民航數據鏈VDL Mode 2應用研究

李琛

摘 要： 簡要介紹了國內外民航甚高頻數據鏈的發展現狀和應用情況，對國際民航組織建議的幾種甚高頻地空數據鏈通信模式進行了比較，并對VDL Mode 2模式進行了詳細的說明。

關鍵詞： 民航數據鏈； 甚高頻數據鏈； VDL Mode 2； ACARS

中圖分類號： TN919?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）11?0015?04

Abstract： The current development situation of foreign and domestic civil aircraft VHF datalink and its application is introduced briefly in this paper. The communication modes of several VHF air?ground datalinks recommended by ICAO are compared. VDL Mode 2 is illustrated in detail.

Keywords： civil aircraft datalink； VHF datalink； VDL Mode 2； ACARS

0 引 言

民航數據鏈有甚高頻（VHF）、高頻（HF）、S模式和衛星通信等多種通信方式，其中使用較廣泛的是甚高頻數據通信。目前全球范圍內使用最廣泛的民航甚高頻數據鏈是ACARS模式數據鏈，該數據鏈的特點是使用相對簡單，發展較早，使用廣泛，但傳輸速率較慢。

由于ACARS數據鏈通信速率較低，而全球民航客運量卻在持續迅速的增長，現行民用數據鏈通信系統已不能完全適應空中交通流量增長和新型飛機航速航程擴展的需要。為此，國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）提出在全球建立一個新航行系統，航空電信網（Aeronautical Telecommunication Network，ATN）是新航行系統中的重要組成部分，提供各種計算機數據通信的最基本的通信設備，針對ATN網絡建設，目前為止寫入《國際民用航空公約》附件10的甚高頻通信方案共有4種，分別是甚高頻數據鏈模式1（VDL Mode 1）、模式2（VDL Mode 2）、模式3（VDL Mode 3）、模式4（VDL Mode 4）[1]。

1 國內外民航數據鏈使用現狀

1.1 國外民航數據鏈使用情況

（1） VDL Mode 2

目前VDL Mode 1數據鏈未推廣使用，VDL Mode 2是新發展的數據鏈中技術最為成熟的，其使用了差分8相位相移鍵控（D8PSK）調制方式，數傳速率為31.5 Kb/s，工作頻段為118～136.975 MHz，最多可以容納760個信道，公共信道所使用的頻率設為136.975 MHz，MAC子層采用的是CSMA算法。目前VDL Mode 2廣泛應用于美國、歐洲和日本，至2011年，美國國內已經建成并投入使用了300多個VDL Mode2地面站點。

（2） VDL Mode 3

空中交通管制工作中最基本的需求是保證飛行員和管制員之間能夠清晰地、自由地通話，盡管數據通信將會取代許多日常工作，但話音通信仍然是比不可少的，VDL Mode 3的最大特點就是可以支持數話同傳。其采用TDMA的組網方式，通過配置不同時隙的方式，達到同時傳輸話音和數據的目的。

VDL Mode 3是美國聯邦航空局（FAA）提出的下一代民航甚高頻數據鏈，目前美國和日本一直在開展與其相關的研究[1]。

（3） VDL Mode 4

VDL Mode 4采用GFSK調制方式，數據傳輸速率為 19.2 Kb/s。組網方式為STDMA，其最大特點是通過使用GPS或其他輔助資源進行站點校時，因此就不需要地面站廣播參考時間。在VDL Mode 4模式下，時隙管理以及地面站其他的重要功能都可由飛機完成。

VDL Mode 4是瑞典推出的一種甚高頻數據鏈，是歐洲準備將來采用的甚高頻地空數據鏈通信系統，其最大優勢是對空空通信和ADS?B的支持[1]。

VDL數據鏈技術指標對比情況見表1。

1.2 國內民航數據鏈使用現狀

我國民航目前所采用的數據鏈是ACARS模式，1998年開始第一期建設，至目前為止，已經建立了100多個地面站點，基本覆蓋了我國大部分中、高空航路。作為ICAO的參與國家，在參加ICAO相關會議的同時，我國與國外VDL Mode 2設備生產廠商，如美國ARINC、Collins公司等進行技術交流，獲取目前地空數據通信系統向ATN系統的過渡方案與建議，以及北美、歐洲等地區實施VDL Mode 2系統的經驗，在2004年，開始了VDL Mode 2數據鏈的研究工作，經歷了協議仿真研究、地面站系統設計和控制軟件實現，并取得了初步成果，目前我國在VDL Mode 2數據鏈建設上也取得了一定的進步。目前國內已經建立了10余個地面站點，能夠支持VDL Mode 2數據鏈的應用，目前已經初步完成了系統的建設、測試和試驗等相關工作[4?8]。

