空管通信系统PPT.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 空管通信系统,1,课程流程,3.1,空管通信的特点,3.2,空管通信的体制及技术,3.3,空管数据链通信系统,3.4 ATN,3.5,中国民航甚高频数据链技术的应用与发展,2,内容安排,3.1,空管通信的特点,3.2,空管通信的体制及技术,3.3,空管数据链通信系统,3.4 ATN,3.5,中国民航甚高频数据链技术的应用与发展,3,3.1,空管通信的特点,空管通信是新航行系统中的一个必要条件,广泛应用的卫星通信、数据通信以及,ATN,等,使系统的地地、空地和空空通信有机地融为一体,主要包含以下两个特点：,数字化,:,数据链,全球化,:ATN(),4,3.1,空管通信的特点,数据链是空管通信数字化特点的体现，是通信系统的核心，是数据通信的应用,实现人人、机机和人机间的数据传递,类型包括高频数据链、甚高频数据链、,S,模式二次雷达数据链和,AMSS,。,基本作用概括为：保证、共享、实时监视与克服,5,3.1,空管通信的特点,空管通信全球化的特点体现为,ATN,ATN,是全球范围内用于航空的数字通信网络和协议，将航空运输界的机载计算机系统与地面计算机系统连接起来，能支持多国和多组织的运行环境。,6,3.1,空管通信的特点,ATN,按照,ISO,的,OSI 7,层模型构造，协议基于开放式系统互连结构、面向比特。主要由,3,个子网构成，包括：,机载电子设备通信子网（数据链管理系统）,空地通信子网,地面通信子网（分组交换网、局域网）,路由器,7,内容安排,3.1,空管通信的特点,3.2,空管通信的体制及技术,3.3,空管数据链通信系统,3.4 ATN,3.5,中国民航甚高频数据链技术的应用与发展,8,3.2,空管通信的体制及技术3.2.1,空管通信的体制,3.2.2,空管数据链通信技术,9,3.2.1,空管通信的体制,航空通信系统的划分,从业务上：航空固定业务（平面业务）,航空移动业务（空地通信）,航空固定业务（,AFS,）：指在固定地点之间的电信业务，该业务由航空固定电信网（,AFTN,）来完成，并逐步向,ATN,过渡,10,3.2.1,空管通信的体制,航空移动业务（空地通信）：指航空器电台与航空地面对空电台之间或航空器电台之间的无线电通信业务,主要包括：甚高频通信，高频通信和航空移动卫星业务,11,3.2.1,空管通信的体制,航空通信系统从传输信息对象划分：,话音通信和数据通信,简单介绍各种话音通信,甚高频话音通信：频率范围是,118,136.975MHz,，频率间隔,25KHz,。,沿直线视距传播，采用双边带调幅（,DSB,AM,）工作方式,12,3.2.1,空管通信的体制,高频话音通信：频率范围是,2.8,22MHz,，频率间隔,100Hz,；靠电离层反射，可以覆盖几千公里，但通话质量较差,卫星话音通信：以卫星数据通信为基础，通话质量好，但费用较高,总结：随着飞机数目的激增，人员语言表达 等问题阻碍了话音通信的使用，催生出新的面向民用的航空数据链。,13,3.2.1,空管通信的体制,航空数据链系统一般由传感器系统、通信子系统、链路控制子系统和信息处理显示子系统等构成，成为发展的主导,克服了航空话音通信系统传输速度慢、占用信道时间长、可靠性差等缺点，并且具有抗干扰能力强、误码率低的特点,航空数据链按应用对象不同分为军用航空数据链和民用航空数据链,14,3.2.1,空管通信的体制,按使用频段不同分为：,高频数据链、甚高频数据链、超高频（,UHF,）数据链、,L,频段数据链和卫星数据链。