AIS時隙選擇策略淺析

摘要：AIS系統(tǒng)采用自組織時分多址通信方式。由于AIS終端設(shè)備在確定發(fā)射候選時隙時有可能會出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，這樣可能會導(dǎo)致AIS信息占用的時隙沖突，使得在該時隙上無法正常通信。針對這一問題，我們提出通過對AIS工作時隙占用數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和統(tǒng)計分析結(jié)果，依據(jù)AIS航標(biāo)應(yīng)用要求，以最小沖突概率為目標(biāo)函數(shù)，給出AIS航標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送時隙選擇的最優(yōu)策略。

關(guān)鍵詞：AIS；時隙選擇；最小沖突；最優(yōu)策略

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）10-2423-03

海用AIS（Automatic Identification System）是廣泛用于海上船舶識別、監(jiān)控和通信的助航儀器[1]，它實現(xiàn)將GPS（Global Positioning System）和其他傳感器提供的本船位置和導(dǎo)航數(shù)據(jù)按ITU RM1371協(xié)議確定的時隙自動地播發(fā)出去；使得在AIS VHF信號覆蓋范圍內(nèi)裝有海用AIS設(shè)備的所有船舶都能接收到這些助航信息，并在ECDIS（Electronic Chart Display and Information System ）屏幕上顯示。這樣，在同一個海域航行中裝備了AIS設(shè)備的船舶之間就能夠發(fā)現(xiàn)對方，這將可以減少船舶間碰撞事故發(fā)生，提高海上航行安全[2]。但是，隨著海上交通流增大，海用AIS在預(yù)約工作時隙時，可能出現(xiàn)多個AIS終端碰巧預(yù)約同一個時隙，即：發(fā)生時隙沖突，造成通信失敗和信息丟失，不能發(fā)現(xiàn)對方船舶，也就不能給船舶航行安全提供保障。為此，該文以AIS航標(biāo)應(yīng)用為研究對象，通過對AIS實時工作時隙進行統(tǒng)計分析與處理，給出最小沖突概率條件下AIS時隙選擇選擇的最優(yōu)策略。該策略可用于AIS航標(biāo)的二進制電文發(fā)送及航標(biāo)監(jiān)控，因此具有應(yīng)用參考價值。

1 AIS時隙選擇和沖突概率

ITU RM1371標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定AIS工作過程中使用四種多址方式：ITDMA、RATDMA、FATDMA、SOTDMA[3]。下面以SOTDMA為例說明AIS的時隙選擇與概率沖突問題。

SOTDMA協(xié)議中規(guī)定每個信道幀長為1分鐘，劃分為2250個時隙，船用AIS設(shè)備的每個廣播報文占用1個時隙[4] ，并在廣播當(dāng)前信息幀的同時為下一次發(fā)送信息選擇預(yù)約時隙。當(dāng)AIS工作船站較少時，信道不忙，有許多空閑時隙可選；當(dāng)信道比較繁忙時，未被預(yù)約的可選時隙就少，因此，預(yù)約時隙較難找到，甚至發(fā)生時隙沖突。下面分析AIS時隙選擇和沖突概率。

1.1 AIS信息播發(fā)時隙選擇

AIS通信協(xié)議規(guī)定，播發(fā)信息的時隙分配應(yīng)滿足以下基本原則：

1）采用固定時隙播發(fā)方式的報文應(yīng)在AIS兩個頻率上交替發(fā)送，在指定的AIS基站上設(shè)置并播發(fā)。

2）采用其他方式播發(fā)的信息最多占用5個連續(xù)時隙。

3）當(dāng)每一幀的時隙占用量超過80%時，為保證AIS信道通信暢通，將由AIS管理中心限制播發(fā)信息。

假設(shè)：每一幀的時隙數(shù)、報文報告率分別用SL、u表示；將AIS船站在一定范圍內(nèi)選取的時隙稱為候選時隙，用SI表示它的寬度。時隙預(yù)約算法的功能就是從候選時隙中確定預(yù)約時隙。圖1給出了時隙預(yù)約過程，其算法描述如下：

1）當(dāng)AIS船站進入VHF覆蓋區(qū)，首先偵聽1分鐘以上時間，通過對接收數(shù)據(jù)處理獲得其他AIS的時隙占用和預(yù)約信息，建立時隙狀態(tài)表。

2）計算候選時隙間隔：[NI=SL/u]；

3）確定候選時隙寬度SI=k*NI，其中： k為時隙調(diào)整因子，默認值為0.2。

4）在候選時隙中選擇中間位置的時隙為標(biāo)稱時隙NS（Nominal Slot），如果NS為空閑時隙，則作為預(yù)約時隙；否則，繼續(xù)在候選時隙內(nèi)檢查左側(cè)位置和右側(cè)位置的相鄰時隙，直到找到空閑時隙為止。將該預(yù)約時隙定義為NTS（Nominal Transmission Slot），計算出該時隙的偏移量，同時為該NTS 指定一個超時值。

5）當(dāng)可以選用的預(yù)約時隙到來，利用該時隙發(fā)送數(shù)據(jù)的同時將周期超時值減1[5]。

2 時隙占用實時監(jiān)測

3 發(fā)射時隙選擇

在AIS數(shù)據(jù)傳輸過程中，如何保證最小的沖突概率是時隙選擇的最優(yōu)化問題。根據(jù)ITU_1371協(xié)議規(guī)定AIS航標(biāo)的發(fā)送時隙塊范圍為1～5個時隙，因此，下面給出對各種時隙數(shù)的占用進行統(tǒng)計分析。發(fā)送時隙數(shù)為1到5時的統(tǒng)計結(jié)果如表1所示，可見每種發(fā)送時隙都有多種可選方案，例如：連續(xù)發(fā)送時隙數(shù)為2時，由圖4可見其前4組獲選時隙具有最小的占用概率。因此，如果采用最小沖突概率準(zhǔn)則，初始候選時隙從這4組中選擇最佳，可采取從這3組中隨機選取1組的方式選取。假設(shè)AIS設(shè)備已經(jīng)對時隙占用概率進行統(tǒng)計分析，AIS航標(biāo)站的最優(yōu)發(fā)送時隙選擇策略為：

AIS是當(dāng)前保障船舶航行安全的重要技術(shù)手段，確保AIS正常工作和數(shù)據(jù)傳輸非常重要。通過實時接收AIS電文信息，統(tǒng)計分析時隙占用概率；可選擇占用概率最小的時隙作為獲選時隙，能夠有效地達到預(yù)防或者減少時隙沖突、提高AIS工作可靠性的目的。這對確保船舶航行安全、保護海洋環(huán)境等均具有重要意義。

參考文獻：

[1] 孫廣，孫文強.船載自動識別系統(tǒng)的討論[J].大連海事大學(xué)學(xué)報，1999，25（3）：68-70.

[2] OTTMAR RAEYMAECKERS.VDL Mode 4 Point-to-point communications protocol evaluation applied to airline opera2tional communications[D].Sweden ：Department of Aero2nautics Royal Institute Technology.2000.

[3] 徐志京，許開宇，浦皆偉.AIS中四種協(xié)議的應(yīng)用探討[J].航海技術(shù)，2003（3）：34-35.

[4 ] GUSTAVSSON N. VDL Mode 4/STDMA-a CNS data link[A].15th IEEE/AIAA Digital Avionics Systems Conference and Technique Display[C].New York： IEEE，1996.

[5] 張京娟，郝燕玲.AIS 系統(tǒng)時隙預(yù)約選擇算法的分析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2002，23（5）：54-55.