2 VDL Mode 2技術

2.1 VDL Mode 2體系結構

VDL Mode 2主要由物理層、數據鏈路層和子網層組成，屬于ATN網絡的地/空子系統，能夠給ATN系統提供可靠的子網服務。其基本構成如圖1所示。其中數據鏈路層由介質訪問控制（Media Access Control，MAC）子層、數據鏈路服務（Data Link Service，DLS）子層以及甚高頻管理實體（VHF Management Entity，VME）子層組成[1?2]。

2.1.1 物理層

VDL Mode 2傳輸波形物理層參數如下：調制方式：D8PSK；成形濾波器：升余弦濾波器（a=0.6）；符號速率：10 500 sample/s；信道速率：31.5 Kb/s；編碼方式：RS（255，249）；VDL Mode 2傳輸波形物理層幀結構如圖2所示。

其中：

（1） 信道建立

信道建立段長度為5個符號，由一段固定的偽隨機碼構成，用于發射端功率建立，以及接收端的AGC穩定。

（2） 同步段

同步段長度為16個符號，由一個48 b的獨特字組成，用于接收端的幀同步和位同步，它是接收端收到的有效信息的起始標記。

（3） 標題段

標題段長度為8個符號，前17 b為傳輸數據長度信息，表示數據段傳輸的有效數據長度。

（4） 數據段

數據段由[N]個RS（255，239）編碼塊組成，以編碼塊為單位進行傳輸，編碼塊的個數由每次傳輸數據長度決定。

VDL Mode 2傳輸波形物理層信號發射與接收流程如圖3所示。

2.1.2 數據鏈路層

鏈路層包含兩個子層和一個管理實體，其中MAC（Media Access Control，媒體訪問控制）子層采用P堅持的CSMA協議來控制對每個25 kHz的信道的訪問，從而最大限度地避免沖突；DLS（Data Link Service）子層提供錯誤檢測、錯誤恢復、流控制、重傳控制和幀地址確認等功能。VME（Link Management Entity）提供鏈路的建立、維護、釋放及交換等功能。

（1） MAC子層協議

MAC子層接收來自DLS子層的AVLC數據幀，但是不對AVLC幀進行修改，只對其進行訪問控制。它還接收來自物理層的數據包并將它上傳給DLS子層。

數據收發過程：

發送：從DLS子層數據鏈路子層到物理層傳輸AVLC幀；

接收：從物理層到DLS子層數據鏈路子層來接收AVLC幀。

MAC子層的服務主要包括兩個部分：P堅持的CSMA算法進行多路接入訪問和信道擁塞通告服務。

（2） DLS子層體系結構

DLS子層負責在鏈路上組織并傳輸包。它執行來自HDLC（High?level Data Link Control）協議的子協議AVLC（Aviation VHF Link Control）協議，提供數據鏈路的基站標識，并完成流控制，幀序列交換和處理以及錯誤檢測的功能。

DLS為每個連接建立一個數據鏈路實體（Data Link Entity?DLE）。DLE實際上是執行航空甚高頻數據鏈控制AVLC協議，主要完成數據幀處理、交換和錯誤檢測的功能。本地DLE與目的端DLE進行通信，來控制兩個電臺之間的整個交通流，包括控制流和數據流。DLE負責向VME通報過量的包丟失[3]。

（3） VME管理實體

甚高頻管理實體（VHF Management Entity?VME）負責建立和維護空/地無線鏈路。并為每個鏈路創建一個LME（Link Management Entity），提供鏈路的建立、維護、釋放及移交等功能，VME有如下三個功能：

① 頻率管理。目前，通用信道 CSC（Common Signalling Channel）頻率為136.975 MHz，所有的空/地通信服務都可以共享此頻率。VDL Mode 2允許使用的頻率段為118～136.975 MHz；

