VDES通信技術應用及其發(fā)展趨勢*

姚治萱

一、引言

VDES（VHF Data Exchange System，甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)）由AIS2.0（Automatic Identification System，船舶自動識別系統(tǒng)）概念發(fā)展而來，2013年由ITU（International Telecommunication Union，國際電信聯(lián)盟）和IALA（International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities，國際航標協(xié)會）共同確立VDES概念[1]。

VDES是在現(xiàn)有AIS通信技術基礎上，為進一步滿足IMO（International Maritime Organization, 國際海事組織）主導的e-航海戰(zhàn)略船-船、船-岸間數(shù)據(jù)交換需要而開發(fā)的海上寬帶數(shù)字通信系統(tǒng)。VDES系統(tǒng)包括AIS業(yè)務、ASM（Application Specific Message，專用報文）業(yè)務和VDE（VHF Data Exchange, VHF數(shù)據(jù)交換）業(yè)務三種業(yè)務類型[2]，并得到了IMO的積極認可[3]。

2015年11月，ITU在WRC15（World Radio Conference 2015，2015世界無線電大會）上批準了陸基VDES系統(tǒng)頻譜方案建議，并計劃在2019年的WRC19上批準VDES衛(wèi)星通信部分頻譜方案建議，從而全面制定VDES技術特性國際標準。基于此，目前世界各個海運強國積極投入VDES相關技術的研究，我國多個海上通信技術研究團隊也積極投入這一系統(tǒng)關鍵技術研究中。

IMO將VDES通信系統(tǒng)確定為e-航海戰(zhàn)略中主要通信方式之一，在可預見的未來，VDES必將在船-船、船-岸之間海上安全信息交換領域具有十分廣泛的應用空間，有效促進智能船舶、無人駕駛船舶和智能航運技術的快速發(fā)展，對國際航海領域產(chǎn)生深遠的影響。

二、VDES技術發(fā)展路線

VDES計劃從2013年至2021年完成涵蓋三類業(yè)務的VDES臺站設備標準制定，為VDES各類臺站設備開發(fā)、性能測試標準設計、VDES系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)測試等提供確定的標準依據(jù)，IALA確定的VDES標準制定路線圖如圖1所示。

在ITU組織的WRC15大會批準VDES地面系統(tǒng)技術方案的基礎上，計劃在2019年的WRC19大會上全面批準VDES衛(wèi)星系統(tǒng)技術方案，并計劃在2020年提交VDES性能標準提案至IMO MSC委員會和NCSR分委會討論確定，期望在2021年或2022年通過VDES全面推廣決議，為VDES全面推廣應用奠定政策和技術基礎。

VDES系統(tǒng)一旦進入推廣應用階段，配合e-航海戰(zhàn)略和GMDSS現(xiàn)代化等戰(zhàn)略的實施，其必將引起海上各類數(shù)字業(yè)務服務的變革，對海上業(yè)務發(fā)展、保障船舶航行安全、保護海上環(huán)境、提高航運效率都具有十分重要的意義。

圖1 VDES系統(tǒng)實施標準制定路線圖

三、VDES技術架構(gòu)和關鍵技術

1.VDES系統(tǒng)技術框架

（1）VDES系統(tǒng)總體技術框架

VDES系統(tǒng)總體技術框架包括5方面，如圖2所示，分別為船站設備、岸基設備、VDE衛(wèi)星空間段、VDE衛(wèi)星地面段、海上信息服務中心。

圖2 VDES系統(tǒng)總體技術框架圖

基于上述組成，未來VDES系統(tǒng)中包括的設備也具有多種類型，包括單一AIS業(yè)務類型設備、AIS+ASM業(yè)務類型設備、AIS+ASM+地面VDE業(yè)務類型設備、VDE岸站設備、VDE衛(wèi)星載荷及VDE衛(wèi)星地面控制設備。

（2）VDES臺站設備總體技術架構(gòu)

所有VDES終端設備中，包括空基VDES載荷設備，都需要具有上述設計的物理通信信道，同時能夠兼容第一代AIS系統(tǒng)。因此，基本的VDES臺站設備總體技術架構(gòu)如圖3所示。

圖3 VDES臺站設備總體技術架構(gòu)圖

由于VDES終端設備包含多個不同帶寬、不同調(diào)制解調(diào)模式的收發(fā)信道，其調(diào)制解調(diào)模式、接入方式都按照自組織算法進行自適應信號處理。

同時，IALA推薦了VDES臺站基本技術架構(gòu)。在VDES臺站基本技術架構(gòu)中，就VDES接收機而言，需要至少4種類型的接收信道，包括：現(xiàn)有基于GMSK的AIS1和AIS2，基于其他數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)模式ASM1和ASM2，基于新的調(diào)制解調(diào)模式的50千赫信道，基于新的調(diào)制解調(diào)模式的100千赫信道。

