VDES示范网络建设技术方案

VDES示范网络建设技术方案
一、总体方案
本项目根据前期工程成果，在北海航海保障中心管理辖区内搭建VDES示范网络系统，在国际航海云中注册、发布我国AIS数据服务的和本工程示范应用数据服务，并开发相应的管理软件和播发软件实现e航海岸端向船端的数据推送示范服务，具体包括：定制开发两台VDES示范样机，在北海航海保障中心利用AIS岸基系统网络岸基基站机房环境，同址建设两座VDES岸基，配备相应的服务器，利用AIS专网形成VDES示范网络系统；定制开发船端VDES示范样机，在部分北方海区航海保障中心管理的工作船艇上配备；面向管理用户开发网络管理系统，实现对VDES示范网络的管理；研究国际航海云平台，发布我国的AIS数据服务，以及VDES播发所需的水文气象服务；按照e航海服务标准要求，实现与部海事局导助航数据中心、天津海测大队水文气象、海图改正等数据服务的自动对接，封装成MSP服务，按照自定义协议实现MSP服务的数据包封装；开发数传播发管理软件，实现业务用户对数据传输播发的操作及管理。

系统总体架构如下图所示：
二、硬件系统方案
（一）设计参考的国际标准
自VDES系统提出后，世界各国的海事组织都在积极推进该系统的实施，同时在为VDES系统的完善提出相应的解决方案。

目前VDES 的标准很多，但是得到国际认可的很少，目前能支撑VDES系统实施建设的，具有指导意义：
（1）《ITU-R M.2092-0建议书(10/2015) 》VHF水上移动频段内的VHF数据交换系统的技术特性。

（2）《ITU-R M.1371-4 建议书（04/2010）》在VHF 水上移动频带内使用时分多址的自动识别系统的技术特性。

（3）《ITU-R M.1842-1 建议书（06/2009）》在《无线电规则》附录18水上移动业务频道交换数据和电子邮电的VHF无线电系
统和设备的特性。

（二）VDES设备无线电指标
1.VDES信道频率
VDES所占有的信号频段为156.025-162.025 MHz，本项目按照VDES国际标准要求，对AIS、ASM、VDE的应用做了具体的通道划分，这三种应用所占的通道如下表所示：
2.数据传输率
VDES设备数据传输比特速率表
3.接收机性能指标
VDES设备接收机特性指标
4.1.1.1发射机性能指标
VDES发射机性能指标
（三）VDES系统硬件架构
本项目建设主要是针对岸对船、船对岸、船对船无线通信研制，系统主要分为岸基设备和船载设备。

VDES系统的系统模型如下图所示：
VDES系统的系统模型
1.岸基VDES基站系统组成
岸基VDES基站系统主要包括了VHF天线、GNSS天线、馈线、VDES岸基设备、服务器、交换机、客户端等。

VDES岸基系统的模型如下图所示：
GNSS
客户端2
VDES岸基系统的模型
岸基VDES基站主要包括电源模块、VDES接收机、VDES发射机和数字基带处理模块。

VDES系统的VHF天线和GNSS天线通过射频线缆和VDES基站设备进行连接，VDES基站设备通过网线和服务器进行连接，服务器通过网络接口和交换机进行连接，客户端通过网络接口和交换机进行连接。

2.船载VDES终端系统组成
船载VDES终端由VHF天线、GNSS天线、船载VDES设备和客户端（嵌入式计算机或PC机）组成。

船载VDES设备主要包括电源模块、VDES发射机、VDES接收机和数字基带处理模块。

船载客户端
VDES船载系统模型
设备采用直流24V或直流48V进行供电，供电电压尽可能靠近船舶上的标准电压，设计采用蓄电池进行供电，这样可以保证船舶在停靠或停止工作时船载VDES设备可以继续进行工作一段时间。

船载VDES系统可外配嵌入式计算机或标准的个人电脑，在嵌入式计算机或个人电脑上部署船载VDES客户端软件，VDES客户端软件是用来进行VDES系统数据展示和船载VDES设备操作。