,航空数据链按信息传输对象的位置分为：,空空数据链（又称机间数据链）、空地数据链地和地数据链,15,3.2.1,空管通信的体制,空空数据链系统：实现飞机间的数据通讯，为实现自由飞行奠定基础,空地数据链系统：将飞机位置，飞行状态等各种信息传送给地面设备和人员，实现驾驶员与管制员之间的双向信息交换,地地数据链系统：实现管制中心之间，以及管制中心与其他地面仪器及部门之间的信息交换,16,3.2.1,空管通信的体制,航空数据链应用于民用航空，根据业务类型可以分为四类：,（,1,）空中交通服务,（,2,）航空管理通信,（,3,）航空行政管理通信（,AAC,）,（,4,）航空旅客通信（,APC,）,在这四类数据通信中，空中交通服务和航空管理通信与飞行安全和效率有关，具有高优先级。,17,3.2.1,空管通信的体制,利用航空数据链技术产生了一种新的监视手段,自动相关监视（,ADS,）,自动相关监视（,ADS,）的定义：,自动相关监视是用于空中交通服务（,ATS,）的一种技术，即飞机通过数据链自动提供机载导航和定位系统导出的各种数据。,释义：,Automatic,（自动）：无需机组人员人工发送信息。,Dependent,（相关）：地面依据飞机的报告得知飞机的,位置，信息来自飞机本身而不是地面站。,Surveillance(,监视,),：飞机的位置得到监视。,18,ATN,ATS,网及各种地面专用网络,IMMRSSAT,GNSS,显示,数据链,Ground,信源,数据链（,B,模式）,ADS,技术原理简介,19,3.2,空管通信的体制及技术,3.2.1,空管通信的体制,3.2.2,空管数据链通信技术,20,3.2.2,空管数据链通信技术,已使用和即将使用的数据链技术包括：,1.S,模式二次雷达数据链,它是下一代地基雷达监视系统，与,A,、,C,模式数据链交互通信，同时提供独立的监视能力，并且完全与,ATN,兼容,使用选择询问的技术，排除了,A,、,C,模式现存的问题。并与之完全兼容,支持现在使用,1030MHz/1090MHz,的飞机通信选址报告系统（,ACARS,）,21,3.2.2,空管数据链通信技术,2,、,VDL,模式,1,低速,的、,面向比特,的数据传输系统,在,甚高频频段,，调制方式为,AM,MSK,使用载波侦听多路访问（,CSMA,）的媒质访问方式,物理层与现有,ACARS,系统一致，速率为,2400bit/s,采用地面网管集中处理的方式。,22,3.2.2,空管数据链通信技术,3.VDL,模式,2,类似,VDL,模式,1,，使用差分,8,相相移键控（,D8PSK,）调制,速率,31.5Kbit/s,。在欧、美广泛应用。,4.VDL,模式,3,是目前,ICAO,建议未来的系统，调制方式为,D8PSK,，速率为,31.5Kbit/s,。,使用,TDMA,方式，每,120ms,为一帧，每帧,4,个,30ms,的时隙，每个时隙形成独立的双向地空链路，上、下行链路使用同一频率，可以传输模拟话音，也可传输数据。,23,3.2.2,空管数据链通信技术,5.VDL,模式,4,VDL,模式,4,是瑞典推出的一种甚高频数据链，它以标准的,25KHz,带宽进行数据通信。,媒质访问方式是,S,TDMA,，基于,OSI,参考模型，支持,19.2Kbit/s GFSK,调制速率和,31.5Kbit/s D8PSK,调制速率。,信道被划分为固定时间长度的时隙。,与,VDL,模式,3,不同的是它不需要地面处理和管理设施，但目前不支持话音通信，只支持各种地空、空空数据链通信应用。,24,3.2.2,空管数据链通信技术,6.,高频数据链,支持飞机使用短波完成数据通信，面向比特，符合,OSI,模型。,7.AMSS,支持地空数据链通信的实施。以三种主要方式运行：,静止轨道卫星（,GEOS,）、中轨道卫星（,MEOS,）、低轨道卫星（,LEOS,）。