ACARS四种模式简介

ACARS四种模式简介
陆空特高频数位链路（VDL）的四种模式
【航空通讯主要是指航机和地面端的航管单位或航空公司的陆空双向通讯，或是地面端各单位之间的地对地通讯。

目前航空通讯的方式主要包括：语音（Voice）通讯与数据（Data）通讯两种。

然而，不论陆空或地对地的语音和数据通讯，都面临容量饱和、传输速度太低、可靠性/安全性不佳的瓶颈，国际民航组织（International Civil Aviation Organization, ICAO）针对这个问题提出新一代航空通讯的架构：航空通信网路（Aeronautical Telecommunication Network, ATN），应用新的通讯技术和作业方式，以满足未来航空通讯的需求。

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陆空特高频数位链路（VDL）
特高频数位链路（VHF Digital Link, VDL）是国际民航组织（ICAO）为因应航空业界对陆空通讯的成长需求，以解决传统模拟式陆空通讯瓶颈，在ATN通讯网路架构下，所研议的陆空数字通讯方式。

VDL不仅符合ATN航空数据链路通讯的规范，更可以提供非ATN （Non-ATN）的数字链路功能，如：陆空数字化语音（Digitized V oice）、空对空数字数据链路等。

所以，ICAO定义VDL为”VHF Digital Link”，而不是”VHF Data Link”，就是强调VDL 不仅仅是提供数据链路（Data Link）而已，还提供其它的数字链路功能。

目前ICAO研发的VDL总共有四形式（Mode）：VDL Mode 1 ~ 4。

此四种形式，使用不同的通讯技术和规范，提供不同的通讯服务，虽然都遵循ATN Sub-network的通讯规范，但彼此间却仅有有限的互通性。

VDL MODE 1
VDL Mode 1和ACARS相同，其使用频率为：118Mhz ~ 137MHz，波道频宽为：25KHz，通讯电波是采用调幅-最小位移（Amplitude Modulated - Minimum Shift Keying. AM-MSK）的调制方式。

此种方式是以1200Hz表示数据位（Data Bit）和前一位不同，
2400Hz表示数据位和前一位相同；两种高低频率的相位保持固定。

此种调制方式和现有模拟式语音无线电机兼容，也就是数据信号可以直接输入现有的通讯设备中传输，而接收端也可以用现有设备接收数据信号，再加以解调，以取得真正的数据。

AM-MSK的调制方式的数据传输率非常低，仅有2.4KBPS（Bit-Per-Second），加上不佳的通讯路径存取技术（Media Access Technique）和共享频宽的特性，使其真正的传输率还要更低，所以，VDL Mode 1并无法满足改善通讯容量的需求。

但是，由于使用现有且纯熟的通讯技术，加上ACARS的使用经验，使VDL Mode 1成为一种可行且强固的通讯方式。

VDL Mode 1和VDL Mode 2原来是准备作为ACARS的升级之用。

其中，VDL Mode 2是主力，而VDL Mode 1是备胎，以便VDL Mode 2技术上遭遇困难时，仍有数字数据链路通讯技术可用。

但目前VDL Mode 2已通过ICAO的认证，所以VDL Mode 1将不在发展和认证。

VDL MODE 2
VDL Mode 2的使用频率为：118Mhz ~ 137MHz，波道频宽为：25KHz，通讯电波是采用调相-差分编码八相位移（Phase Modulation - Differentially Encoded 8-Phase Shift Keying, PM-D8PSK）的调制方式。

八相位移是指每一周期的电波，由于其相位的不同，如：0°、45°、
90°、135°等，可以代表八种不同的数据位片段（Data Bit Pattern）中的一种，如：相位0°=”000”、相位45°=”001”、相位90°=”010”等。

