基于S-TDMA的VHF数据链通信方案
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作者: 朱代武 周继华
摘要：近年来我国的民航事业飞速发展，随之而来的就是对民航无线通信系统的更高的可靠性和实用性要求。为了适应新的航行系统，国际民航组织提出了新的数据链路通信方案――甚高频数据链模式4（VDL-4）。文中主要论述VDL-4，首先介绍了VDL-4协议的基本实现方式，然后分析了VDL-4 的系统定时、时隙选择、分层结构、网络接入等关键技术，最后阐述了基于S-TDMA的VHF数据链通信方案VDL-4的优越性及实际应用，从而说明VDL-4是一种能满足新航行系统需求、极具竞争力的航空数据链。
关键词：基于S-TDMA的VHF数据链；VDL-4；分层协议；时隙选择
中图分类号：F49文献标识码：A文章编号：1672-3198（2012）06-0151-02
1 基于S-TDMA的VHF数据链通信方案VDL-4概述
VDL模式1、VDL模式2、VDL模式3和VDL模式4为甚高频数据链路（VDL）方案的4种模式。VDL模式4即Very High Frequency Data Link Mode 4。20世纪80年代瑞典提出这种基于S-TDMA的VHF数据链通信方案，既可以应用于空对空的通信，又可应用于空对地的通信。VDL-4是基于OSI七层模型和STDMA协议的，即使在无主控站的情况下用户也可以使用它进行通信，VDL-4还可以通过对ADS-B等技术的使用，定期对飞机的位置和身份等信息进行广播，使飞行中的飞机可以了解相互之间位置、高度等信息，摆脱对雷达和地面管制的依赖。
2 VDL系统技术
2.1 VDL-4系统定时
VDL-4基于S-TDMA协议，严格的定时同步便成了系统内站点首先需要做到的，继而满足严格的可用性、连续性、准确性和完整性的要求，这样在无人介入的条件下站点可以方便的访问共享信道。VDL-4用来同步的时间标准是UTC（Universal Time Coordinated），这是基于全球卫星导航系统GNSS（Global Navigation Satellite System）或者与UTC相关的其他定时源的时间标准。这些定时源主要有：
（1）全球卫星导航系统，它是首选的时钟源，GNSS接收器可以直接提供。
（2）来自地面站的UTC同步信息。
（3）机载定时源，如原子钟等。
（4）其他的移动站提供的同步信息。
2.2 VDL-4系统的时隙选择
VDL-4系统还有一个重要特征就是时隙选择，对时隙进行充分的使用，并减轻信道负荷是其基本思想。信道闲置时，站点选择取决于时隙是否预约，这时候站点只会选择未被预约的时隙进行通信；而在信道繁忙、时隙又已被其他站点预约时，其他站点预约的时隙就会被站点拿来使用。
其他站点预约的时隙需要被有效地使用，这时同信道干扰（CCI）保护应该被遵循。飞机的间距是CCI保护的基础，例如:同一时隙下，站点X与站点Y发射信息，而站点Y直接向站点Z发送信息，则定义它们的间距比为CCI保护应保证此间距比大于某个参数值，对于GFSK调制方式，该参数值设为12dB。
2.3 VDL-4协议栈分层结构概述
VDL-4的协议栈的设计使用了内部分层结构，这种设计使得其结构清晰，同时易于实现。由下而上的四个子层分别为：媒体访问控制MAC（Media Access Control）子层，VDL-4特殊服务VSS（VDL MODE 4 Specific Services）子层，数据链路DLS（Data Link Services）子层和链路管理实体LME（Link Management Entity）子层。每个子层都可以起到相对独立的作用，接受下面的子层的服务，并向上面的子层提供服务。图1中显示了VDL-4协议栈内部机构以及一些特殊应用是怎样通过VDL-4协议栈实现。
图1 VDL-4的分层结构图中采用的是五层的网络协议体系结构，这种参考模型由Andrew S.Tanenbaum在《计算机网络》一书中提出并使用，用实箭头来表示VDL-4各内部子层之间的关系，用虚线箭头来表示VDL-4内部子层与其他层之间的关系。
MAC子层：主要功能是对时隙进行划分，实现TDMA，对时隙开始时刻的同步脉冲进行检测，对信道的工作状态进行检测，对数据帧和数字电台之间进行发送和接收。
VSS子层：主要功能是通过使用多种时隙预约协议，实现S-TDMA，并对时隙预约表进行维护，完成时隙的选择。在稳定状态下的VSS子层的工作方式一般是先预约后发送，而在不稳定状态下（没有完全预约表）则采用p坚持CSMA策略来发送数据。在信道资源饱和时，为了保障通信的正常，一般采用Robin Hood准则和点对点通信的CCI（Co-Channel Interference）保护准则来对信道资源进行重点使用，当然对系统的整体性能不构成影响是基本准则（当系统信道繁忙时，使用Robin Hood准则的站点可以借用其他站点的预约时隙进行数据通信，前提条件是被借用站点距离当前站点要最远，满足了这个前提的广播，其范围减小的幅度是平缓的。而在点对点通信时的CCI保护就是利用接受站可以捕获较强信号的特性（两个信号的功率相差12dB的时候），进行点对点通信的时隙复用。精简灵活的数据包格式也是VSS子层的一个显著特点，而且它可以在通信的同时捎带预约信息。VDL-4通过这种特有的数据包来支持高效的短消息交换和实时业务。）