,航空移动卫星（航路）业务（,AMS,（,R,）,S,）是,AMSS,中的特殊部分，提供独立的,ATC,服务，移动地球站安装在飞机上。,25,3.2.2,空管数据链通信技术,8.MLS,是满足所有各型飞机、各类精密进近着陆引导、所有运行需求的系统。,使用差分相移键控（,DPSK,）调制、反复发送、周期冗余检查和低比特误码率来确保其完整性和性能。该链路支持导航地基增强系统（,GBAS,）。,MLS,运行在,5030,5091MHz,，以,300kHz,的频道间隔提供,200,个通道。,MLS,提供对空数据广播能力来支持执行精密进近所必要的数据，包括基本的,MLS,数据、,MLS,区域导航数据和地面风数据。,26,3.2.2,空管数据链通信技术,9.,导航数据链,第一代,GNSS,基于,GPS,和,GLONASS,导航卫星星座，一般通过其增强系统来改善精度、完整性、连续性和可用性，包括星基增强系统（,SBAS,）和地基增强系统（,GBAS,）,SBAS,服务的覆盖面与同步卫星的相同,GBAS,使用的频段可从,C,波段或者甚高频波段选择。在甚高频波段上其调制方式为,D8PSK,或者,GFSK,。,D8PSK,工作在,108,117.975MHz,，选用,ILS,和全向信标台（,VOR,）使用的导航频段的信道间隔。,GFSK,将使用相同频段，,TDMA,调制方式，不具备运行在,25kHz,频道间隔的能力。,27,3.2.2,空管数据链通信技术,10.ACARS,ACARS,是基于甚高频的数据通信系统，通过发送一套预先编码的电报交换各种信息,面向字符，不满足,ISO,的,OSI/RM 7,层体系结构。采用,MSK,调制的模拟电台，信息传输率最高只能达到,2.4Kbit/s,采用的,ARINC 618,协议和,ARINC 620,协议是典型的文本电报字符格式,28,3.2.2,空管数据链通信技术,CNS/ATM,数据链一览表,CNS/ATM,数据链一览表,29,内容安排,3.1,空管通信的特点,3.2,空管通信的体制及技术,3.3,空管数据链通信系统,3.4 ATN,3.5,中国民航甚高频数据链技术的应用与发展,30,3.3,空管数据链通信系统,本节主要介绍数据链通信系统包括甚高频数据链、卫星数据链、高频数据链和,S,模式二次雷达数据链,3.3.1,甚高频数据链系统,3.3.2,卫星数据链系统,3.3.3,高频数据链系统,3.3.4 S,模式二次雷达数据链系统,31,3.3.1,甚高频数据链系统,由于甚高频数据链系统传输延时小、机载设备和地面设备简单、经济等优点得到广泛使用,再过内建立约,80,个远端地面站（,RGS,）和网络管理与数据处理系统，具备提供除西部部分航路之外干线航路的地空甚高频覆盖能力,32,3.3.1,甚高频数据链系统,甚高频数据链系统主要有以下特点：,（,1,）甚高频电波传播特性是直线传播，电离层不能反射，故而是在视线范围内传播，覆盖范围一般只限于以地面为中心的一定半径范围内。,（,2,）对于地面站和机载设备频率范围，甚高频信道均匀分布于,118MHz,至,136.975MHz,之间，信道间隔为,25kHz,，共,760,个信道。,（,3,）公共信令信道（,CSC,）设定为,136.975MHz,。,（,4,）提供独立代码和独立字节的数据传输。,（,5,）提供链路层广播服务。