（四）VDES（船\岸）设备硬件
1.VDSE设备硬件组成
VDES设备硬件采用软件无线电技术，将传统的射频通道链路和调制解调单元分开设计。

射频链路包含两路接收通道和一路发射通道，射频通道链路可以工作在半双工和全双工模式，基带单元采用高速ADC、DAC加FPGA和DSP的信号捕获、分析和处理功能。

各处理器之间采用总线的方式进行数据交换，对外采用以太网的数据传输手
段。

VDES设备硬件框图
空中链路的小信号通过VHF天线传导给射频单元的接收通道1和接收通道2，接收通道将天线传导的小信号逐级放大，在将信号进行下变频处理，得到中频信号，中频信号在经过噪声抑制、信号放大等处理，满足数字基带单元的高速ADC采集要求，将无线电信号转换成数字信号。

数字信号在通过FPGA/DSP的处理，分析出带有调制信息的数字包，并将有效的数字包通过外部接口传给数据处理单元进行解调工作，还原无线电波带有的有效信息。

数据处理单元将要发射的信息通过外部数据接口下发给数字基带单元，数字基带单元的FPGA/DSP对要发射的信息按标准的帧格式进行组包，然后通过高速DAC将数字信号转化为中频信号，中频信号经过发射通道进行上变频和逐级放大，信号放大到指标功率然后通过VHF辐射到空中链路。

2.VDSE设备接收机硬件升级
在前期工程中已经完成了VDES原理样机的测试，实现了外部无线电信号处理为数字基带单元可以识别的信号形式。

基本满足数字基
带单元的数据采集要求。

本期工程主要工作内容是在原有VDES原理样机滤波算法的基础上进行优化，通过低通滤波器和带通滤波器滤掉不需要的频率，提升信号质量。

VDES接收机框图
本期工程主要工作内容：
3.VDSE设备发射机硬件升级及功能新增
在前期工程中，实现了对信号的发射功率进行自动控制，保证信号载波功率误差在±1.5dB以内。

但是发射功率与国外厂商面临同样的问题，无法推送到国际标准推荐的功率。

本工程将完善发射机功率，将发射功率推进/接近国际推荐标准。

同时采用信号耦合的方式增加对信号的发射功率进行监控，其中包括了正向检波和反向检波，该功能机制可以有效的计算发射机的驻波比，通过驻波比监测发射机有效信号的辐射情况。

VDES发射机框图
4.VDES设备数字基带单元功能新增
在前期工程中，对VDES数字基带单元实现了基本的媒体访问控制（MAC）提供一个允许对数据传输媒体接入的方法。

接入方式采用UTC时间参考的TDMA方式。

另外定义了帧同步、数据链路激活和释放、包格式的封装等。

数字基带单元框图
在前期工程的基础上新增：
（1）速率适配
速率适配是通过对编码器输出进行删余来得到的，如下中对前k 个时钟的回顾，在下表中给出了终止部分的删余表。

下表用于终止。

带有ID 8的最后一行被引入到本文件中来得到更高的速率。

数据比特周期的删余模式
对每种速率，删余表应该首先从左向右读取，然后从上到下。

在一个删余模式内，一个‘0’意表示该符号应该被删除，而一个‘1’表示一个符号应该通过。

一个‘2’或一个‘3’表示2个或3个该符号的复制应该通过。

这与终止周期相关。

特别是
–对速率1/5的turbo码（Punct_Pat_ID=0），前三个尾部比特周期的每一个的尾部输出符号应该是XXXY0Y1，而对最后三个尾部比特周期的每一个的尾部输出符号应该是X’X’X’Y’0Y’1。

–对速率2/9的turbo码（Punct_Pat_ID=1），第一和第二个输出周期的尾部输出符号应该是XXXY0Y1，对第三个输出周期是XXY0Y1，对第四和第五个输出周期是X’X’Y’0Y’1，而对第六个（最
后一个）输出周期是X’X’X’Y’0Y’1。

–对速率1/4的turbo码（Punct_Pat_ID=2），前三个尾部比特周期的每一个的尾部输出符号应该是XXY0Y1，而对最后三个尾部比特周期的每一个的尾部输出符号应该是X’X’ Y’0Y’1。

