AIS时隙选择策略浅析

摘要：AIS系统采用自组织时分多址通信方式。由于AIS终端设备在确定发射候选时隙时有可能会出现重叠现象，这样可能会导致AIS信息占用的时隙冲突，使得在该时隙上无法正常通信。针对这一问题，我们提出通过对AIS工作时隙占用数据的实时监测和统计分析结果，依据AIS航标应用要求，以最小冲突概率为目标函数，给出AIS航标数据发送时隙选择的最优策略。

关键词：AIS；时隙选择；最小冲突；最优策略

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）10-2423-03

海用AIS（Automatic Identification System）是广泛用于海上船舶识别、监控和通信的助航仪器[1]，它实现将GPS（Global Positioning System）和其他传感器提供的本船位置和导航数据按ITU RM1371协议确定的时隙自动地播发出去；使得在AIS VHF信号覆盖范围内装有海用AIS设备的所有船舶都能接收到这些助航信息，并在ECDIS（Electronic Chart Display and Information System ）屏幕上显示。这样，在同一个海域航行中装备了AIS设备的船舶之间就能够发现对方，这将可以减少船舶间碰撞事故发生，提高海上航行安全[2]。但是，随着海上交通流增大，海用AIS在预约工作时隙时，可能出现多个AIS终端碰巧预约同一个时隙，即：发生时隙冲突，造成通信失败和信息丢失，不能发现对方船舶，也就不能给船舶航行安全提供保障。为此，该文以AIS航标应用为研究对象，通过对AIS实时工作时隙进行统计分析与处理，给出最小冲突概率条件下AIS时隙选择选择的最优策略。该策略可用于AIS航标的二进制电文发送及航标监控，因此具有应用参考价值。

1 AIS时隙选择和冲突概率

ITU RM1371标准规定AIS工作过程中使用四种多址方式：ITDMA、RATDMA、FATDMA、SOTDMA[3]。下面以SOTDMA为例说明AIS的时隙选择与概率冲突问题。

SOTDMA协议中规定每个信道帧长为1分钟，划分为2250个时隙，船用AIS设备的每个广播报文占用1个时隙[4] ，并在广播当前信息帧的同时为下一次发送信息选择预约时隙。当AIS工作船站较少时，信道不忙，有许多空闲时隙可选；当信道比较繁忙时，未被预约的可选时隙就少，因此，预约时隙较难找到，甚至发生时隙冲突。下面分析AIS时隙选择和冲突概率。

1.1 AIS信息播发时隙选择

AIS通信协议规定，播发信息的时隙分配应满足以下基本原则：

1）采用固定时隙播发方式的报文应在AIS两个频率上交替发送，在指定的AIS基站上设置并播发。

2）采用其他方式播发的信息最多占用5个连续时隙。

3）当每一帧的时隙占用量超过80%时，为保证AIS信道通信畅通，将由AIS管理中心限制播发信息。

假设：每一帧的时隙数、报文报告率分别用SL、u表示；将AIS船站在一定范围内选取的时隙称为候选时隙，用SI表示它的宽度。时隙预约算法的功能就是从候选时隙中确定预约时隙。图1给出了时隙预约过程，其算法描述如下：

1）当AIS船站进入VHF覆盖区，首先侦听1分钟以上时间，通过对接收数据处理获得其他AIS的时隙占用和预约信息，建立时隙状态表。

2）计算候选时隙间隔：[NI=SL/u]；

3）确定候选时隙宽度SI=k*NI，其中： k为时隙调整因子，默认值为0.2。

4）在候选时隙中选择中间位置的时隙为标称时隙NS（Nominal Slot），如果NS为空闲时隙，则作为预约时隙；否则，继续在候选时隙内检查左侧位置和右侧位置的相邻时隙，直到找到空闲时隙为止。将该预约时隙定义为NTS（Nominal Transmission Slot），计算出该时隙的偏移量，同时为该NTS 指定一个超时值。

5）当可以选用的预约时隙到来，利用该时隙发送数据的同时将周期超时值减1[5]。

2 时隙占用实时监测

3 发射时隙选择

在AIS数据传输过程中，如何保证最小的冲突概率是时隙选择的最优化问题。根据ITU_1371协议规定AIS航标的发送时隙块范围为1～5个时隙，因此，下面给出对各种时隙数的占用进行统计分析。发送时隙数为1到5时的统计结果如表1所示，可见每种发送时隙都有多种可选方案，例如：连续发送时隙数为2时，由图4可见其前4组获选时隙具有最小的占用概率。因此，如果采用最小冲突概率准则，初始候选时隙从这4组中选择最佳，可采取从这3组中随机选取1组的方式选取。假设AIS设备已经对时隙占用概率进行统计分析，AIS航标站的最优发送时隙选择策略为：

AIS是当前保障船舶航行安全的重要技术手段，确保AIS正常工作和数据传输非常重要。通过实时接收AIS电文信息，统计分析时隙占用概率；可选择占用概率最小的时隙作为获选时隙，能够有效地达到预防或者减少时隙冲突、提高AIS工作可靠性的目的。这对确保船舶航行安全、保护海洋环境等均具有重要意义。

参考文献：

[1] 孙广，孙文强.船载自动识别系统的讨论[J].大连海事大学学报，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，许开宇，浦皆伟.AIS中四种协议的应用探讨[J].航海技术，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] 张京娟，郝燕玲.AIS 系统时隙预约选择算法的分析[J].哈尔滨工程大学学报，2002，23（5）：54-55.