星載AIS接收沖突分析及仿真

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

隨著世界經(jīng)濟一體化進程的快速發(fā)展，國際間對全球海域各類船舶運輸情況的監(jiān)視需求急劇增長，需要新的有效手段來監(jiān)視和處理有害貨物的運輸、打擊走私的猖獗和遏制全球恐怖主義的泛濫，星載AIS接收設(shè)備的出現(xiàn)[1-3]，迎合與滿足了這類海域目標的探測、識別和跟蹤需求。

通常情況下，在AIS子網(wǎng)絡(luò)的通信范圍內(nèi)，相關(guān)AIS設(shè)備通過TDMA協(xié)議有組織協(xié)同工作，避免發(fā)射和接收時隙沖突的發(fā)生。而另一方面，從圖1所示的衛(wèi)星在太空運行的角度看，星載AIS將作用更多獨立的AIS子網(wǎng)絡(luò)，從而產(chǎn)生接收時隙沖突的可能性。因此，從衛(wèi)星上接收AIS信息將面臨覆蓋范圍廣、接收AIS信息的時隙沖突增大等問題，相關(guān)文獻對此類問題進行了有益的研究、評估和仿真[4]。

圖1 衛(wèi)星AIS接收示意圖Fig.1 Space-based concept for AIS reception

本文是在以前論證工作的基礎(chǔ)上[5]，對星載AIS接收設(shè)備所涉及到的接收時隙沖突問題及接收概率進行了分析和論證。在建立基于星載AIS系統(tǒng)的觀察、分析模型基礎(chǔ)上，理論分析了星載AIS接收時隙沖突概率并給出了接收時隙沖突概率公式，并對相關(guān)理論結(jié)果進行了Matlab仿真；同時，根據(jù)仿真結(jié)果給出了星載AIS接收設(shè)備的優(yōu)化建議。

2 理論分析

AIS系統(tǒng)是基于SOTDMA鏈路接入?yún)f(xié)議和時隙劃分而有效工作的。SOTDM 信道接入?yún)f(xié)議的目的是在無基站控制的情況下通過一定的信道接入算法解決彼此的發(fā)射時隙沖突。

2.1 SOTDMA接入方式

利用圖2的時隙選擇圖來完成SOTDMA信道接入算法，并保障時隙的同步、確定初始時隙以及分配(預約)工作時隙。為了簡化討論，我們假設(shè)AIS船載設(shè)備只在一個信道間隔發(fā)射。有關(guān)AIS系統(tǒng)詳細的描述參見文獻[6-7]。

圖2 基于SOTDMA時隙接入Fig.2 Slot map accessed using SOTDMA

在圖2中涉及以下參數(shù)的定義：

(1)計劃開始時隙(Nominal Start Slot，NSS)：被AIS設(shè)備用來發(fā)射信息并宣布進入AIS子網(wǎng)絡(luò)的第一個時隙為計劃開始時隙，其它隨后的發(fā)射時隙選擇是以NSS為基準的。

(2)計劃時隙(Nominal Slot，NS)：為候選發(fā)射時隙區(qū)域的中心點，在一超幀的起始發(fā)射時隙上，NSS和NS是相等的。NS的計算公式如下：

NS=NSS+n×NI，0

(1)

式中，n是一個整數(shù)，Rr是設(shè)備在每一幀中的位置報告率，NI是計劃時隙增量。

位置報告率Rr與報告間隔ΔT的關(guān)系為

(2)

計劃時隙增量NI計算如下：

(3)

式中，2 250為每個信道劃分為1 min長的超幀時隙數(shù)。

(3)選擇范圍(Selection Interval，SI)：候選發(fā)射時隙的選擇范圍，其中心為計劃時隙，選擇范圍為

SI=NS-0.1×NI,NS+0.1×NI

(4)

(4)計劃發(fā)射時隙(Nominal Transmission Slot，NTS)：最終在選擇范圍內(nèi)確定的發(fā)射時隙為計劃發(fā)射時隙。

SOTDMA算法簡單描述如下：

(1)根據(jù)當前信息報告率確定通常的計劃時隙增量NI；

(2)根據(jù)計劃時隙增量確定選擇范圍；

(3)根據(jù)時隙信息內(nèi)容確定時隙的time-out值；time-out值確定了需要占用本時隙重復發(fā)射信息的次數(shù)，time-out值是在3～7之間選擇的；

