船舶自动识别系统（AIS）的网络性能研究
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摘要
AIS是一种船舶监测系统，并隶属于无线移动通信网络范畴，其网络性能是AIS的研究及应用中的一个关键问题。本论文就以源自交通部科教司的课题“基于STDMA技术的船载自动识别系统的基础研究”为背景，针对AIS的网络吞吐性能、监测容量及网络半径等问题，开展了广泛而深入的研究，并取得了一些成果。
本文首先简要介绍了船载自动识别系统的发展概况及其系统结构和原理，进而对AIS的通信原理即自组织时分多址(STDMA)通信原理进行了分析，并尝试性地建立起一套AIS的网络性能评价指标。然后基于这些原理和指标，以IMO、IEC及ITU等国际组织所建立的AIS相关的国际标准为依据，分别对AIS的网络吞吐性能、监测容量以及网络半径等重要性能进行了深入的分析和研究，并得出以下结论：
1)当AIS台站得到完全组织，且负载低于60.5％的情况下，其吞吐率几乎是100％。在不完全组织且负载不一定低于60.5％的情况下，则根据距离AIS台站的远近将其监测范围从近到远划分成三个区域，即保护区域、识别区域以及混淆区域。当负载较高时(高达500％)，在保护区域内仍然可获得很好吞吐性能，从而保证了近距离物标的可见。因此，AIS的吞吐性能是能够满足航海需求的。
2)一般情况下，在VTS管区水域内AIS的监测容量为814艘，在非VTS管区的航行水域内AIS的监测容量为246艘。因此，目前AIS的应用是能够满足当前各个水域中船舶数量的要求的。但在将来或是在交通非常繁忙的水域，则有必要再采取一些相应的措施。
3)AIS的网络半径主要受限于AIS中VHF频段的无线电波直线传播特性。因此，它主要跟AIS台站的天线高度有关，一般情况下认为船舶AIS台站的监测范围为25海里，VTS的AIS台站的监测范围为45海里。在两船对遇初期，该范围有可能会受到一定的削弱，但一般不会超过1海里。另外，当发生同步时源丢失的情况时，监测范围也会受到影响，但在同步时源丢失后的3个小时内仍能满足AIS的监测范围要求。因此，正常情况下，AIS的监测范围是能够满足航海需要的。
AIS is a kind of ship surveillance system, belonging to the wireless mobile communication network category, and the network performance is a key problem in the research and application of AIS. Based on the project "Study on The Basic Theory AIS Based on STDMA Technology" organized by the Ministry of Communications of the P.R.C., a broad and deep research on the network throughput, monitoring capacity and monitoring radius is developed in this paper and some useful results are obtained.
Firstly in this paper, the development course of AIS and its basic operation principles are introduced briefly, and also the communication principle of STDMA is analyzed. Then, based on these principles, regard AIS related international standards set up by IMO, IEC and ITU as basis, the network performance of AIS, such as throughput, monitoring capacity and monitoring radius were profoundLy studied. By the analysis and study of the network performance of AIS, several conclusions were drawn as follows:
1) When got fully organized and the network load is lower than 60.5%, the throughput of AiS is almost 100%. While not fully organized and the network load may not lower than 60.5%, then according to the distance to AIS stations, the monitoring area of AIS is divided into 3 zones. From close-by to far-off, the 3 zones are: protected zone, discrimination zone and garbled zone. When load is relatively high, even 500%, very good performance of throughput can still be achieved in the protected zone, thus guaranteeing that the close quarter things can be caught. So, the performance of AIS's network throughput can satisfy navigation demand.
2) Under general situations, the monitoring capacity of AIS is 814 ships in the VTS waters and 246 ships in non-VTS waters. So, the application of AIS can satisfy request for the quantity of shipping in each waters at present. But in the future or in the waters with very heavy traffic it is necessary to adopt corresponding measures.
