AIS国际标准解析和技术发展展望-2015

ITU 1371协议解析
ITU-R M.1371提出了AIS技术特性标 准，包括：将比特流传输到数据链的物 理层；特性参数；带宽参数、发射媒体 ；频带宽度；收发特性；调制方案；数 据发射速率；同步序列；数据编码；前 向纠错；交错、比特倒频；数据链读出 ；发射机稳定时间；发射功率；关机程 序。
AIS协议分类
wenku.baidu.comITU协议组
规定了AIS系统的总体要求 ITU-R M 1371 98 ITU-R M 1371-1 01 ITU-R M 1371-2 06
ITU-R M 1371-3 07
ITU-R M 1371-4 10 ITU-R M 1371-5 14 四个协议的改进之处在于对协议的一 些细节上的完善和报文种类的增加。
• 分隙的概念最早起源于夏威夷大学的ALOHA网络。 • 使用时隙可以提高信道利用率。 • 使用时隙可以将数据传输的吞吐率提高一倍。
A B C D E
无时隙网络中,完全任意地发送帧
数据链服务（DLS）
• （1） • （2） • （3）
数据链的激活和释放； 数据发送 错误检测与控制
ITU 1371协议历史
到1997年,SAAB、ROSS和MDS三家公司均开发出了各自的 SOTDMA技术,并应用在各自的AIS系统中。 以上三家公司的SOTDMA技术各有优点,但是商业竞争阻碍了 生产厂商之间的技术合作。直到1997年,Ross公司的总裁Ross Norsworthy先生,将其SOTDMA专利(在瑞士进行了国际专利注册) 免费特许给了国际电信联盟。随后由Ross Norsworthy先生倡议 MDS、SAAB和ROSS三家公司一起在佛罗里达离ROSS公司不远的假 日酒店召开了一次会议。Ross Norsworthy先生在会议上建议三 家公司应把彼此间的分歧放在一边,共同合作起草一份能体现最 好技术的国际标准,该标准将融合三家技术上的优点,以利于提 高国际海事安全。他的观点被其他两方接受,随后共同工作的结 果便是国际电信联盟认可的关于AIS的新的技术标准ITU—R M.1371。
AIS相关国际标准体系 ITU 1371-5协议
近年来AIS技术的改进和发展 AIS的发展演进
ITU 1371协议历史
SOTDMA是“自组织时分 多址”的英文首字母缩写。 这个名字最早由瑞典学者 Hakan Lans提出并使用,用以 描述自组织时分复用传输系 统。可以举一个最简单的例 子来描述SOTDMA：十个人各 使用一个麦克风,而且每个人 都希望和其余每一个人通话 ,SOTDMA就是实现这项功能的 一种有效方法,可以使每个人 彼此之间都能自由地同时交 流。
AIS通信主体
• 基站 • 船台
– Class A – Class B
• SOTDMA通信模式 • CSTDMA通信模式
• AIS航标 • AIS搜救相关 • AIS转发台站
工作模式
l 自主和连续模式：采用这种模式的台站应能自 行确定其位置信息的发射时间安排，并自动解决 与其他台站在发射时间安排上的冲突。 l 指定模式：采用管理部门的基地台或转发台所 指定的发射时间表。包括报告速率的指定和发射 时隙的指定。 l 轮询模式：自动回应船台或管理部门的询问。 轮询模式的运行不应和其他两种模式的运行发生 冲突，回应信息的发射在接收到的询问信息的频 道上进行。
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海事通信与导航技术研究室
基本概念：层次模型
• 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 该模型是国际标准化组织（ISO）为网 络通信制定的协议，根据网络通信的功能要求，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。
ITU-R M 1371-5的最新改动： 1、降低信道负荷，减少时隙冲突几率。在报文 中加入了转发计数位，避免报文反复转发造成 的时隙冲突；对6号和8号报文的二进制信息进 行数据位定义，以提高报文利用效率；压缩 AIS短信息播发的最大长度，在非FDTDMA的 情况下，AIS短消息连续占用时隙最大值由5个 降低到3个。
1371协议的演进
2、21号报文增加了扩展的航标名称位，将 AIS航标的名称字符数由20个增加到最多 34个。
1371协议的演进
ITU-R M 1371-5的最新改动： 3、完善了AIS的功能。增加了23号组指派命令报 文、24号静态数据报文、25号单时隙二进制报 文、26号含通信状态的多时隙二进制报文、27 号大量程AIS报文；在21号报文中增加了扩展 的航标名称位，将AIS航标的名称字符数由20 个增加到最多34个，大大缓解了AIS航标名称 长度过短的问题。
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：遇0电平变化 ������ □数据速率：9.6kbitps +/- 50PPM ������ □对准序列：24比特的0和1交替组成 ������ □无前向纠错和交织，无位扰
调制方式
采用GMSK/FM。 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是 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。
AIS主要国际标准介绍
AIS相关国际标准体系 ITU 1371-5协议
近年来AIS技术的改进和发展 AIS国际标准的演进
AIS相关标准组织
• ������ • ������
–
IMO：国际海事组织 ITU：国际电信联盟
WRC:世界无线电通信大会
• ������ • ������
IEC：国际电工委员会 IALA：国际航标协会
