码，并以0作为对准序列的结束码。

数据链路层

数据

• 信息数据是真正所需传输的信息内容。它分为两个部分：信息标志和信息内容。
• 信息标志是用来表示信息类型、信息数量、优先级和路径的。
• 信息内容是通信双方所需求的数据，对于船舶自动识别系统而言，主要是指航行信息。

帧校验序列

• 由于脉冲噪音、白噪声和衰落等原因的影响，会使通信网络每次传送数据可能出现某种类型的错误。误码检测是任何数据通信网络的一个很重要的部分，误码检测技术是为了判断传送的数据是否有错误。
• AIS中数据传输运用的误码检测技术是循环冗余校验。循环冗余校验CRC（ Cyclic Redundancy Check）码是网络通信中用得最广泛的错误检测码，是一种漏检率低得多也便于实现的检错码。

缓冲区

• 缓冲区共有24比特长，它包括4比特的比特填充，12比特距离延迟，2比特转发器延迟以及6比特同步抖动。
• 比特填充：比特填充就是在输岀比特流中有超过5个连续的1，则要插入一个0。
• 距离延迟：为不同距离的电台发送的子帧提供保护时间。
• 转发器延迟：为双工转发器提供转换时间。
• 同步抖动。

网络层

作用
（1）信道管理，建立和保持信道连接
AIS工作信道为87B和88B，只能在下列情况下转换到其他信道上工作。

• 人工输入命令（人工转换）
• 基地台发来的TDMA命令（通过TDMA命令自动转换）
• 基地台发来的DSC命令（通过DSC命令自动转换）
  ◆缺省模式下，AIS同时在两个信道上接收信息，因此包括两个TDMA接收机。
  ◆信息的传输应该在两个信道上交替进行。

（2）确定报告速率
（3）解决信道阻塞问题

传输层

（1）将数据转换成适当大小的发射信息
（2）数据包排序
（3）为上一层提供连接协议

AIS通信过程

我们以最常用的A类型的AIS为研究对象进行讨论。AIS工作频段在航海VHF频段，国际电信联盟1997年无线电大会指定了161.975MHz(87B频道)和162.025MHz(88B频道)两个VHF频率作为AIS频道。系统采用两个TDMA接收机分别在这两个信道上同时接受信息，并通过一个TDMA发射机在这两个信道上交替发射信息(此处可以理解为两收一发，收信道分别接受两个频点信息，发信道通过两个频点交替发送AIS信息)。
就完成通信而言，一个无线电通信频道已经足够了，但是为了防止干扰和转换频道时造成的通信损失，每个AIS站均同时在两个频道进行收发。
AIS采用VHF频段，其通信覆盖距离与其他VHF设备一样，都是电波直线传播，天线的高度决定通信传播距离，在海上通常为20海里左右。在地面障碍物不高的情况下，视距上能看到AIS站的情况下，可以借助中继站，扩大通信范围。

（VHF意思是甚高频）
参考VHF、UHF的频率范围

时分多址概念

多址技术参考：
频分多址、时分多址、码分多址概念
频分多址、时分多址、码分多址、空分多址之间的区别区别

时分多址(TDMA)是把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），然后根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动台的信号而不混扰。同时，基站发向多个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。TDMA通信系统的信号传输分正向和反向传输，其中基站向移动台传输，常称正向传输或下行传输，移动台向基站传输，常称反向传输或上行传输。

简单举例，我们把频率资源想象成一个房间，如果这个房间里，某一时间让某一个人说话，下一时间段，让另一个人说话，就是时分多址.