3) The monitoring range of AIS is mainly limited to line-sight characteristic of the radiowave of VHF frequency. So, it is mainly related to the height of AIS's antenna. Generally, the ship AIS's monitoring range is 25 nautical miles and the VTS AIS's monitoring range is 45 nautical miles. In the initial stage of ships' meeting, this range may be impacted a certain one, but it would be less than 1 nautical mile. In addition, were the synchronization time source lost, the monitoring range might aIso be impacted. But within 3 hours after the loss of time source, it could still maintain its normal values. So, under the normal situation, the monitoring range of AIS can meet the demands of navigation.
本文首先简要介绍了船载自动识别系统的发展概况及其系统结构和原理，进而对AIS的通信原理即自组织时分多址(STDMA)通信原理进行了分析，并尝试性地建立起一套AIS的网络性能评价指标。然后基于这些原理和指标，以IMO、IEC及ITU等国际组织所建立的AIS相关的国际标准为依据，分别对AIS的网络吞吐性能、监测容量以及网络半径等重要性能进行了深入的分析和研究，并得出以下结论：
1)当AIS台站得到完全组织，且负载低于60.5％的情况下，其吞吐率几乎是100％。在不完全组织且负载不一定低于60.5％的情况下，则根据距离AIS台站的远近将其监测范围从近到远划分成三个区域，即保护区域、识别区域以及混淆区域。当负载较高时(高达500％)，在保护区域内仍然可获得很好吞吐性能，从而保证了近距离物标的可见。因此，AIS的吞吐性能是能够满足航海需求的。
2)一般情况下，在VTS管区水域内AIS的监测容量为814艘，在非VTS管区的航行水域内AIS的监测容量为246艘。因此，目前AIS的应用是能够满足当前各个水域中船舶数量的要求的。但在将来或是在交通非常繁忙的水域，则有必要再采取一些相应的措施。
3)AIS的网络半径主要受限于AIS中VHF频段的无线电波直线传播特性。因此，它主要跟AIS台站的天线高度有关，一般情况下认为船舶AIS台站的监测范围为25海里，VTS的AIS台站的监测范围为45海里。在两船对遇初期，该范围有可能会受到一定的削弱，但一般不会超过1海里。另外，当发生同步时源丢失的情况时，监测范围也会受到影响，但在同步时源丢失后的3个小时内仍能满足AIS的监测范围要求。因此，正常情况下，AIS的监测范围是能够满足航海需要的。
AIS is a kind of ship surveillance system, belonging to the wireless mobile communication network category, and the network performance is a key problem in the research and application of AIS. Based on the project "Study on The Basic Theory AIS Based on STDMA Technology" organized by the Ministry of Communications of the P.R.C., a broad and deep research on the network throughput, monitoring capacity and monitoring radius is developed in this paper and some useful results are obtained.
Firstly in this paper, the development course of AIS and its basic operation principles are introduced briefly, and also the communication principle of STDMA is analyzed. Then, based on these principles, regard AIS related international standards set up by IMO, IEC and ITU as basis, the network performance of AIS, such as throughput, monitoring capacity and monitoring radius were profoundLy studied. By the analysis and study of the network performance of AIS, several conclusions were drawn as follows:
1) When got fully organized and the network load is lower than 60.5%, the throughput of AiS is almost 100%. While not fully organized and the network load may not lower than 60.5%, then according to the distance to AIS stations, the monitoring area of AIS is divided into 3 zones. From close-by to far-off, the 3 zones are: protected zone, discrimination zone and garbled zone. When load is relatively high, even 500%, very good performance of throughput can still be achieved in the protected zone, thus guaranteeing that the close quarter things can be caught. So, the performance of AIS's network throughput can satisfy navigation demand.
2) Under general situations, the monitoring capacity of AIS is 814 ships in the VTS waters and 246 ships in non-VTS waters. So, the application of AIS can satisfy request for the quantity of shipping in each waters at present. But in the future or in the waters with very heavy traffic it is necessary to adopt corresponding measures.