② 地面站管理。每一個地面站都有規律地發射廣播幀（GSIF）用來向飛機提供自己的存在和容量信息。VME還儲存了一個峰值實體連接表，用來管理每個連接，從而選取最優的地面站，一般從以下幾個方面考慮最優連接的選取：上行信號質量、地面站是否是本地的、服務類型等。如果當前地面站所提供的信號質量較差，而同時另外一個地面站能提供較好的信號質量時，VME開始進行地面站間的移交。

③ 連接上層接口。VME是連接子網層的接口，在DLS 子層和子網層之間起到連接和紐帶作用。

2.1.3 子網層

子網層主要完成數據包交換，錯誤恢復，連接流量控制，數據包分段存儲，子網連接管理等功能。它提供的服務如下：

（1） 子網連接管理

使用多種不同的包類型、程序和設備來建立、終止和管理網絡連接。連接的兩端都會維護連接狀態信息，鏈路最優化選取時，實現數據連接的移交功能。

（2） 包分段和重組

子網層允許將來自子網用戶的大的數據單元分段，以便提高子網的空?地部分傳輸速率。當子網的接收端收到分段信息后，會進行分段信息的重組，恢復出原信息。

（3） 錯誤恢復

監督幀中的“REJECT”格式包用在子網層目的是進行錯誤恢復。這些數據包在子網層實體之間發送，為了重傳錯誤包。飛機終端接收“REJECT”包后，會傳輸指定的數據包。

（4） 連接流量控制

數據包序列數和滑動窗口一起來進行被動的流控制。拒絕接收包（Receive Not Ready，RNR）不能被用來進行直接的流控制。重傳等待時間和信道訪問概率對鏈路流量也有很大的影響。

2.2 技術特點與優勢

隨著民用航空運輸量的快速增長，目前的航空管理保障體系已明顯不能滿足需求，因此，迫切需要尋求新的空中交通管理手段。新航行系統就是解決航路擁擠所產生的問題而進行開發的，而作為新航行系統中數據鏈的模式選用，VDL Mode 2數據鏈是其中重要的組成部分。

與目前廣泛采用的ACARS數據鏈面向字符的傳輸方式不同，VDL Mode 2采用了面向比特的傳輸方式，數據包經過壓縮傳輸，傳輸速率明顯提高，由ACARS的2.4 Kb/s提高到了31.5 Kb/s。ACARS數據鏈和VDL Mode 2數據鏈對比情況見表2。

2.3 應用步驟

航空電信網（ATN）是未來航空通信的必然發展趨勢，它是基于OSI七層體系結構的航空專用網，在將來向航空電信網ATN的過渡中，能夠與現有ACARS網絡兼容是需要考慮的十分重要的一點。

VDL Mode 2是ATN網絡的主要空地通信方式之一，但在ATN實施過程中，一些地區和組織VDL Mode 2的實施可能先于ATN地面網絡，因此，工業上提出了VDL Mode 2服務兩步走的計劃[9]：

（1） 將當前的ACARS信息轉化為小型的VDL Mode 2（ACARS over AVLC，AOA）應用。即在ACARS網絡基礎設施下，將VDL Mode 2空地子網接入到ACARS網絡中。

（2） VDL Mode 2/ATN。在ATN網絡基礎設施下，將VDL Mode 2的空地移動子網接入到ATN網絡中。基于VDL Mode 2的ACARS組網協議的協議棧如圖4所示。

在ACARS網絡中，VDL Mode 2作為ACARS網絡的一種移動子網，承載著空地移動通信中的ACARS數據包。主要分為：

（1） ACARS應用子層：主要支持空中交通服務（ATS）和航務運行管理服務（AOC）；

（2） AOA及ACARS路由子層：將來自應用子層的消息封裝成AOA分組，并將上行消息路由到合適的機載子系統，或將下行消息路由到合適的地面系統；

（3） VDL Mode 2鏈路層子層，包括：鏈路管理實體（LME/VME），用于鏈路的建立、維護與切換；數據鏈服務子層（DLS），采用AVLC協議，是HDLC協議的子集；媒體接入控制（MAC）子層，采用CSMA接入機制；