下图是AIS-STDMA/ITDMA的原理。装备AIS的船只都是这个过程。
其中每个时隙代表26.6ms。提到的STDMA和ITDMA在之后详细介绍。

TDMA（时分多址）技术

在AIS网络中，一帧60s被分为2250个时隙，每个时隙长度为26.67ms。每个时隙可以发送一条256bit的信息，当信息长度大于256bit时，将占用2个或多个时隙。理论上在同一区域能同时容纳200-300艘船舶信息。当船只数大于系统容量时，远距离的目标就会被忽略，以此保证AIS系统对近距离目标的优先权。

200-300艘船舶信息：猜测是根据信道容量定义估算出来的。参考信息量，熵，互信息，信道容量等相关概念,和公式信息论的基本概念（信息量，自信息，条件熵，联合熵，互信息，条件互信息）

参考：AIS船舶自动识别系统原理

船舶发送信息的间隔

静态数据：电源开启2分钟，设备就可以恢复工作并发射船舶自身的静态数据。这些数据每6分钟重发一次，如有修正则随时发送。
动态数据：发射的时间间隔由船速和航向而定，具体见下表

航行数据：如船舶吃水、危险品、目的港和ETA（预计抵达时间）等航行有关的其他数据，每6分钟发送一次。
安全有关短信息：随时发送。

例子

（这个例子里的6s就是举例，不是动态报告数据时间间隔）
假定船舶平均6秒发射一次，即每分钟十次，一个区域的理论容量：
2250*2/10=450台站

这里为什么要乘一个2呢？
原因：VHF信道通常称为AIS1，AIS2，交替发射；AIS占用VHF 87B、88B两个频道

AIS中，每个台站使用限定的时隙发射，这种模式称为TDMA。AIS发射时隙采用UTC（世界协调时）同步，UTC从GNSS（全球导航卫星系统Global Navigation Satellite System）获得。

名词参考：
AIS系统中的UTC同步
gnss到底是什么呢

同步模式

同步是通信系统中一个十分重要的实际问题。通信系统能够有效、可靠的工作，很大程度上取决于有无良好的同步系统。AIS系统中重要的同步有UTC同步和时隙同步与帧同步。
世界协调时（UTC）同步是航海领域中非常关键的技术。在AIS系统中，站台之间通信的数据收发都依据UTC时间，主要时间源是GPS时间。

（1）UTC直接同步
能够直接访问UTC时间的站台，应通过设置使站台的同步状态与UTC保持同步。
由GNSS（ Global Navigation Satellite System全球卫星导航系统）提供。

（2）UTC间接同步
与已经和UTC同步的台同步。
一个站台若不能直接访问UTC时间，但能获得其他直接与UTC同步的站台的时间，应与那些站台进行同步，此时要将同步状态设置为UTC间接同步。AIS规定UTC间接同步只允许一次间接。

（3）与基站同步（间接或直接）
基站直接：与标识数最高的基站UTC同步
基站间接：与已经同步于基站的移动台同步
那些既不能与UTC直接同步，又不能获得间接UTC同步，但可以接收基站的发射的数据的移动站台，应该与接收站数最多并且在最近的40秒内有过两次报告被其他站接收的基站进行同步。与此基站一旦建立了同步，如果40秒内从此站接收的报告少于2次，则应当立即中断同步。

（4）与移动台同步
与MMSI最低的AIS站同步
MMSI：水上移动通信业务标识码（Maritime Mobile Service Identify）
如果一个台既不能与UTC直接同步，也不能与UTC间接同步，同时又不能接收到其他基站的信息，则此站应与其他移动台进行同步，所选择同步的移动台应该在接下来9帧的时间中有最多的站台接收到其信息，并且此移动台在40秒内至少曾有2次报告被其他台接收。

AIS通信协议

AIS系统采用的TDMA通信协议，系统运行时不停的检测TDMA信道的活动状态，根据信道的占用情况预约本台的发射时隙。

时分多址技术的数据接入技术

1. 自组织时分多址 SOTDMA
2. 增量时分多址 ITDMA
3. 随机时分多址 RATDMA
4. 固定时分多址 FATDMA

自组织时分多址接入(SOTDMA)、增量时分多址接入(ITDMA)、随机时分多址 接入(RATDMA)和固定时分多址接入(FATDMA) 4种不同的接入方式。

SOTDMA系列接入技术是RATDMA、ITDMA和SOTDMA三种多址接入技术的总称，是被AIS设备较早使用的一种时分多址通信技术。

其中，RATDMA体现了一种“随机性”，其用来为船站预留一个未预先对外宣布和不具有重复性的时隙。ITDMA体现了一种“预约性”，通常在自主和连续工作模式的第一帧阶段、临时变更报告频次阶段，预先发布安全相关电文时预约时隙。