所有其他码速率应该类似于以上所给的实例采用推导出来的实际删余模式进行处理。

终止部分的删余表在下表中给出。

该表的最后一行被引入到本文件中，以得到更高的速率。

尾部比特周期（最后6个时钟）的删余和重复模式
对每个速率，此删余表应该首先从左向右读取，然后从上到下。

（2）CRC校验
32比特ITU-T V.42 {RD-5}多项式0x04C11DB7 CRC被附加到数
据报的最后段。

CRC是对该数据报的所有段进行计算的。

F(x) = x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1
初始状态：0xFFFFFFFF
建立接收端与发射端的应答、重发机制。

接收端收到数据校验通过后，对数据进行缓存，队列信息完整后合并数据。

接收失败将丢弃错误传输包，并根据发射端的发射模式应答或等待下一播发周期。

利用软件模拟，按照数据拆分模型搭建测试平台，随机取样进行数据传输失败测试。

（4）ASM/VDE包封装
按照下列流程建立ASM/VDE 包封装流程。

将数据按照对应的传输方式选取合适的传输包进行文件分割，并编排文件的序列信息，进行CRC校验码生成后最后进行封装为传输数据包。

考虑目前VDES 的标准尚在制定中，目前草案关于数据分割的标准未统一，研究报告将对ASM 3个连续时隙封装以及5个连续时隙封装的数据传输效率进行对比。

同时在VDE将分别以单时隙、6时隙、超级时隙为传输包最小单位进行数据传输封装对比测试。

5.VDES设备调制解调方案升级
岸基VDES设备包含了AIS、ASM、VDE等应用，每一种应用的调制解调方式都不同。

前期工程已经按照推荐的标准进行调制，本期工程可试验降低抗噪能力情况下，为了提高吞吐量按照8psk进行调制，并实验效果。

岸基VDES数字调制解调方式表
8PSK信号的调制主要包括对每输入的三个比特信号映射到同相支路和正交支路上的相应电平，并对两路的电平分别进行滤波，最后再将滤波所得的同相支路和正交支路的信号调制到频带上去。

8PSK 抗链路恶化的能力（抗噪能力）不如QPSK，但提供了更高的数据吞吐容量。

6.新建VDES系统VHF天线
VHF天线主要是用于接收空中链路中的VHF频段和发射VHF 频段的信号。

由于VHF频段为30MHz到300MHz的无线电电波，而的VDES系统采用的是156.025-162.025 MHz,所以采用的VHF天线必须包含VDES系统频段。

目前市场上的VHF天线可以用到VDES系统中，这些天线的最大天线增益范围是从2 dBi到10 dBi。

典型天线模式如下图所示：
7.新增支持MSP显示和应用的船端ECDIS
开发能够支持MSP显示和应用的电子海图系统，与VDES船端设备连接，显示VDES接收的数据。

✓支持S100显示
✓支持中文编码
✓支持电子海图改正
✓支持应用数据显示
三、软件系统方案
（一）基站管理软件
1.软件架构
管理软件由系统管理、性能监控、统计分析三部分组成。

其中系统管理主要包括系统软硬件设置、播发控制设置等；性能监控包括电磁环境监控、硬件性能监控、网络监控、信道监控；统计分析包括对性能监控数据的统计分析。

软件按照SOA架构设计，进行模块化设计，采用B/S架构。

本工程在前期工程管理软件的基础上对VDES控制的后台的勃发控制和信道监控进行了升级，同时按照网络管理系统开发建设管理模块、监控模块和统计分析。

2.系统功能
●新增设备控制管理
✓服务器、网络设备的远程登陆以及配置管理；
✓VDES岸站基础信息设置包括MMSI、基站名称等；
✓VDES工作信道接收静默、开启设置。

