AIS系统通信可靠性分析

AIS系统通信可靠性分析
1概述
船舶自动识别系统（Automatic Identification System）概念诞生于20世纪信息与经济全球化的90年代后期，是集现代通信、网络和信息技术于一体的多门类高科技新型助航系统。

随着AIS技术的广泛应用，有效促进了海上综合交通运输业的发展和航海保障能力的提高。

AIS是当前国际海事组织（IMO）、国际航标协会（IALA）、国际电联（ITU）等国际组织力推的一种用于海上通信与导航的设备。

它的使用无疑将会对航海技术的发展起到巨大的推动作用。

AIS作为一种通信导航系统也和其它通信系统一样，通信链路的容量将直接影响系统的性能。

众所周知，通信链路的容量是限的，当通讯信道发生负载较重或过载情况时，AIS系统的通信可靠性将受到影响，甚至威胁航行安全。

这是一个关系到 AIS系统使用的重要问题，有必要对其进行深入的研究。

下面将从链路容量与时隙冲突等方面对AIS系统的通信可靠性进行分析。

2链路容量与过载分析
由于AIS系统采用自组织的时分多址（TDMA）通信方式，因此它能同时处理的发射台数量是容易计算的。

假设每个台具有相同的报告率r，每分钟等效为一组时隙gs，那么，链路的标准负载就定义为gs/r。

如果链路上的台数超过这个数就称为过载。

在AIS系统中，实际情况要比上述复杂。

首先我们需把报告率进一步区分为名义报告率和净报告率，名义报告率的定义是每分钟发射报告的数量，净报告率的定义是某个接收台每分钟实际接收到的报告数量。

显然，由于时隙复用或无线电干扰，净报告率是一个变化的数，并且小于等于名义报告率。

下面再提出一个重要的概念--链路净吞吐量，它的定义是净报告率与名义报告率的比值，这是一个标志链路“可见度”的重要参量。

根据AIS系统的调制方案、自组织方案和时隙复用方案，我们来分析在不同链路负载情况下的链路净吞吐量。

首先假设所有工作的AIS设备均匀地分布在海面上，而一个接收台（Rx）又居于分布的中心位置，如图1所示。

将接收台（Rx）的作用范围分为三区（A1，A2 和 A3）。

A1区称为混淆区，它是从d到d/2的浅灰色环形区。

由于该区内大部分发射台不能自组织，所以时隙复用情况会经常发生，因而造成了该区的混淆。

随着链路负载的增加，时隙复用也会增加，这就导致了链路净吞吐量的下降，从而导致了混淆程度的加重。

A2区称为半混淆区，它是从d/2到d/3的深灰色环形区。

由于该区内的时隙复用可能被区分、也可能不能区分，所以混淆现象也是存在的。

但当一个发射台从d/2处向d/3方向移动时，它在接收机（Rx）处的链路净吞吐量将不断增加。

A3区称为保护区，它是半径为d/3的圆形区。

在这个区域中，所有AIS 设备是自组织的。

时隙复用将发生在被2d/3区以外的设备公用，这样在接收机（Rx）处总是可以分辨出A3区的发射台。

因此A3区的链路净吞吐量为100%，也就是说在A3区每一个发射台在（Rx）处的净报告率等于名义报告率。

图1
利用计算机仿真，计算出不同链路负载情况下的链路净吞吐量，如表1所示。

从表中的数据可以看出，A3区总是可见的；而A1区随着链路负载的增加，能见度下降；A2区则介于两者之间。

下面以链路负载达到700%为例，简要分析一下船舶的可见情况。

假设所有船舶的报告率都是每分钟6次，则在一个基站的覆盖范围（d）中有5250艘船。

由于A1区不可见，所以该基站的接收范围收缩了一半为 d/2，可见船舶为总数的25%，即1312艘船。

在这些船中，583艘位于A3区，是完全可见的，而位于A2区中的船是时见时不见，它们的跟踪实时性将下降。

表1
尽管在上述分析中我们做了一些假设，而实际的AIS系统因天线高度不同、发射功率不同、报告率不同以及无线电干扰等因素会更加复杂，但我们还是可以概括出一些普遍性的结论。