由于一周期为360°，由8各相位平均分配，所以每一个相位，由0°开始，相隔45°。

由于VDL Mode 2传输端和接收端电波信号的相位并没有同步，也就是接收端不知道电波信号每一周期的开始点，既0°点，所以也无法得知电波信号的相位移。

为解决此一问题，VDL Mode 2采用差分编码的技术，也就是利用每一个电波信号和前一个信号的相位差，来计算该信号的真正相位移，再决定其所表示的数据位片段。

VDL Mode 2的电波传输率是10.5KBPS，而每一电波代表3个数据位，所以其数据传输率为31.5KBPS。

VDL Mode 2的通讯路径存取方式是采用信号侦测多重存取（Carrier Sense Multiple Access, CSMA）技术。

此种技术是当每一次传送数据时，先检查通讯波道是否有数据正在传输；如果无，则立即传送数据，如果有，则等一下再检查。

CSMA可以确保使用同一通讯波道的所有使用者有公平的使用机会，但也蕴含着没有优先级的观念和通讯时间不定的缺点，如：飞航管制（ATC）的讯息和旅客的讯息一起争夺同一波道的通讯权。

如此，不仅重要的讯息可能被延误，通讯的时效性也无法掌握。

要解决CSMA的缺点，一种可行的方法是划定几个通讯波道专门给重要或具时效性的讯息使用。

但是此一方式会降低整体的通讯效能，在VHF通讯拥挤的地区，如：中欧空域，恐怕无法实行。

VDL Mode 2的优点在于1997通过ICAO认证，各项作业标准已经完成，同时航空通讯服务厂商（DSP），如：ARINC和SITA，也开始建置相关的通讯基础建设，可以很快的开始运作。

而其缺点在于无法提供优先级的通讯服务，可能无法满足安全性要求较高的飞航管制方面的应用；此外，CSMA的通讯路径存取方式也造成较差的整体通讯效能。

VDL MODE 3
VDL Mode 3同时提供ATN数据传输和数字语音两种通讯服务。

它每一个波道频宽为25KHz，其中划分成四个独立了逻辑通讯频道，每一个频道均可传输数据或语音。

VDL Mode 3最大的特点是用一部无线电机就可以同时提供数据和语音的收发服务。

VDL Mode 3的使用频率为：118Mhz ~ 137MHz，波道频宽为：25KHz，通讯电波，和VDL Mode 2相同，是采用调相-差分编码八相位移（Phase Modulation - Differentially Encoded 8-Phase Shift Keying, PM-D8PSK）的调制方式。

但通讯路径存取方式是采用由地面端所控制的分时多重存取（Time Division Multiple Access, TDMA）技术，以改善CSMA所造成的整体通讯效能不佳的缺点。

TDMA通讯路径存取方式，就是将一个通讯波道，按时间划分成许多时间片段，各个使用者将其讯息放入不同的时间片段中传输，如此同一通讯波道就可以让许多不同的使用者共享，同时所传输的讯息也不会互相干扰。

VDL Mode 3的TDMA首先定义120ms为一数据框（Frame），其中再划分成每个30ms的四个时间格（Time Slot）。

每一时间格中又包括两个次频道（Sub Channel），其中一个次频道，约10ms，负责传送管理数据，如：地面站的
指令或同步信号，而另一个次频道，约20ms，则负责传输使用者数据或语音。

VDL Mode 3的数据传输率和VDL Mode 2相同，均为31.5KBPS。

VDL Mode3的数据格式
空中端的使用者想要传输讯息时，必须先向地面端的通讯站申请时间格，而地面端的通讯站会根据讯息的优先级、通讯网路的负载状况、通讯流量等因素，指定使用者一个时间格，以便传输讯息。

VDL Mode 3的语音服务，首先将模拟的语音转换成4.8KBPS的数字化位数据，再加上错误侦测和回复（Error Detection and Correction）数据，然后送入通讯波道中传输。

此外，它还提供语音频道的管制功能，使地面端的通讯站可以切断空中端的语音传讯，而改由地面端来传讯，此种管制功能是一般传统的语音通讯无法做到的。

VDL Mode 3的优点是整合数据和语音服务于一部无线电机之中；运用TDMA技术以支持具时效性的应用，并改善整体通讯效能。

而其缺点则在于数据和语音在同一部无线电机中，缺乏备援，也增加设计的困难度和成本；数字语音处理技术属于私人所有，增加制造商授权时间和制作成本。

VDL MODE 4
VDL Mode 4是由瑞典民航局于1994年提出的数字数据链路。

原设计主要应用于导航（Navigation）和监视（Surveillance）所需的陆空/空空实时数据链路通讯，如：ADS-B、空对空数据链路通讯、地对空GPS修正讯息（GPS Argumentation Message）等。