●改进播发控制
✓在前期项目的基础上改进播发数据接入方式设置；
✓在前期项目的基础上增加新的调制方式，对播发数据调制方式进行设置。

（1）监控模块
●新增无线电监控
✓对电磁环境的信噪比、噪声功率、噪声系数进行监控报警；
●新增设备性能监控
✓采用SNMP协议对服务器CPU占用率、内存占用率、硬盘空间进行监控报警；
✓采用SNMP协议对基站、路由器、交换机的CPU占用率、内存占用率进行监控报警；
✓对服务器关键进程进行监控报警；
✓对网络的链路负载、丢包率、传输速率进行监控报警。

●改进信道监控
✓对VDE、ASM、AIS信道负载进行监控报警，在前期工程的基础上完善算法，增加报警功能。

（2）新增统计分析
✓按照日、周、月根据监控数据统计系统整体运行情况，
并自动生成报表。

（二）基站播发软件
1.软件架构
播发软件在前期工程的基础上完善MSP封装，使之适合ASM、VDE的播发模式和报文结构。

新增权限认证、数据录入、播发参数设置和统计功能。

软件按照SOA架构，采用模块化设计的B/S 架构。

2.系统功能
（1）新增权限认证
用户通过用户名、密码认证登陆播发系统。

（2）新增播发数据人工输入
考虑航标动态未有信息系统支撑，由播发人员按照模板手动输入或手动导入航标动态数据。

（3）新增导助航数据自动导入
从北京导助航数据资源池获取天津辖区水域的天气和水文数据，包括：天气、风力、风向、浪高、能见度、气压、潮汐等。

（4）新增海图改正自动导入
从北海航海保障中心海测大队获取海图改正数据。

（5）新增播发参数设置
设置数据播发参数，包括播发模式（点对点、广播），播发周期模式（单次播发、定时循环播发）。

（6）改进MSP封装
按照MSP标准，将航标动态封装为MSP5（海上安全信息服务）；将海图改正封装为MSP12（电子海图更新服务）；将气象数据封装为MSP14（气象信息服务）；将水文潮汐数据封装为MSP16（实时水文信息服务）。

备注：由于部分MSP数据国际标准尚未出台，可先自定义标准封装。

（7）新增播发统计
根据播发数据日志以及船台反馈的确认日志，按照日、周、月统计播发业务情况，并生成报表。

四、E-航海数据服务建设部署
实现我国航保数据服务在国际航海云上的全面建设部署实施，充分发挥我国做为航海大国为航海保障做出的贡献，具体建设内容包括：
●详细研究国际航海云的整个架构部署模式等：通过对国际航海
云的部署平台结合其代码进行详细研究分析，了解其整个部署
开发模式，测试其部署可行性等，最终实现我国航海数据服务
的标准化部署；
●改造开发我国相关的航海保障数据服务：基于国际航海云的相
关标准规范，梳理需求，设计改造建设我国航海保障相关AIS
数据服务；
●基于国际航海云标准体系实施部署数据服务：按照航海云的标
准规范，编写相关部署文档规范，按规范进行数据服务的部署
及测试等。

五、实施方案
本工程计划选取天津港东突堤AIS基站及曹妃甸港AIS基站同址建设两座VDES基站，利用AIS专网现有网络资源组成示范网络。

在北海航海保障中心通信中心机房配备一台服务器形成管理中心。

天津港地处于京津冀城市群和环渤海经济圈的交汇点上，是中国北方最大的综合性港口和重要的对外贸易口岸。

天津港是在淤泥质浅滩上挖海建港、吹填造陆建成的世界航道等级最高的人工深水港。

目前，天津港主航道水深已达21米，可满足30万吨级原油船舶和国际上最先进的集装箱船进出港。

天津港东突堤AIS基站建设于2006年，利用东突堤VTS塔台及机房安装设备。

曹妃甸港毗邻京津冀城市群，与矿石出口国澳大利亚、巴西、秘鲁、南非、印度等国海运航线十分顺畅。

2012年，曹妃甸港区完成货物吞吐量1.95亿吨。

曹妃甸港AIS
基站于2007年建设，利用河北海事局曹妃甸海事处大楼及机房安装设备。

天津港东突堤AIS基站距曹妃甸AIS基站直线距离35海里（64.8公里）其距离较为适合联网测试。