• 时分多址－－在一个无线频道上，按时间分割为若干个时隙，每个 信道占用一个时隙，在规定的时隙内收发信号。
• 码分多址－－采用扩频通信技术，每个用户具有特定的地址码，利 用地址码相互之间的正交性（或准正交性）完成信道分离的任务。
1371协议的演进
ITU-R M 1371-4的相对1371-4版本的主要变化 有： 1、在数据帧中加入了通信状态位。包含同步状 态和时隙相关信息。 2、在报文中加入了转发计数位，初始状态位为1 或2。当报文被转发站转发后，该位+1，当该 位等于3时，报文将不再被转发。该机制可以 避免报文反复转发造成的时隙利用效率的急剧 下降。
三 大 组 织
监管者：对船舶使用AIS及 AIS设备的要求做官方规定 定义者：对AIS的通信性 能标准定义并修正 标准执行者：对AIS通信设 备具体功能、性能制定标准
MSC，Maritime Safety Committee
ITU-R
AIS其他相关标准协议
串口协议、TCP/IP、CSMA、802.3、HDLC、 IGMP、RIP 、OSPF
链路层 作用：打包数据，适应错误检测和正确的数据传输。 • • • • 2.3.1 媒介存取控制（MAC） 1. TDMA同步： (1)直接同步UTC (2)间接同步UTC
• 如果设备不能直接获取 UTC, 但能接收到其他采用 UTC 直接计时的台站，则应调到与这些台站同步。
• (3)同步于基地台
Recommendation ITU-R M.1371-4
• 1371建议书的第5版 • 2012年2月推出全称为《在VHF海事通信频段上基于TDMA的AIS 系统技术特性 》
多址方式分类
• 在无线通信中，为保证许多用户同时进行通信，以不同的方式分隔 无线信道，防止相互干扰的技术方式称为多址方式。 • 频分多址－－以频率来区分信道。
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 发射机管理
物理层的参数
符号
参数名
PH.RFR
PH.CHS PH.AIS 1 PH.AIS 2
区域频率MHZ
信道间隔KHz AIS信道1（CH87B） AIS信道2（CH88B）
层次模型
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 信道A 信道B
链路管理实体 （LME）层
数据链路服务 （DLS）层 媒质接入控制 （MAC）层 物理层 Rx A Tx A/B
链路层LME
链路层DLS 链路层MAC 物理层 Rx B
AIS设备有两套接 收装置、对应 AIS1和AIS2 一套发射装置
Rx：接收机；Tx：发射机
1371协议的演进
3、对6号和8号报文的二进制信息进行详细 的定义，以提高数据利用效率。 4、增加了对报文7、报文13、报文17和报 文22的描述。 5、增加了23号组指派命令报文、24号静态 数据报文、25号单时隙二进制报文、26 号含通信状态的多时隙二进制报文、27 号大量程AIS报文。
1371协议的演进
1371协议的演进
ITU-R M 1371-5的最新改动： 3、调整了AIS的性能参数。增加AIS卫星专用信道，包
括75 频道（156.775MHz）和 76 频道（156.825MHz） ，AIS船台的发射机增加在四个信道切换的能力，大量 程AIS报文每三分钟在两个新增频道上轮流发送，以保 证每个频道每六分钟使用一次，AIS船台不要求具备新 频段的接收能力；取消了12.5K的带宽模式，以简化 AIS传输控制机制并降低AIS台站的制造成本；对 AISSART 收发信机性能、物理层参数、信道接入方式等 进行了规范。
• 发射机功率 • ������ 2种标称功率：2W和12.5W • ������ 缺省高功率
发射机稳定时间
• 发射机 RF 启动时间：为 TX-ON 信号后， RF 功率达到正常电平的 80% 时（稳定状 态）时间。故在 TX-ON 信号后，发射机 RF启动时间将不能超过1ms。 • 发射机 RF 释放时间：从 TX-OFF 信号起 1ms内，关闭发射机RF功率。
最小值 156.025 12．5 161.975 162.025
最大值 162.025 25 161.975 162.025
PH.TS
PH.TST PH.TXP
对准序列bit
发射机稳定时间ms 发射输出功率W
24
1
32 1.0
25
������
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：25kHz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 25kHz或12.5kHz带宽。
• 若移动台既无法直接同步 UTC，也无法间接同步 UTC， 但能接收到从基地台发射的信息，则应将其同步于能 接收的台站数量最多的基地台。
AIS帧格式
AIS系统采用帧的概念，一帧为1分钟， 分为2250个时隙，每个时隙为26.67ms，每 一帧开始和结束都是以UTC分钟一致的。
AIS帧格式
时隙的作用
ITU 1371协议历史
瑞典的Hakan Lans先生以个人名义申请了这种系统的专利, 但在专利中并没有使用SOTDMA一词。 而在他之前,南非的MDS公司及美国ROSS工程公司也已开始 进行相关技术的研究并拥有了同样功能的技术雏形。Hakan Lans把他的专利卖给了当时属于瑞典航天公司的GP&C(全球定位 和通信)公司。后来该公司被SAAB公司收购。 然而不幸的是美国Motorola公司已经开发了这种系统,并 申请专利比Lans先生还要早。 早在九十年代初,美国Motorola公司的一个雇员James Ridiout曾就专利侵权向SAAB提出诉讼。该诉讼在美国专利法庭 历经五年,在花了成千上万的美元后,这个争论才私下解决。 Lans先生同意不再卷人卫星通信系统中，而Motorola公司同意 不再涉足AIS领域。