DLS子层：主要使用异步数据传输的方式，向网络层和传输层（即上层用户）提供服务，这其中有面向连接的点对点通信服务也有面向无连接的广播服务。
LME子层：主要功能是使网络在系统刚开始启动的时刻就完成接入。在点对点通信开始时建立链路；在通信过程中监视链路的质量，维护通信链路；当通信结束时释放链路。“同步数据包（synchronization burst）”是一种数据结构，他使用VDL-4协议，可以在站点之间进行信息的交换，例如，站点的水平位置、速度、高度等信息，它支持VDL-4的一些特殊应用，LME子层就是负责组织这种同步数据包。
2.4 VDL-4系统的站点网路接入方式
VDL-4系统的站点网路接入方式是根据其时隙预约表的不同而不同。当时隙预约表完整时，站点首先要对数据传输的起始位置进行一个判断，为完成判断，站点将对标定的时隙进行计算，根据计算结果并通过一定的时隙选择方法，将备选的时隙从标定的时隙周围选出进行数据传输；在时隙预约表不完整的情况下，站点使用的网络接入方式则会完全不同，主要采用以下几种方式：一种是站点在等待一分钟后将自己的位置进行广播，这种接入方式使用的是组合周期性广播和增量广播协议；另一种是站点在几秒之内广播自己的位置，其他时间则不广播，这种方式使用了接入网协议。接入网协议主要有三种实现方法:BND预约传输、半时隙传输和请求-响应传输。BND预约主要是为了对抖动范围之外的流进行修正，它可以在突发信息中传输，无论这种突发信息是标定或延迟，当然它也可以在标定的同步突发信息中使用；半时隙传输过程则通过P连续算法的使用，有效地杜绝了同一时隙内不同站点进行传输的情况的发生；在没有预约表信息的情况下，用户如果必须通过对时隙进行预约才能进行数据的传输，则就需要用到请求-响应传输。
3 基于S-TDMA的VHF数据链通信方案VDL-4的优越性
VDL-1是一种甚高频的地空数据链，这种数据链面向比特，调制方式是MSK-AM，使用CSMA方式，系统的容量比较有限。
VDL-2作为早期民航广为使用的数据通信方案，其优越性主要体现在对空中交通服务的有效支持上。但其缺陷也非常明显，当负荷比较高时，采用P-坚持CSMA机制对共享信道进行访问的VDL-2协议就会出现问题，其数据的延迟现象开始显著，数据传输的吞吐量也大大恶化，使其无法支持实时业务的处理。
VDL-3支持全部的空中交通服务应用，但它使用集中控制方式，采用TDMA制式，这就使得使用VDL-3协议的用户必须要通过地面上的中心站点访问通信信道，同步定时信号也必须由中心站点提供。因此VDL-3协议的缺点就比较显著：地利条件对其使用约束较大，而且空对空的通信也没有办法直接进行。
VDL-4协议与上面几种协议相比较，优越性明显，它支持全部的空中交通服务应用及CNS/ATM应用，毫无疑问是最适合新一代航行系统的底层通信方案。VDL-4协议的同步定时信号由全球卫星导航系统即GNSS提供，使用S-TDMA制式，即使在没有地面站点的支持下也可以进行有效的空对空数据传输。采用分布式计算，各个站点对连接公用信道的时隙进行分布计算，同时对预约信息进行广播。VDL-4的时隙间隔与VDL-3相比较小（30或40ms），而且在稳定状态下，数据的传输延迟是可以预估的，因为各个站的数据都是在预约的前提下发送，这些特点使得VDL-4可以较好的支持实时性作业。VDL-4的调制方式采用了GFSK技术，这种方式对Robin Hood和CCI信道重用技术都有较好的支持，在这些技术的支持下VDL-4协议可以更高效的利用通信信道的带宽。即使在信道的负载饱和或过载时，VDL-4也可以有效地确保系统的数据传输能力，其采用的方式就是对甚高频蜂窝的大小进行逐步的缩小，这样整个系统的通信状态都可以维持在较好的水平上。
综上比较可以看出：VDL-4协议与VDL-2协议相比较，优越性主要体现在时分多路访问方式的使用，使得VDL-4可以处理实时性的业务；与VDL-3协议相比较，VDL-4的主要优点在于协议采用的时隙时长更短，并且通过对全球卫星导航系统的使用和特殊的时隙选择算法使通信更加灵活方便，摆脱了对地理条件的依赖；而且Robin Hood和CCI信道重用技术赋予了VDL-4更高的信道使用效率。所以说，VDL-4协议更适合民航新一代通信系统的需要。
4 VDL-4在ADS-B（自动相关监视）中的应用
VDL-4的应用极其广泛，下面介绍的是其特殊应用之一，广播式自动相关监视ADS-B（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast），这也是其他航空服务的基础。ADS-B可用于检测飞机或场面车辆行驶，这就要求飞机和车辆定期将自己的矢量状态进行广播（包括水平和垂直位置，水平和垂直速度）和其他信息，其内容就被称作ADS-B报告。ADS-B报告自动生成，即ADS-B报告发送过程中的周期性特质不需要外部的轮询。用户可以接受广播覆盖范围内的报告，并可以取得该站点的信息。ADS-B报文中包含了相当丰富的信息，比如：精确的经度和纬度信息、移动站方向的速度、转向指示信息、UTC时间信息等等。丰富的信息可以为上层应用提供足够的支持。
参考文献
［1］李楠，陈颖，夏毅强.VDL4:一种新型航空VHF数据链［A］.电讯技术，2003，（6）.
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