AIS系统采用的自组织TDMA方案具有自动处理链路过载的能力。

当链路过载时，系统的作用的距离将逐步减小，但不会引起系统的崩溃。

AIS 的这个特性说明它能很好地支持海上观察与监视功能，可以相信AIS的通信可靠性；
AIS系统具有调节其覆盖范围内链路吞吐量的能力。

近处的目标可以被全部捕获，而随着距离的增加，跟踪目标的实时性变差，直至开始出现目标丢失。

这个特性是理想的，因为在实际航行中近处船对本船的碰撞威胁要大于远处船，所以我们更关心近处船的运动情况。

3时隙冲突率仿真分析
3.1仿真统计指标
本次仿真重点考察了AIS信道系统容量与时隙冲突率的关系，其中，系统容量是指一定区域内船只总数，时隙冲突率是指在整个仿真时间内对所有冲突时隙的统计平均，这里定义的时隙冲突率是指每一分钟（帧）上的冲突时隙与这一帧上的总的时隙数的比值。

3.2仿真参数设置
理想电磁环境；
每帧时隙数为4500个；
报告率：4或8次/分钟；
船只数目由20～200递增；
基站保护时隙数：35个时隙；
基站数：1个；
仿真时间：3小时（当船只数为150，仿真时间为120分钟，船数200时，仿真时间为180分钟）。

3.3仿真方法
仿真按照TDMA协议，建立相应的数学模型，通过OPNET编程实现。

通过改变系统中的两个重要的参数来进行仿真。

保持系统的“船只数目”不变，改变每分钟报告率；
保持系统的“每分钟报告率”不变，改变船只数目。

3.4仿真结果
仿真结果如图2所示，其中横坐标表示船只的数目，纵坐标表示时隙冲突率。

图2
由图2可以看出随着系统船只数目的增加，系统的时隙冲突率随之不断增加，并且，在相同的船只数目的条件下，报告率的增加也将导致系统的时隙冲突率的增加。

当船只数增加到150时，系统的时隙冲突率骤然增加，这是因为AIS协议规定船只初次入网的时隙必须在150号时隙内选择，故，当所有船只同时启动时，必然出现船只重复选用时隙，所以导致系统的时隙冲突率骤然增加，但此情况在实际使用中一般不会出现。

3.5仿真结果分析
根据AIS标准与设备实际使用情况，一般条件下Class A船台（SOTDMA）报告率为6次/分钟，Class B船台(CSTDMA)报告率为1次/3分钟，ATON设备（RATDMA）报告率为1次/分钟。

假设单台基站覆盖范围内存在的Class A船台、Class B船台、ATON 设备数量分别为200、300、300，那么它们每一分钟的时隙占用数为1600（时隙占用率=35%），即：相当于200（船只数）X8（报告率Rr）。

由图2
可以看出此时的时隙冲突率约为5.7％，由此可以计算出：在一分钟内单台AIS设备单次发射失败的概率=4500X5.7％/1600/(200+100+300)=0.0267%；
故：单次发射成功率为99.9733％。

4外场电测试验分析
2010年3月，在上海吴淞港进行了一次AIS系统时隙占用率的测试。

AIS接收设备天线架高为30米，稳定接收距离约25海里。

将一周时间的测试数据进行统计：在不同时段的1分钟接收时间内，接收船舶数量较多时约为250艘，接收船舶数量较少时约为80艘。

我们以信道负载较重的某1分钟的数据来计算时隙占用率。

根据测试数据显示，接收船数为248艘，实际接收到的报文数量为826条，由于所接收到的报文中有些报文占用时隙数大于等于2个，经统计实际时隙占用量为1140个。

故，这1分钟的时隙占用率为:1140/4500=25.33％。

如果在此条件下加装300套ATON设备（报告率为1次/分钟），那么，这1分钟的时隙占用数为1140+300=1440，故，这1分钟的时隙占用率为: 1440/4500=32％。

由以上数据可计算此时的时隙冲突率，计算方法如下：
1分钟内时隙占用数=1440=180（船只数）X8（报告率Rr）；
根据图2，可得出这1分钟的时隙冲突率约为4％；
故，在此条件下AIS系统仍能保证很高的通信成功率。

5结论
综上所述，我们可对AIS系统的通信可靠性概括出以下结论。

AIS系统采用的自组织TDMA方案具有自动处理链路过载的能力；
AIS系统具有调节其覆盖范围内链路吞吐量的能力；
AIS系统采用的TDMA组网协议能够保证各AIS设备间很高的通信成功率；
在目前的AIS系统中大规模加装ATON设备，不会对现有AIS系统造成影响。