,33,3.3.1,甚高频数据链系统,甚高频地空数据链网络组成示意图,34,3.3.1,甚高频数据链系统,典型应用如下：,（,1,）,ADS,系统,（,2,）,CPDLC,（,3,）飞机放行许可（,PDC,）,4,）海洋放行许可（,OC,）,（,5,）数字自动终端信息服务应用（,D,ATIS,）,（,6,）,ADS,B,（,7,）,CNS/ATM,航路,35,3.3.1,甚高频数据链系统,3.3.1.1,甚高频数据链的发展,36,3.3.1.2,甚高频数据链的分层结构,ICAO,对甚高频数据链系统的网络体系结构进行了标准化，按照,OSI,参考模型的,7,层体系结构，定义了甚高频数字链设计标准,37,3.3.1.2,甚高频数据链的分层结构,VDL 7,层体系结构的定义和功能,38,3.3.1.2,甚高频数据链的分层结构,7,层体系结构分析：,最低,3,层（物理层、数据链路层、网络层）实现通信子网的功能，,最高,3,层（会话层、表示层、应用层）实现用户的应用要求，,传输层则在最低,3,层通信子网的基础上为最高,3,层协议提供源端系统到目的端系统之间可靠的数据通信，是低层子网通信和高层用户应用之间的隔离层。,39,3.3.1.2,甚高频数据链的分层结构,数据链的分层结构比较,40,3.3.1.3 ACARS,系统,70,年代末期，美国,ARINC,公司研制典型甚高频空地的数据链,ACARS,ACARS,系统主要由机载设备、地面设备和网络控制中心（中央交换系统）组成。,ACARS,的频率间隔为,25KHz,，数据传输速率为,2.4Kbit/s,，采用单信道半双工的工作方式。,甚高频通信是视距通信，覆盖范围与飞行高度有关,41,3.3.1.3 ACARS,系统,ACARS,系统组成框图,42,3.3.1.3 ACARS,系统,ACARS,系统组成分析,机载设备：增加了一个,ACARS,通信管理单元,CMU,。一方面与标准机载收发信机相连，另一方面与其他机载数据终端设备相连。完成数据处理等功能,地面设备：在地面布置甚高频,RGS,网络，增加了一个数据控制与接口单元（,DCIU,）,中央交换系统：实现多个飞机和多个,RGS,机站的多用户通信。实现航空公司和,ATS,用户间的资源的共享，实现空地终端间的自动数据通信,43,3.3.1.3 ACARS,系统,为了消除由于信道过分拥挤造成延迟ARINC,采用了广播调频或多基频技术，提高了,ACARS,在重要机场的可靠性。,新的,ACARS,系统采用甚高频数字链路技术，即,VDL,模式,2,，它采用面向比特协议,调制方式为,D8PSK,，速率可达,31.5Kbit/s,下面继续介绍,VDL,模式,2,44,3.3.1.4 VDL,模式,2,概述,VDL,模式,2,是,ATN,地空移动通信的主要方式，以面向比特的方式传输，传输速率达到,31.5kbit,。采用,ISO8208,面向连接的方式与机载子网、地面子网一起构成了地空统一网络,VDL,模式,2,作为,ATN,的一种移动子网，承载着地空移动通信中的网络层数据包。规定了地空移动通信的物理层、链路层和子网层协议。链路层协议由,MAC,子层、,DLS,和链路管理子层组成。其中采用的是,HDLC,协议的子集,AVLC,。,基本结构如下图：,45,3.3.1.4 VDL,模式,2,概述,VDL,模式,2,协议结构,46,3.3.1.4 VDL,模式,2,物理层协议与服务,物理层为数据链路层的比特数据传送建立、维持和取消连接。,数据链路层的用户数据通过服务原语传递到物理层，物理层通过甚高频信道将数据送到通信另一端的物理层。,物理层再通过服务原语将数据传送到数据链路层。