同時，發(fā)射部分也分別與此相對應。

目前，比較推薦基于軟件無線電的超寬帶采樣射頻結(jié)構(gòu)，并基于數(shù)字濾波技術實現(xiàn)各信道的分.和信號提取，以實現(xiàn)多并行接收信道的數(shù)據(jù)處理功能方案。

2.VDES關鍵技術

針對VDES系統(tǒng)技術框架和各類型臺站設備，除頻譜方案屬政策層面問題外，其他如信道管理技術、收發(fā)信機技術、多信道自適應調(diào)制解調(diào)技術、多算法聯(lián)網(wǎng)接入技術及衛(wèi)星載荷技術等都是VDES技術核心關鍵技術，需要逐一攻克，才能研制穩(wěn)定、可靠、符合標準的VDES臺站設備和系統(tǒng)。

（1）信道管理技術

基于現(xiàn)有的VDES頻譜方案，VDES涵蓋三種業(yè)務、九種類型的信道，這些信道調(diào)制解調(diào)方式不同，帶寬不同，接入系統(tǒng)的機制不完全一樣，各類業(yè)務同時并發(fā)機制和傳輸優(yōu)先級也不一樣。因此，設計前向兼容、協(xié)調(diào)、優(yōu)化的信道數(shù)據(jù)并發(fā)機制和信道管理模式是當前VDES標準制定和設備研制過程中的核心關鍵問題之一。

就并發(fā)作業(yè)機制而言，VDES具有多類信道，存在不同信道同時接收數(shù)據(jù)和發(fā)射數(shù)據(jù)的情況，同時，考慮到前向兼容原有AIS業(yè)務，其發(fā)射過程中與其他信道數(shù)據(jù)通信的沖突會更加嚴重，因此，需重點研究和設計不同業(yè)務優(yōu)先級協(xié)調(diào)解調(diào)機制和多信道并發(fā)機制[4]。

另外，由于VDES信道需要并發(fā)作業(yè)，信道管理和信道切換將更加復雜，設計一種合理的信道間切換和管理算法也十分必要。

（2）自適應數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術

現(xiàn)有的AIS系統(tǒng)采用了GMSK調(diào)制解調(diào)模式，在25千赫信道上提供9.6比特率數(shù)據(jù)傳輸速率[5]。而在設計的VDES系統(tǒng)增加了如三、1節(jié)所述的多種業(yè)務和不同的調(diào)制解調(diào)技術。

為保證在單位載頻上獲得更高的通信速率，VDES采用的數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術已十分成熟，且完全不同于GMSK模式。在當前的物理信道技術設計中，ITU建議采用基于自適應信道檢測技術的自適應調(diào)制解調(diào)技術，為不同信道環(huán)境情況下的VDES信道和臺站選擇不同的調(diào)制解調(diào)技術，該技術使原有AIS研制機構(gòu)需整體調(diào)整VDES臺站設備和系統(tǒng)技術架構(gòu)，攻關這一關鍵技術。

（3）VDES聯(lián)網(wǎng)接入技術

當前正在設計的VDES系統(tǒng)共涉及三類六項業(yè)務信道，分別為兩項AIS信道、兩項ASM信道和兩項VDE信道，未來還可能進一步擴展獨立的衛(wèi)星VDE信道。除AIS信道鏈路組網(wǎng)模型、算法較為確定外，ASM和VDE信道還需要進一步研究更高效的鏈路組網(wǎng)方案，具體需要研究：①以ASM信道為導頻的VDE信道高效組網(wǎng)技術；②ASM與VDE信道自組織時隙管理算法與模型；③區(qū)別于adhoc的有限多跳VDE通信協(xié)議和最優(yōu)算法；④VDES不同業(yè)務信道用戶容量與性能。

（4）基于軟件無線電的VDES收發(fā)信機關鍵技術

VDES收發(fā)信機涉及多個信道并行處理，高速寬帶信號采樣、窄帶數(shù)字濾波、自適應調(diào)制解調(diào)技術、信號質(zhì)量評估、弱信號檢測、SPOC（片上處理系統(tǒng)，System Process On Chipset）基帶芯片等都是基于軟件無線電的VDES收發(fā)信機的重點研究技術。

（5）數(shù)據(jù)交換協(xié)議技術

在以上VDES臺站設備研究、接入技術設計和系統(tǒng)架構(gòu)設計基礎上，不同臺站設備之間的數(shù)據(jù)交換協(xié)議和電文格式需要重新設計，其不同于過去AIS中ITU-R M.1371-5附錄8所定義的256 bit時隙電文。在VDES中，幀結(jié)構(gòu)由子幀、超時隙、二進制時隙和時隙組成；除數(shù)據(jù)速率增加外，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加了更為復雜的同步字、鏈路識別ID、FEC糾錯編碼、CRC校驗、填充、引導字等內(nèi)容，使數(shù)據(jù)交換協(xié)議處理技術更加復雜。