(4)選擇下一個NS和NTS；

(5)等待NTS的到來；

(6)在NTS內(nèi)發(fā)射信息；

(7)當信息報告率未改變時，返回到步驟5等待進行下一次發(fā)射；

(8)當改變信息報告率時，返回到步驟1開始新一輪的自主時隙選擇和發(fā)射過程。

2.2 船載設(shè)備的通信范圍

船載AIS設(shè)備由于受自身高度和發(fā)射功率的限制，作用距離一般為30～40 nmile。船載AIS設(shè)備間實際運行如圖3所示。

圖3 AIS實際運行示意圖Fig.3 The real situation of the AIS

船載AIS設(shè)備在開電源工作時，將用1 min時間監(jiān)視VDL信道，以確定該信道的活動性、加入到AIS子網(wǎng)絡(luò)中的其它設(shè)備的ID、當前時隙的分配情況、其它設(shè)備所報告的位置以及存在的基站設(shè)備。在這段時間內(nèi)，將建立一個工作在AIS子網(wǎng)中的所有成員的動態(tài)目錄，并構(gòu)造一個反映該子網(wǎng)的TDMA信道活動情況時隙幀圖。在此基礎(chǔ)上，每個船載AIS設(shè)備根據(jù)自身的發(fā)射時隙安排，有規(guī)律地進入AIS子網(wǎng)絡(luò)信道中發(fā)射。

在圖3中，船載A設(shè)備不與其它船載設(shè)備通信；船載B設(shè)備與船載C、D、F設(shè)備相互通信，因此，它們之間按照一定的規(guī)則(SOTDMA)協(xié)同工作；船載D、E設(shè)備還與岸基站S設(shè)備保持通信。可以想象，如果更多的船載設(shè)備參與通信，實際的運行圖將更加復雜；然而，SOTDMA信道進入?yún)f(xié)議可處理大規(guī)模船舶間的協(xié)同通信。

在AIS數(shù)據(jù)鏈負載飽和情況下，船載AIS設(shè)備具有降低它們之間通信范圍的能力，以便保留有限的時隙資源，給相互較近的船載設(shè)備通信，避免船舶間的碰撞。

2.3 觀察模型

為了有效進行星載AIS接收沖突分析，首先必須對衛(wèi)星對地觀測區(qū)域進行合理簡化，簡化模型如圖4所示。

圖4 AIS網(wǎng)絡(luò)簡化模式示意圖Fig.4 Organized areas simplification

在某個AIS子網(wǎng)，船載AIS設(shè)備間通信由于統(tǒng)一采用了SOTDMA接入?yún)f(xié)議，有效避免了相互間的發(fā)射沖突。但對星載AIS傳感器的覆蓋范圍來說，可以作用多個AIS子網(wǎng)。為了便于分析，我們這里定義規(guī)則區(qū)域，每個規(guī)則區(qū)域的作用范圍是40 nmile；在一個規(guī)則區(qū)域內(nèi)，所有船載AIS設(shè)備是有組織和有規(guī)則地參與發(fā)射，避免發(fā)射時隙的沖突；而不同規(guī)則區(qū)域內(nèi)船載AIS設(shè)備是相互獨立發(fā)射的，其發(fā)射時隙是有可能重疊或沖突的。

從圖4中可以看出，衛(wèi)星AIS的的觀察區(qū)域包括M(m)個各自獨立的規(guī)則區(qū)域,每一個規(guī)則區(qū)域包含N(n)個船舶,m指示為規(guī)則區(qū)域的第m個子區(qū)域，n指示為在m規(guī)則區(qū)域內(nèi)的第n個船舶，該n個船舶的位置發(fā)射時間間隔定義為ΔT。這樣，在整個衛(wèi)星觀察區(qū)域內(nèi)的總船舶Ntot為

(5)

在一個規(guī)則區(qū)域內(nèi)最大可能擁有的船舶數(shù)由下式?jīng)Q定：

(6)

式中，nch是獨立用于系統(tǒng)發(fā)射的頻道，針對AIS系統(tǒng)，nch為2；2250是1 min的時隙劃分數(shù)；Rr是位置報告率，假設(shè)在一個規(guī)則區(qū)域內(nèi)的所有船舶具有一樣的位置報告率；針對不同的位置發(fā)射時間間隔ΔT，可以計算出一個AIS規(guī)則子網(wǎng)絡(luò)所擁有的船舶數(shù)量。