（一）自组织时分多址SOTDMA

移动台在自主连续操作阶段使用，其信息具有重复特性，为数据链其它用户提供连续更新监督场景。

在自主和连续工作模式时，AIS系统使用SOTDMA接入AIS数据链路，这使其不依赖岸基系统支持就可以自己实现本船台站与外部通信等功能的正行运行。AIS系统通过SOTDMA自组织发送时隙，周期性的向外广播动态电文，为数据链路上的其他台站提供本船相关的动态、静态信息。

在将要接入数据链路时，通过对数据链路的监听一分钟，获取各个时隙的状态，建立本船站时隙表。在自主和连续模式工作阶段，通过接收、解析数据链路中其他船站发送电文的SOTDMA和ITDMA通信状态、基站的链路管理电文20来完成时隙状态表的更新。

AIS自组织通信算法

避免通信冲突：
开机时守听一分钟；
预留下一帧通信时隙。
解决通信冲突：
随机选取 3 - 8分钟的“超时值”；
主动时隙复用。

（二）增量时分多址ITDMA

通过代替分配SOTDMA的时隙或通过RATDMA分配一个新的未经预宣布的时隙进行发射。

在第一帧阶段划分时隙时、临时变更报告频次阶段、预先发布安全相关的电文时使用。ITDMA进入数据链路可以使用RATDMA预留尚未向外公布的时隙，也可占用SOTDMA算法已预约的发送时隙。AIS设备在开机后的第一帧阶段采用ITDMA进入AIS数据链路，为其后的自主和连续模式划分发送时隙。

使用ITDMA完成船站电文发送时，将ITDMA通信状态信息封装到电文中是至关重要的。ITDMA时隙划分功能的实现依托于电文的ITDMA通信状态信息。ITDMA通信状态信息包括：时隙偏置、时隙数目、保持标志。

开机首次进入数据链路时，需将RATDMA划分第一个发射时隙作为ITDMA的第一个发送时隙使用。在当前ITDMA时隙发射之前，船舶随机地选择下个后随的ITDMA发射时隙，并计算与当前时隙的相对偏置，将时隙偏置添加到ITDMA通信状态中。接收到的船站应将该时隙偏置标示的这一时隙标划分为外部占用时隙，上述时隙的划分的过程按要求延续。在最后的ITDMA发送中，时隙偏置被置为零，标识本次ITDMA划分过程已终结。

（三）随机接入时分多址RATDMA

当电台需要分配一个未经预宣布的时隙时使用。

在船站需要预留一个未预先对外宣布和不具重复性的时隙时使用。此算法通常用于AIS网络进入阶段和发送非重复电文阶段。例如AIS设备在首次进入网络或应答基站询问时，均是采用RATDMA技术获得发送时隙，接入到AIS数据链路中。

（四）固定接入时分多址FATDMA

只有基地台和控制台能使用，在已分配的时隙中发射重复信息。
不重要，不详细说了。

RATDMA、ITDMA和SOTDMA参考：

A类AIS数据接入技术

自组织时分多址（SOTDMA）

进入TDMA网络的AIS设备一般采用自组织的时分多址（SOTDMA）协议进行工作，采用这个方式传输的AIS设备可以自主解决发射冲突，自主接收其他台站的信息。

特点

通过分析SOTDMA的原理，我们可以得出它的特点：

(1)网络的自组性。 自组织网络可以在任何时刻任何地点同时产生多个网络环境支持移动协同计算，不需要基站支持。
(2)动态的拓扑结构。 由于网络中的节点可以任意速度和任意方式移动，节点间通过无线信道形成的网络拓扑结构可以随时发生变化。
(3)分布式控制网络。 网络各节点没有重要和次要之分，从而可以防止一且控制中心被破坏而引起的全网瘫痪的危险。

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