3) The monitoring range of AIS is mainly limited to line-sight characteristic of the radiowave of VHF frequency. So, it is mainly related to the height of AIS's antenna. Generally, the ship AIS's monitoring range is 25 nautical miles and the VTS AIS's monitoring range is 45 nautical miles. In the initial stage of ships' meeting, this range may be impacted a certain one, but it would be less than 1 nautical mile. In addition, were the synchronization time source lost, the monitoring range might aIso be impacted. But within 3 hours after the loss of time source, it could still maintain its normal values. So, under the normal situation, the monitoring range of AIS can meet the demands of navigation.
引文
[1] 王世远主编，航海雷达与 ARPA，1998年，大连海事大学出版社
[2] 林闯，计算机网络和计算机系统的性能评价，2001年，清华大学出版社
[3] Andrew S．Tanenbaum 著，算机网络，第3版，2000年，清华大学出版社
[4] Sami Tabbane 著，无线移动通信网络，2001年，电子工业出版社
[5] 樊昌信等编著，通信原理，第5版，2001年，国防工业出版社
[6] Joseph L．Hammond，Peter J．P．O Reilly 著，计算机局域网性能分析，1991年，人民邮电出版社
[7] 盛骤等编．概率论与数理统计，第2版，1999年，高等教育出版社
[8] 陆大淦，随机过程及其应用，2000年，清华大学出版社
[9] 陈明，通信与信启、工程中的随机过程，2001年，东南大学出版社
[10] 陈鑫林编著，现代通信中的排队论，1999，电子工业出版社
[11] RECOMMENDATION ITU-R M.1371 TECHNICAL CHARACTERISTICS FOR A UNIVERSAL SHIPBORNE AUTOMATIC IDENTIFICATION SYSTEM USING TIME DIVISION MULTIPLE ACCESS IN THE VHF MARITIME MOBILE BAND (Question ITU-r 28/8),1998
[12] IALA TECHNICAL CLARIFICATIONS ON RECOMMENDATION ITU-R M.1371-1 (EDITION 1.3), 2002
[13] GUIDELINES ON AIS AS AVTS TOOL, 2001
[14] IALA GUIDELINES ON THE UNIVERSAL AUTOMATIC IDENTIFICATION SYSTEM(AIS) VOLUME 1, PART Ⅰ-OPERATIONAL ISSUES EDITION 1.1, 2002
[15] IALA GUIDELINES ON THE UNIVERSAL AUTOMATIC IDENTIFICATION SYSTEM(AIS) VOLUME 1, PART Ⅰ-TECHNICAL ISSUES EDITION 1.1, 2002
[16] VDL MODE 4 MANUAL, 1997, SWEDEN
[17] INTERNATIONAL CONVENTION FOR THE SAFETY OF LIFE AT SEA, 1974 CHAPTER V SAFETY OF NAVIGATION & RELATED
GUIDELINES(ADOPTED BY MSC 73), 2002, IMO
[18] SUB-COMMITTEE ON SAFETY OF NAVIGATION 46th session Agenda item 10.2, NAV46/10, 20 March 2000