目前国际民航组织（ICAO）正研拟VDL Mode 4的扩充规范，以便涵盖ATN
的通讯规范。

因此，新的VDL Mode4 不仅符合ATN航空数据链路通讯的规范，也提供非ATN（Non-ATN）的数字链路功能。

VDL Mode 4的使用频率为：118Mhz ~ 137MHz，波道频宽为：25KHz，通讯电波可以选用两种调制方式，其中一种和VDL Mode 2相同，是采用调相-差分编码八相位移（Phase Modulation - Differentially Encoded 8-Phase Shift Keying, FM-D8PSK）的调制方式；而另一种是调频-高斯滤波频率移（Frequency Modulation –Gaussian-Filtered Frequency Shift Keying, FM-GFSK）。

FM-GFSK 使用高低两种频率，当一个数据位”0”传输时，高低频率交互变化，而数据位”1”时，则不变。

当频率高低改变时，GFSK利用Gaussian 滤波器将频率变化率降低，以较平顺的方式完成频率转换，以降低通讯波道频宽的需求。

PM-D8PSK的料传输率为：31.5KBPS，而FM-GFSK为：19.2KBPS。

虽然PM-D8PSK有较高的数据传输速度，但FM-GFSK却有较佳的信号鉴别率（Desired/Undesired Signal Ratio, DUR），而此项特性对导航和监视方面的应用比较重要。

VDL Mode 4的通讯路径存取方式是采用由使用者自行控制的自主性分时多重存取（Self-Organizing Time Division Multiple Access, STDMA）技术。

STDMA 和TDMA相同，就是将一个通讯波道，按时间划分成许多时间片段，各个使用者将其讯息放入不同的时间片段中传输，如此同一通讯波道就可以让许多不同的使用者共享，同时所传输的讯息也不会互相干扰。

但TDMA必须在数据传输的时间片段间加入控制信息，以确保使用者可以在正确的时间点接收或传送数据；而STDMA不论地面端或空中端的使用者，共同以同一时间源作为同步，以绝对的时间点作为存取通讯波道中时间片段的依据，如此通讯波道可以纯粹传
送资料，不必另外加上同步讯号，以提高通讯容量。

VDL Mode 4的STDMA首先定义1分钟为一巨数据框（Superframe），其中再划分成4500个时间格（Slot, GFSK），每一个使用者保有一幅某一通讯波道下四分钟时间格的占用状况图。

当使用者要传输数据时，先参考时间格占用图以取得可用的时间格，再
进行传输。

由于时间格很短，对比较大量的数据传输或需要多次来回的通讯规范，STDMA也提供预约功能，使用者可以根据时间格占用图保留时间格，并以讯息通知其它使用者，以便未来使用。

STDMA中使用者的共同时间标准是：国际标准时间（Co-ordinated Universal Time, UTC），而UTC的来源包括：GPS时间、原子钟时间、或地面站透过其它通讯路径所提供的时间等。

VDL Mode 4的优点在于整体通讯的弹性，不仅能提供A TN和Non-ATN 数据链路通讯，还支持具时效性的应用功能，同时还能整合ADS-B和其它空对空的通讯应用；在四种VDL Modes中，提供最完整的通讯涵盖和弹性。

而其缺点在于整合通讯和监视功能容易引起备援的问题；另一方面STDMA必须完全倚重外来的时间源，容易造成单点失效（Single Point Failure）的问题。

VDL 通讯形式比较
VDL Mode 2 ~ 4数据格式的比较
由于VDL的四种通讯形式各有其应用领域，因此在技术上无法直接作比较。

但再另一方面，美国联邦航管当局（FAA）和欧盟航管当局（Eurocontrol）航空数据链路相关的测试和实验计划中，均采用VDL Mode 2作为陆空数据链路的通讯方式，而未采用FAA自己研发的VDL Mode 3；同时，根据ARINC的预估，到2005年时，单单是美国将有37家航空公司的4,487架航机配置VDL Mode 2的通讯设备。

所以未来VDL Mode 2应该比其它VDL的通讯方式有更好的发展机会。