,47,3.3.1.4 VDL,模式,2,物理层协议与服务,1,、物理层的功能,收发频率控制：,物理层的频率选择根据链路层的请求而定,通告功能：通过信号质量指示参数来通告信号质量,数据发射功能：指物理层将从链路层收到的数据经过适当地编码通过射频（,RF,）信道发送,数据接收功能：指将接收到的数据解码，使高层应用能够准确读出,48,3.3.1.4 VDL,模式,2,物理层协议与服务,2,、,VDL,模式,2,的发送特点,调制方案：,采用,D8PSK,调制,，,用,=0.6,升余玄滤波器，将要发送的信息每三个比特组成一个符号作为相位的变化,编码：一个进入差分数据编码器的二进制数据流被转换为三个独立的二进制数据流,X,、,Y,、,Z,调制速率：调制速率为,10500,符号,/,秒，所以比特率,10500*331.5Kbit/s,编码相位,49,3.3.1.4 VDL,模式,2,物理层协议与服务,训练序列：,（,a,）发射机功率稳定和接收机设置：,即,000 000 000 000,（,b,）同步和模糊分辨：,（,c,）保留符号：,000,（,d,）发射数据长度,（,e,）,FEC,帧头,FEC,：,FEC,编码采用系统定长,RS,编码。,249,字节一帧的数据，可以纠正,3,个字节的错误。,原始多项式为,生成多项式为：,50,3.3.1.4 VDL,模式,2,物理层协议与服务,交织（,Interleaving,）：,每一帧数据位包含,249,个字节，共,2498=1992 bit,3,、侦听算法（,CSMA,）：,在发送数据或语音包之前运行,CSMA,时，,VDL,模式,2,接收机可以通过能量检测算法来检测信道是否空闲,信道从忙到空闲的检测及信道从空闲到忙的检测的方法见书,51,3.3.1.4 VDL,模式,2,物理层协议与服务,4,、物理层与链路层的接口：,物理层与链路层的接口由数据原语、频率改变原语、信道侦听原语、信号质量原语、对等地址原语、信道占用原语组成,5,、物理层与物理设备接口：,物理层与物理设备接口,由发射原语、接收原语组成,注：以上原语见网络总结图：,52,3.3.1.4 VDL,模式,2,链路层协议与服务,链路层负责将信息从一个网络实体传送到另一个网络实体，传送错误通告，以及提供如下服务：,帧的组合与拆分、建立帧同步、抛弃非标准帧、帧差错的检测与控制、,RF,信道的选择、地址识别、产生帧校验序列。,链路层通过,RF,信道提供基本的比特传输。,链路层的数据在地空收发设备中作为比特流进行传输。,53,3.3.1.4 VDL,模式,2,链路层协议与服务,1,、,MAC,子层：,MAC,子层对共享信道提供对,DLS,子层透明的获取功能。,MAC,子层的服务主要包括两个部分：利用,P,坚持,CSMA,算法进行多路接入，以及信道拥塞通告服务，具体包括：,多址方式：利用,CSMA,算法让所有的地面站有平等的机会发送数据,54,3.3.1.4 VDL,模式,2,链路层协议与服务,信道拥塞检测：,当检测出通道拥塞时，,MAC,子层将向甚高频管理实体（,VME,）子层通告。,在试图接入通道之前，,MAC,子层必须保证信道是空闲的。实现过程：,发射端在试图进行传输之前首先侦听信道，等待信道的空闲。,当确定信道空闲的时候，试图以概率,p,进行传输，而以概率,1,p,后退等待。在一个最大访问次数,M1,之后，,MAC,子层将在信道空闲之后立刻传输包。,55,3.3.1.4 VDL,模式,2,链路层协议与服务,如果经过计时器,TM2,时间帧仍未被传送，则,MAC,子层将检测出拥塞，并通告,VME,子层。,P,坚持,CSMA,算法允许在达到系统吞吐量最佳、传输延迟最小和冲突最少的时候，所有的基站都有机会进行传输。具体时间如下：,MAC,子层参数,56,3.3.1.4 VDL,模式,2,链路层协议与服务,2,、,DLS,：,DLS,利用,AVLC,协议支持面向比特的地空通信服务，包括：,帧顺序：接收端的,DLS,子层保证重复的帧被丢弃，且所有的帧都出现且只出现一次。,差错检测：,DLS,子层保证检测并丢弃所有在传输中出现差错的帧。,站识别：,DLS,子层通过点到点的连接接收且只接收发向它自己的帧。,广播地址：广播地址可被所有接收者识别和接收。