[19] Rikard Kjellberg, CAPACITY AND THROUGHPUT USING A SELF ORGANIZED TIME DIVISION MULTIPLE ACCESS VHF DATA LINK IN SURVEILLANCE APPLICATIONS, The Royal Institute of Technology Stockholm, Sweden, 1998
[20] AUTOMATIC IDENTIFICATION SYSTEM (AIS) A REPORT BASED ON PRESENTATIONS TO POTENTIAL USERS Organised by The Royal Institute of Navigation, 2000
[21] 杨秉曦，船舶自动识别系统国际标准及其制定，交通标准化，2002(1)
[22] 孙文力，海上自组织VHF无线数据链路技术，全国飞机与船舶通信导航学术研讨会论文集(2000年10月，昆明)下，导航编辑部
[23] 王世远、许开字，AIS及其应用前景预测，全国飞机与船舶通信导航学术研讨会论文集(2000年10月，昆明)下，导航编辑部
[24] 刘人杰、刘畅、黄习刚，船舶自动识别系统的信息传输，中国航海，2002(3)
[25] 王飞舟、张英俊、范成粱，自组织时分多址接续系统的吞吐模型，大连海事大学学报，2002(2)，Vol28
[26] 孙广，孙文强 船载自动识别系统的讨论，大连海事大学学报，1999(3)
[27] 林长川、东昉，基于多因素模糊综合决策的AIS与雷达航迹关联算法与仿真，大连海事大学学报，2003(1)，Vol．29
[28] Johnsson L. The cellular CNS concept (CCC) operating concept based on the VHF STDMA data link, Navigation, 1996,44(176)
[29] 张京娟、陈实如、郝燕玲，船舶自动识别系统的研究，中国航海．2002(4)
[30] 刘桂云，SOTDMA在船载AIS中的应用，中国航海，2003(1)
[31] 田乃硕、金顺福，时分多路(TDMA)协议的性能分析，燕山大学学报，2002
[32] 张军、张其善、邓秋林，NEW DYNAMIC SLOT ASSIGNMENT SCHEME OF SELF-ORGANIZED TDMAVHF DATALINK，航空学报，2000(3)，Vol13
[33] 张军、李宏、李忠孝、张其善，一种新的自组织时分多址甚高频数据链隐藏终端分析方法，电子学报，2001(12)
[34] 徐志京、许开宇、浦皆伟，AIS中四种应用的协议探讨，航海技术，2003
[35] 胡道元编著，计算机局域网，第3版，2002年，清华大学出版社
[36] 王小金，船载AIS和导航雷达在使用中应优势互补，航海技术，2002(6)
[37] 吴华锋、孙文力，MORE ATTENTION OF AIS DRAWN ON SHIP'S OFFICERS，大连海事大学学报，2002，Vol．28，Suppl．
[38] 吴华锋、孙文力，恐怖主义活动给AIS带来的隐患，大连海事大学、台湾海洋大学，第二届海峡两岸航运科技学术研讨会，2003，大连海事大学出版社
[39] 王逢辰、古文贤，船舶操纵与避碰，1998年，人民交通出版社
[40] 郭禹，航海学，1999年，大连海事大学出版社
[41] 杨梅、刘人杰、柳晓鸣，基于船载自动识别系统的海事信息网建设方案，大连海事大学学报，2003(3)，Vol29
[42] Theodore S.Rappaport, WIRELESS Communications, PUBLISHING HOUSE of ELECTRONIC INDUSTRY
[43] 王伟时，AIS岸基网络方案的设想，航海技术，2003(2)
[44] 方祥麟，VTS当前发展未来展望与AIS技术的应用，中国航海，2002(1)
[45] 刘畅，船舶自动识别系统及其在VTS中应用的关键技术研究，大连海事大学
[46] ICAO AMCP WG-D. Draft VDL mode4 standards and recommended practices (Version 5.4), VDL SARPs WG-D/6. 1997
[47] 喻莉，现代通信网络性能分析建模与仿真研究，华中理工大学，1999
[48] 王飞舟，船舶动态监测技术的研究，大连海事大学，2002
[49] 迟卫、石爱国、张永胜、侯建军、蔡烽、万林，军船自动识别系统研究，舰船科学技术，2003(5)，Vol25
[50] 孙文力，基于STDMA技术的船载自动识别系统(AIS)的基础研究，2002年，大连海事大学出版社
[51] David J．Kruglinski、Scot Wingo、George Shepherd著，Visual C++技术内幕6．0，第5版，2001年，北京希望电子出版社