2.4 接收沖突機制分析

每一個SOTDMA設(shè)備產(chǎn)生的時隙選擇圖都嚴格限制在以自己為中心的最大作用范圍內(nèi)，這個范圍是由射頻相關(guān)參數(shù)決定的。每個AIS設(shè)備的傳輸時隙是在這個范圍內(nèi)考慮了其它AIS設(shè)備的傳輸時隙而智能選取的。通常，每個AIS設(shè)備都有反映信道實際工作情況的時隙選擇圖，這意味著在同一規(guī)則區(qū)域內(nèi)兩個不在同一位置的AIS設(shè)備，它們擁有的時隙選擇圖是不同的；在不同的規(guī)則區(qū)域內(nèi)的AIS設(shè)備，它們擁有的時隙選擇圖是有可能相同的。

針對星載AIS接收傳感器，通過邏輯分析可以得出，發(fā)生接收時隙沖突的機制有以下兩種：

(1)從不同的AIS規(guī)則子網(wǎng)在相同的時隙內(nèi)發(fā)送AIS信息，在星載AIS接收端同時接到；

(2)從不同的AIS規(guī)則子網(wǎng)在不同的時隙發(fā)送AIS信息，但由于發(fā)送信號所走路徑的不同，導致在星載AIS接收端同時接到。

在AIS相關(guān)標準中[6-7]，信息格式規(guī)定了12 bit的距離延時緩存位，用于防止相鄰時隙發(fā)送的AIS信息的相互重疊，確保在同一AIS規(guī)則子網(wǎng)中信息接收的完整性，該系統(tǒng)延遲保護距離為202 nmile。圖5顯示了星載AIS的運行高度為600 km時的幾何覆蓋范圍。

圖5 星載AIS在600km高度的幾何示意圖Fig.5 Geometry showing the relation for an AIS sensor at 600 km altitude

通過余弦定理可以計算出衛(wèi)星與地球垂直點到延遲保護距離增大為202 nmile后點的覆蓋距離NM約為400 nmile(394 nmile)，這意味著衛(wèi)星的掃描寬度在800 nmile范圍內(nèi)時，在分析接收時隙沖突時，只考慮第一種接收時隙沖突機制發(fā)生作用。

當衛(wèi)星的掃描寬度在800 nmile范圍外時，在分析接收時隙沖突時，還需考慮第二種接收時隙沖突機制發(fā)生作用。

圖6顯示了星載AIS的觀察幾何模型，圖中各參數(shù)的意義如下：Hsat是星載AIS的運行高度，Rs是星載AIS與某觀察AIS子網(wǎng)內(nèi)目標的直線距離，Rshorizon是星載AIS與地球切線的直線距離，Rsmax是星載AIS掃描寬度邊緣點與衛(wèi)星的直線距離(Rsmax≤Rshorizon)，ΔR=202 nmile是延遲保護距離。

圖6 星載AIS的觀察幾何模型圖Fig.6 The observation geometry for the system

從圖6中可以看出：在區(qū)域Ⅰ(陰影部分)中，有關(guān)AIS規(guī)則子網(wǎng)到星載AIS傳感器的傳輸距離都遵守延遲保護距離，只考慮第一種接收時隙沖突機制發(fā)生作用。

在區(qū)域Ⅱa中，AIS規(guī)則子網(wǎng)到星載AIS傳感器的傳輸距離將超出AIS系統(tǒng)延遲保護距離，有些AIS信息可能提前到達星載AIS傳感器，產(chǎn)生接收時隙沖突；在區(qū)域Ⅱb中，AIS規(guī)則子網(wǎng)到星載AIS傳感器的距離也將超出AIS系統(tǒng)延遲保護距離，有些AIS信息可能遲后到達星載AIS傳感器，產(chǎn)生接收時隙沖突；第二種接收時隙沖突機制將發(fā)生作用。

在進行理論分析時，我們假設(shè)星載AIS到達同一AIS規(guī)則子網(wǎng)各邊是相同距離；圖7是圖6簡化后的星載AIS幾何掃描圖，每個小的柵格表示40 nmile×40 nmile的小型正方形。從圖7中也可以看出：星載AIS運行在600 km高度時抵達地球切線的可視范圍；為了計算的方便和簡化，這里假設(shè)可視范圍是正方形，每一個AIS規(guī)則子網(wǎng)簡化為40 nmile×40 nmile的小型正方形，這樣，總的可視范圍包含5 184個小型正方形(72×72)，組成2 880 nmile的掃描寬度。