（4） VDL Mode 2物理層。采用D8PSK方式，速率可達到31.5 Kb/s。

3 結 語

綜合考慮各種數據鏈模式的性能及特點，VDL Mode 2由于它對ACARS網絡的兼容性和對未來ATN網絡的無縫隙的結合而成為當前民航數據鏈技術的首選，我國也最終選擇VDL Mode 2作為下一代民航數據鏈，開展相關的研究工作并建立相應的驗證環境，將對VDL Mode 2的推廣應用提供有力的技術支持。

參考文獻

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2.3 應用步驟

航空電信網（ATN）是未來航空通信的必然發展趨勢，它是基于OSI七層體系結構的航空專用網，在將來向航空電信網ATN的過渡中，能夠與現有ACARS網絡兼容是需要考慮的十分重要的一點。

VDL Mode 2是ATN網絡的主要空地通信方式之一，但在ATN實施過程中，一些地區和組織VDL Mode 2的實施可能先于ATN地面網絡，因此，工業上提出了VDL Mode 2服務兩步走的計劃[9]：

（1） 將當前的ACARS信息轉化為小型的VDL Mode 2（ACARS over AVLC，AOA）應用。即在ACARS網絡基礎設施下，將VDL Mode 2空地子網接入到ACARS網絡中。

（2） VDL Mode 2/ATN。在ATN網絡基礎設施下，將VDL Mode 2的空地移動子網接入到ATN網絡中。基于VDL Mode 2的ACARS組網協議的協議棧如圖4所示。

在ACARS網絡中，VDL Mode 2作為ACARS網絡的一種移動子網，承載著空地移動通信中的ACARS數據包。主要分為：

（1） ACARS應用子層：主要支持空中交通服務（ATS）和航務運行管理服務（AOC）；

（2） AOA及ACARS路由子層：將來自應用子層的消息封裝成AOA分組，并將上行消息路由到合適的機載子系統，或將下行消息路由到合適的地面系統；

（3） VDL Mode 2鏈路層子層，包括：鏈路管理實體（LME/VME），用于鏈路的建立、維護與切換；數據鏈服務子層（DLS），采用AVLC協議，是HDLC協議的子集；媒體接入控制（MAC）子層，采用CSMA接入機制；

（4） VDL Mode 2物理層。采用D8PSK方式，速率可達到31.5 Kb/s。

3 結 語

綜合考慮各種數據鏈模式的性能及特點，VDL Mode 2由于它對ACARS網絡的兼容性和對未來ATN網絡的無縫隙的結合而成為當前民航數據鏈技術的首選，我國也最終選擇VDL Mode 2作為下一代民航數據鏈，開展相關的研究工作并建立相應的驗證環境，將對VDL Mode 2的推廣應用提供有力的技術支持。

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（2） VDL Mode 2/ATN。在ATN網絡基礎設施下，將VDL Mode 2的空地移動子網接入到ATN網絡中。基于VDL Mode 2的ACARS組網協議的協議棧如圖4所示。

在ACARS網絡中，VDL Mode 2作為ACARS網絡的一種移動子網，承載著空地移動通信中的ACARS數據包。主要分為：

（1） ACARS應用子層：主要支持空中交通服務（ATS）和航務運行管理服務（AOC）；

（2） AOA及ACARS路由子層：將來自應用子層的消息封裝成AOA分組，并將上行消息路由到合適的機載子系統，或將下行消息路由到合適的地面系統；

（3） VDL Mode 2鏈路層子層，包括：鏈路管理實體（LME/VME），用于鏈路的建立、維護與切換；數據鏈服務子層（DLS），采用AVLC協議，是HDLC協議的子集；媒體接入控制（MAC）子層，采用CSMA接入機制；

（4） VDL Mode 2物理層。采用D8PSK方式，速率可達到31.5 Kb/s。

3 結 語

綜合考慮各種數據鏈模式的性能及特點，VDL Mode 2由于它對ACARS網絡的兼容性和對未來ATN網絡的無縫隙的結合而成為當前民航數據鏈技術的首選，我國也最終選擇VDL Mode 2作為下一代民航數據鏈，開展相關的研究工作并建立相應的驗證環境，將對VDL Mode 2的推廣應用提供有力的技術支持。

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