,数据传送：数据将在,VDL,信息帧（,INFO,）、用户接口帧（,UI,）、标识交换帧（,XID,）的信息域中被传送。57,3.3.1.4 VDL,模式,2,链路层协议与服务,VDL,模式,2,帧结构：,模式,2,帧结构按照,ISO3309,帧结构，如图：,VDL,模式,2,帧结构,58,3.3.1.4 VDL,模式,2,链路层协议与服务,VDL,模式,2,帧结构分析：,地址结构：地址域包括,8,个字节，每个字节的最小有效比特（,LSB,）为扩展保留位。,地址域：地址域包含目的地址域和源地址域。目的地址域包含目的,DLS,地址或广播地址，源地址域包含一个,DLS,地址。,广播地址：广播地址仅做为目的地址用于,UI,帧和,XID,帧中，用来广播地面站信息。,链路控制域：该字节的编码参照,ISO4335,。,59,3.3.1.4 VDL,模式,2,链路层协议与服务,DLS,层与上一层的接口原语：,注：以上原语见网络总结图：,3,、,LME,：,DLE,存在于数据链路子层中，提供面向连接的点到点的链路。,LME,用于建立和管理,DLE,之间的连接,一个,VDL,模式,2,地面系统包括甚高频地面站，提供与,ATN,连接的地面网络和一个,VME,，来管理与地面站建立连接的,VDL,模式,2,飞机。,60,3.3.1.4 VDL,模式,2,链路层协议与服务,LME,提供的服务有：提供连接和改变连接通告,提供连接：每一个地面,VME,为每一架飞机产生一个,LME,，同样，每一个机载,VME,将为每个地面系统产生一个,LME,改变连接通告：,VME,将通知中间系统系统管理实体（,SME,）链路连接的变化,61,3.3.1.4 VDL,模式,2,链路层协议与服务,LME,的工作过程：,频率管理过程：频率搜捕过程。,链路连接过程：机载和地面,LME,将用如下过程来维护甚高频数据链。,LME,与上一层的接口：,提供一系列原语，具体见网络总结，如下图：,62,63,子网层,媒体访问控制层,物理层,队列管理子层,逻辑链路,控制子层,数字链路服务子层,3,链路管理实体,3,数字链路服务子层,2,数字链路服务子层,1,链路管理实体,2,链路管理实体,1,RF_IDLE.indication,RF_BUSY.indication,RF_OCC.indication,RF_PDU.transmit,RF_PDU.receive,PH_IDLE.indication,PH_BUSY.indication,PH_DATA.request,MA_CTS.indication,MA_RTS.request,MA_EVENT_TM2.indication,PH_FREQ.request,PH_ADD.request,PH_DATA.indication,PH_OCC.indication,PH_SQP.ind,DL_RST_DM.request,DL_XID.request,DL_XID.indication,DLRST_N2.indication,DL_RST_TM2.indication,DL_RST_DM.indication,DL_DISC.indication,DL_RST_N2.indication,DL_RST_TM2.indication,DL_RST_FRMR.indication,TX_EVENT_TM2.indication,TX_QUEUE.request,TX_EVENT_TM2.indication,TX_QUEUE.request,DL_DATA.indication,DL_DATA.request,数据链路层,63,64,飞机链路层,甚高频管理实体,链路管理,实体,1,逻辑链路子层,数据链路,实体,1,地面站链路层,逻辑链路子层,广播,XID,帧,DL_XID.ind,XID.req,甚高频管理实体,DL_XID.ind,XID.req,建立,DLE,实体,DL_UNBLOCK.req,链路管理,实体,1,数据链路,实体,1,广播,XID,帧,建立,DLE,实体,broadcast,LINK,飞机链路层,甚高频管理实体,链路管理,实体,1,数据链路,实体,1,逻辑链路子层,数据链路,实体,2,broadcast,LINK,链路管理,实体,2,64,3.3.1.4 