圖7 星載AIS的觀察簡化模型圖Fig.7 The quadratic observation area for an AIS sensor at 600 km altitude with FOV to the horizon

當星載AIS傳感器采用傳統(tǒng)天線時，其覆蓋的區(qū)域大于800 nmile時，需要同時考慮兩種接收時隙沖突機制的作用，因此，在實際設(shè)計星載AIS傳感器設(shè)備時，需要慎重考慮接收天線的型式。

2.5 相關(guān)推導

當星載AIS傳感器的掃描寬度限制在800 nmile以內(nèi)，只需要考慮第一種接收時隙沖突機制的影響。在本文中將擴展星載AIS的掃描寬度在800 nmile以外，因此，需要同時考慮兩種接收時隙沖突機制的影響。

針對任意AIS規(guī)則子網(wǎng)，在其觀測時間和間隔報告時間相等(Tobs=ΔT)條件下，任一AIS規(guī)則子網(wǎng)內(nèi)指定的船載AIS設(shè)備的發(fā)射時隙與該衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)其它AIS規(guī)則子網(wǎng)內(nèi)的任一船載AIS設(shè)備的發(fā)射時隙無碰撞的概率PΔT為：

(1)若指定的AIS規(guī)則子網(wǎng)在衛(wèi)星覆蓋區(qū)域I中，其船舶發(fā)射時隙無碰撞的概率為

(7)

(2)若指定的AIS規(guī)則子網(wǎng)在衛(wèi)星覆蓋區(qū)域Ⅱa和Ⅱb中，其船舶發(fā)射時隙無碰撞的概率為

(8)

式中，N是每個AIS規(guī)則子網(wǎng)實際包含的船舶數(shù)量，Nmax是AIS規(guī)則子網(wǎng)最大可能包含的船舶數(shù)量，M是整個衛(wèi)星觀測區(qū)域內(nèi)包含的AIS規(guī)則子網(wǎng)數(shù)量，Ntot是整個衛(wèi)星觀測區(qū)域內(nèi)包含的船舶數(shù)量，nch=2是AIS系統(tǒng)擁有的獨立信道數(shù)。

插入因子k為

(9)

(10)

(11)

(12)

在引入平均概率、獨立概率等概念后，式(10)可以簡化為

(13)

式中，s是交聯(lián)因子，描述了在衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的任意船舶與區(qū)域IIa和IIb中的船舶的關(guān)系，計算如下：

(14)

因此，s是星載AIS傳感接收器高度Hsat和掃描寬度ΔS的函數(shù)。

利用冪級數(shù)展開公式和近似公式對式(13)進行簡化，并考慮到如果只有第一種接收時隙沖突機制發(fā)生作用，s=0，可得：

(15)

從上述公式可以看出：簡化了的船舶發(fā)現(xiàn)概率形式上是不受星載AIS傳感接收器高度Hsat和掃描寬度ΔS影響的，因此，船舶發(fā)現(xiàn)概率主要受覆蓋區(qū)域內(nèi)船舶數(shù)量Ntot和觀察時間Tobs的影響。