[2] 林闯，计算机网络和计算机系统的性能评价，2001年，清华大学出版社
[3] Andrew S．Tanenbaum 著，算机网络，第3版，2000年，清华大学出版社
[4] Sami Tabbane 著，无线移动通信网络，2001年，电子工业出版社
[5] 樊昌信等编著，通信原理，第5版，2001年，国防工业出版社
[6] Joseph L．Hammond，Peter J．P．O Reilly 著，计算机局域网性能分析，1991年，人民邮电出版社
[7] 盛骤等编．概率论与数理统计，第2版，1999年，高等教育出版社
[8] 陆大淦，随机过程及其应用，2000年，清华大学出版社
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[17] INTERNATIONAL CONVENTION FOR THE SAFETY OF LIFE AT SEA, 1974 CHAPTER V SAFETY OF NAVIGATION & RELATED
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[25] 王飞舟、张英俊、范成粱，自组织时分多址接续系统的吞吐模型，大连海事大学学报，2002(2)，Vol28
[26] 孙广，孙文强 船载自动识别系统的讨论，大连海事大学学报，1999(3)
[27] 林长川、东昉，基于多因素模糊综合决策的AIS与雷达航迹关联算法与仿真，大连海事大学学报，2003(1)，Vol．29
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[29] 张京娟、陈实如、郝燕玲，船舶自动识别系统的研究，中国航海．2002(4)
[30] 刘桂云，SOTDMA在船载AIS中的应用，中国航海，2003(1)
[31] 田乃硕、金顺福，时分多路(TDMA)协议的性能分析，燕山大学学报，2002
[32] 张军、张其善、邓秋林，NEW DYNAMIC SLOT ASSIGNMENT SCHEME OF SELF-ORGANIZED TDMAVHF DATALINK，航空学报，2000(3)，Vol13
[33] 张军、李宏、李忠孝、张其善，一种新的自组织时分多址甚高频数据链隐藏终端分析方法，电子学报，2001(12)
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[35] 胡道元编著，计算机局域网，第3版，2002年，清华大学出版社
[36] 王小金，船载AIS和导航雷达在使用中应优势互补，航海技术，2002(6)
[37] 吴华锋、孙文力，MORE ATTENTION OF AIS DRAWN ON SHIP'S OFFICERS，大连海事大学学报，2002，Vol．28，Suppl．
[38] 吴华锋、孙文力，恐怖主义活动给AIS带来的隐患，大连海事大学、台湾海洋大学，第二届海峡两岸航运科技学术研讨会，2003，大连海事大学出版社
[39] 王逢辰、古文贤，船舶操纵与避碰，1998年，人民交通出版社
[40] 郭禹，航海学，1999年，大连海事大学出版社
[41] 杨梅、刘人杰、柳晓鸣，基于船载自动识别系统的海事信息网建设方案，大连海事大学学报，2003(3)，Vol29
[42] Theodore S.Rappaport, WIRELESS Communications, PUBLISHING HOUSE of ELECTRONIC INDUSTRY
[43] 王伟时，AIS岸基网络方案的设想，航海技术，2003(2)
[44] 方祥麟，VTS当前发展未来展望与AIS技术的应用，中国航海，2002(1)
[45] 刘畅，船舶自动识别系统及其在VTS中应用的关键技术研究，大连海事大学
[46] ICAO AMCP WG-D. Draft VDL mode4 standards and recommended practices (Version 5.4), VDL SARPs WG-D/6. 1997
[47] 喻莉，现代通信网络性能分析建模与仿真研究，华中理工大学，1999
[48] 王飞舟，船舶动态监测技术的研究，大连海事大学，2002
[49] 迟卫、石爱国、张永胜、侯建军、蔡烽、万林，军船自动识别系统研究，舰船科学技术，2003(5)，Vol25
[50] 孙文力，基于STDMA技术的船载自动识别系统(AIS)的基础研究，2002年，大连海事大学出版社
[51] David J．Kruglinski、Scot Wingo、George Shepherd著，Visual C++技术内幕6．0，第5版，2001年，北京希望电子出版社
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