VDL,模式,2,网络层协议与服务,VDL,模式,2,子网层协议的功能包括：对重复、丢失、无效分组的处理，以及对分组包的路由和转发功能。子网协议被称为子网接入协议：（,SNACP,）,其中网协议数据单元（,SNPDU,）是指当收到链路层帧时，其净荷部分,包括三个部分：,65,3.3.1.4 VDL,模式,2,网络层协议与服务,1,、子网层服务：,按照,ISO8208,标准，提供的服务包括如下四个方面：,子网连接管理：使用相应的分组类型、过程和 设施来建立、结束和管理子网连接。关键：连接的双方端点尽可能多地保留连接状态信息,分组的拆分和重组：允许子网用户对大的数据单元进行拆分传送，接收将数据端重组,66,3.3.1.4 VDL,模式,2,网络层协议与服务,错误恢复：,VDL,模式,2,中,采用拒绝帧分组进行通信子网级的错误恢复。这些分组将使发送端子网实体重传错误的数据包。,连接流量控制：,连接流量控制采用分组序列号和滑动窗口实现。,67,3.3.1.4 VDL,模式,2,网络层协议与服务,2,、,VDL,模式,2,分组格式：,分组序号采用模,8,格式。格式遵照,ISO8208,的规定，选用快速选择设施,3,、,VDL,模式,2,所支持的设施：,设施包括：,分组重传；非标准省略包大小；非标准省略窗口大小；流量控制参数协商；快速选择；被叫线地址更改通告；被叫地址扩展,68,3.3.1.4 VDL,模式,2,OPENET,仿真实例,69,3.3.1.4 VDL,模式,2,仿真分析,1,、目的：,系统可靠性验证，确保系统的正确运行；,分析系统固有参数对系统性能的影响情况,2,、网络拓扑：,飞机节点都包含自己的应用设置，互相独立和向地面进行数据通讯。如：飞机与地面站发送和接收消息消息,理想情况下，飞机数量最多设置为,140,架，仿,真时间周期设置为,24,小时。,仿真结果如下：,70,3.3.1.4 VDL,模式,2,仿真分析,网络拓扑,71,3.3.1.4 VDL,模式,2,仿真分析,3,、节点模型：,节点代表了实际的通信实体，如固定节点地面站和移动节点飞机，每个节点运行一定的网络协议以便能够进行通信,按照,ISO,的标准层次设计和,OPNET,的建模需要各层简化为应用层子网层、链路层、物理层。,应用层作用产生包并最终接收包；,链路层又包括,DLS,子层、,MAC,子层；,物理层主要采用了信道设计，收发信机设计的方法,VDL,模式,2,模型的层次结构如下图：,72,3.3.1.4 VDL,模式,2,仿真分析,移动节点模型图,73,3.3.1.4 VDL,模式,2,仿真分析,移动节点模型图,移动节点模型层次图,74,3.3.1.4 VDL,模式,2,仿真分析,4,、仿真结果：,第一组,:,吞吐量随飞机数量与,数据更新率的变化曲线,平均延迟随飞机数量,与数据更新率的变化曲线,75,3.3.1.4 VDL,模式,2,仿真分析,第二组，分析报文长度与飞机数量对系统吞吐量的影响,吞吐量随飞机数量与报文长度的变化曲线,76,3.3.1.4 VDL,模式,2,仿真分析,第二组，验证并寻找系统实际负载的临界点并得到系统的最佳工作范围,吞吐量随实际负载的变化曲线,信道效率随实际负载的变化曲线,77,3.3.1.4 VDL,模式,2,仿真结果总结,对,VDL,模式,2,进行,OPENET,仿真，结论如下：,1,、系统吞吐量随飞机数量的变化呈抛物线形状。