3 仿真實現(xiàn)及結(jié)果分析

利用本文前述的理論及公式，并結(jié)合MATLAB 7.5的仿真平臺，編寫了若干.m文件，對星載AIS接收沖突概率進行了模擬仿真。

3.1 仿真條件

在設(shè)計模擬仿真程序時，首先歸一化和假設(shè)如下：

(1)在AIS規(guī)則子網(wǎng)中船舶數(shù)量是一樣的，都為N；

(2)在觀察區(qū)域內(nèi)有M個AIS規(guī)則子網(wǎng)，這樣總船舶數(shù)為Ntot=N×M；

(3)在觀察區(qū)域內(nèi)船舶的位置報告間隔是一致的，都為ΔT；

(4)觀察區(qū)域是正方形。

下列算法將應(yīng)用于仿真程序中：

(1)在每個AIS規(guī)則子網(wǎng)中，對所有船舶指派計劃開始時隙；

(2)在相應(yīng)的候選發(fā)射時隙的選擇范圍(SI)中采用隨機法選擇每個發(fā)射時隙，避免發(fā)射時隙的沖突；

(3)在衛(wèi)星觀察區(qū)域所包含的所有AIS規(guī)則子網(wǎng)都重復步驟1～2；

(4)在上述步驟基礎(chǔ)上，同時考慮兩種沖突機制發(fā)生的可能，對整個衛(wèi)星觀察區(qū)域計算船舶的發(fā)現(xiàn)概率；

(5)多次重復步驟1～3，進行統(tǒng)計試驗；

(6)通過多次統(tǒng)計試驗，計算船舶的平均發(fā)現(xiàn)概率。

3.2 仿真及分析

星載AIS接收沖突概率模擬仿真程序主要由InterferenceAnalysis.m文件和下列函數(shù)組成，包括F-DetectionProbability.m 函數(shù)、F-InitorganizedAreas.m函數(shù)、F-reservedSlot.m函數(shù)等；同時，在上述.m文件中，對模擬仿真過程中涉及到的各類常數(shù)、全局變量進行了設(shè)置和定義，并通過主文件來調(diào)用函數(shù)文件。有關(guān)仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 船舶偵測概率與船舶數(shù)量的關(guān)系圖Fig.8 Ship detection probability vs. the number of ships for different swath widths

從仿真結(jié)果可以看出：

(1)在1 000艘左右船舶條件下，星載AIS的發(fā)現(xiàn)概率為99%左右；

(2)增加衛(wèi)星掃描寬度，意味著增加了衛(wèi)星觀測時間，因此，也就給定了船舶分布數(shù)量和覆蓋區(qū)域；

(3)衛(wèi)星覆蓋區(qū)域直徑從80、200、400、 600、到800 nmile時，星載AIS的接收沖突概率是覆蓋區(qū)域內(nèi)船舶數(shù)量的函數(shù)；

(4)增加衛(wèi)星的掃描寬度也就是增加了覆蓋區(qū)域內(nèi)的船舶數(shù)量，因此，要使星載AIS的接收沖突概率增大，優(yōu)化衛(wèi)星的掃描寬度將是關(guān)鍵因素。

另外，從圖9的仿真結(jié)果中也可以看出：采用對消技術(shù)與否對星載AIS的接收沖突概率也有較大的影響。

圖9 采用對消技術(shù)比較圖Fig.9 Comparison of the detection probability of a conventional AIS receiver with interference cancellation

4 結(jié) 論

本文對星載AIS所涉及到的接收沖突問題及概率進行了分析和論證，建立了基于星載AIS系統(tǒng)的觀察、分析模型，理論分析了星載AIS接收沖突概率并給出了接收沖突概率公式，對相關(guān)理論結(jié)果進行了Matlab仿真，并通過分析得出以下結(jié)論：星載AIS傳感器接收AIS信息是可行的，船舶發(fā)現(xiàn)概率主要受覆蓋區(qū)域內(nèi)船舶數(shù)量Ntot和觀察時間Tobs的影響,這對更深入地論證、設(shè)計星載AIS傳感接收器設(shè)備、衛(wèi)星的運行軌道等具有一定的指導和參考意義。

參考文獻：

[1] Eriksen T, Hye G, Narheim B, et al.Maritime Traffic Monitoring Using a Space-Based AIS Receiver[J]. Acta Astronautica,2005,58(10):537-549.

[2] ITU-RWP8B,Satellite Detection of AIS Messages[S].

[3] Miguel A Cervera, Alberto Ginesi. Satellite-based AIS System Study[C]//Proceedings of the 26th International Communications Satellite Systems Conference (ICSSC). San Diego, CA:IEEE, 2008:1-6.

[4] John Stolte, Anthony Robinson. Space based monitoring of global maritime shipping using Automatic Identification system:US，2008/0088485 A1 [P]. 2008.

[5] 何民, 許斌, 鐘杰. 基于衛(wèi)星的AIS接收鏈路設(shè)計及仿真[J].電訊技術(shù),2010,50(9):114-118.

HE Min, XU Bin, ZHONG Jie. Design and simulation about AIS receiver link in LEO satellite[J].Telecommunication Engineering，2010,50(9):114-118.(in Chinese)

[6] ITU 1998-2001,Recommendation ITU-R M.1371-1: Technical Characteristics for a Universal Shipborne Identification System using Time Division Multiple Access in the VHF Maritime Mobile Band[S].

[7] ITU-RM.1371-1,I ALA: Technical Clarifications on ITU Recommendation[S].