另外，當前AIS采用了簡單的自定義HDLC數(shù)據(jù)幀格式，在VDES高速數(shù)字通信過程中，國際相關研究機構(gòu)正在研究論證能否采用基于現(xiàn)有通用尋址技術的TCP/IP數(shù)據(jù)交換協(xié)議。如果采用，其無線路由協(xié)議和移動IP技術在自組織VDES系統(tǒng)中是否適用，是否需要完善，都是VDES數(shù)據(jù)交換協(xié)議技術領域的重要議題。

（6）衛(wèi)星VDES系統(tǒng)關鍵技術

在VDES設計框架中，衛(wèi)星VDE占據(jù)著重要地位，所有信道都與衛(wèi)星VDE相關，因此，針對衛(wèi)星VDE系統(tǒng)，需要重點研究包括但不限于如下三方面關鍵技術：①衛(wèi)星VDES系統(tǒng)多信道復用衛(wèi)星載荷技術；②衛(wèi)星VDES系統(tǒng)信道間抗干擾和數(shù)據(jù)沖突技術；③衛(wèi)星VDES系統(tǒng)增值服務和推廣機制研究。

其中，衛(wèi)星載荷是衛(wèi)星VDES系統(tǒng)的核心，信道抗干擾和數(shù)據(jù)沖突技術是衛(wèi)星載荷的技術關鍵，并涉及衛(wèi)星VDES天線技術。而增值服務與推廣機制則直接關系到各個國家未來的利益，需要重點研究應對措施。

四、VDES技術應用與發(fā)展趨勢

如前所述，VDES技術標準一旦確定并正式發(fā)布，將引起海上數(shù)字通信相關業(yè)務的變革，對海上安全信息交換、智能船/無人船應用發(fā)展等領域的發(fā)展都具有重要意義和極大的促進作用。

1.VDES在船岸安全信息服務領域的應用與發(fā)展趨勢

VDES技術研究的主要目的是保障船舶航行安全。自2016年至今，e-航海戰(zhàn)略發(fā)展受海上數(shù)字通信技術的限制，多項海上安全信息服務技術標準被擱置，如船舶報告標準、海上安全信息服務標準、來自岸基信息的統(tǒng)一協(xié)調(diào)顯示標準等。因此，隨著VDES技術的成熟和推廣應用，海上船舶航行安全信息交換的瓶頸將被突破，從而使該領域進入快速發(fā)展軌道。

岸基對船舶的安全信息服務進入新的階段。為保障船舶航行安全，沿岸國具有提供沿海水域航標助航服務、安全航行信息服務（如航警、搜救、冰況等信息）、水文氣象服務、海圖更新服務等，而這些信息之前多通過硬介質(zhì)（如紙質(zhì)、光盤等）進行更新，部分通過衛(wèi)星提供服務，致使信息更新不及時，影響船舶航行安全。隨著VDES技術的推廣應用，將徹底解決這些問題。船舶到達相關區(qū)域后，岸基VDES系統(tǒng)會輔助岸基服務系統(tǒng)根據(jù)船舶航行區(qū)域自動更新和推送上述各類船舶航行安全信息，使船舶快速、自動、實時獲取相關航行安全數(shù)據(jù)，保障船舶航行安全。

2.VDES在船船信息交換領域的應用與發(fā)展趨勢

VDES技術的推廣應用會從根本上改變當前通過AIS僅了解船舶單一位置的現(xiàn)狀，使船舶之間能夠進一步了解各自航行意圖，從而在避碰作業(yè)中防止誤判。同時，VDES技術支持更多的船船之間信息播發(fā)，使船舶間使用直接、明確的文字進行簡單的溝通，解決當前海上航行區(qū)域船員之間語言不統(tǒng)一、表達不清晰而引起的安全問題。

3.VDES在智能船/無人船領域的應用與發(fā)展趨勢

衛(wèi)星通信無法支持實時的船-船通信，VDES技術是當前海上已知的唯一的數(shù)字通信系統(tǒng)。因此，VDES技術及其后續(xù)技術將會在智能船/無人船領域占據(jù)舉足輕重的作用，特別是對無人船在復雜海域中航行具有重要價值和意義。隨著智能經(jīng)濟的到來，智能船/無人船技術蓬勃發(fā)展，VDES技術的成熟應用和推廣將進一步促進智能船/無人船的應用。

五、結(jié)論

VDES技術是第二代海上數(shù)字通信技術，是IMO主導的e-航海戰(zhàn)略核心通信方式，對海上航行安全、海上經(jīng)濟發(fā)展及智能船/無人船的實踐應用都具有重要的意義和促進作用。因此，在當前VDES技術標準制定階段，研究VDES關鍵技術，了解VDES應用趨勢可吸引更多產(chǎn)業(yè)力量和資源進入VDES技術領域，這對促進我國海上技術發(fā)展，推進我國海上成果國際化，發(fā)展海洋強國戰(zhàn)略具有十分重要的意義。