,2,、飞机数目对系统延迟影响明显，随着飞机数目的增加，延迟显著增加。,3,、报文长度对系统吞吐量有明显的影响，与报文更新速率相同,4,、信道未饱和时，系统吞吐量随系统实际负载的增加而增加；而当信道饱和后，系统吞吐量减小。,5,、系统在实际负载为,0.40.7,范围内时工作效果最佳，此时信道效率达到,0.4,左右。,78,3,.3.,1,.,5 VDL,模式,4,概述,VDL,模式,4,数据链采用标准的甚高频带宽（,25kHz,）信道传输数字信息。其主要的特点在于信道预约访问协议。,信道被划分为若干时隙，可以为飞机、地面站和其它地面通信设备的收发信机所使用。具体见后图,信道预约协议降低了信道占用冲突的概率,这一信道时隙使用和管理的方式称为自组织时分多址协议。,79,3,.3.,1,.,5 VDL,模式,4,概述,1,2,3,4,5,6,7,时隙,1,被预约飞机,A,使用,时隙,3,被预约,飞机,B,使用,时隙,2,被预约,地面站使用,VDL,模式,4,数据链运行情况,VDL,模式,4,数据为将来的,CNS/ATM,技术提供系统解决方案,80,3,.3.,1,.,5 VDL,模式,4,物理平台,每一个,VDL,模式,4,的用户都装备有异频收发信机，用来确定位置和时间，管理数据链上的传输并接收发送数据,下面介绍收发信机中各个部分的功能及工作频段。,VDL,模式,4,收发信机,81,3,.3.,1,.,5 VDL,模式,4,物理平台,GNSS,接收机：为用户提供精确的导航信息及时间信息，时间信号是由,GNSS,收发信机中获得,VHF,收发信机：既用来发送自己的位置信息和其他的用户的有关信息，又用来接收其他用户发送的数据,通信处理机：是一台用来调整使用通信信道的计算机，和,VHF,收发信机、,GNSS,接收机相连,工作频谱：,VDL,模式,4,工作在,108,136.975MHz,的甚高频航空数据链上,82,3,.3.,1,.,5 VDL,模式,4,数据链的运作模式和通信结构,VDL,模式,4,可以用来构成不同功能级别的运作模式，即受控模式和自治模式,受控运作模式下，地面站按指令型预约协议为空中用户分配使用时隙,自治运作模式下的,VDL,模式,4,数据链系统又可分为三种通信结构：,没有地面系统的自治通信结构,单蜂窝通信结构,多蜂窝通信结构,83,3,.3.,1,.,5 VDL,模式,4,数据链的运作模式和通信结构,自治通信结构,用自组织协议可以实现任何具有蜂窝重叠区用户间的空空通信，应用于低密集区、海域和两极地带。,提供,ADS,B,和空空 通信支持,提供,CDTI,；,ACAS,；,以及搜索和救援的协调,84,3,.3.,1,.,5 VDL,模式,4,数据链的运作模式和通信结构,单蜂窝通信结构,VDL,模式,4,数据链地面站提供空地通信服务和地面监视服务。授权的地面站可以按指令型预约协议来控制信道时隙的使用,地面站间无蜂窝重叠区,单蜂窝通信结构的功能受地,面站覆盖范围的影响，越出,单蜂窝区时，其功能和运作,方式与自治通信结构一样,85,3,.3.,1,.,5 VDL,模式,4,数据链的运作模式和通信结构,单蜂窝通信结构下，空地通信过程可分为三个阶段：,空中用户进入地面站蜂窝覆盖区：,地面站蜂窝覆盖区内的飞行阶段：,用户飞离地面站蜂窝覆盖区：,86,3,.3.,1,.,5 VDL,模式,4,数据链的运作模式和通信结构,多蜂窝通信结构,与单蜂窝通信结构的区别在于地面站间存在重叠覆盖区,数据链同过地面站与,专用的,ADS,B,地面,数据网络的联接实现,ADS,B,的相关服务,具有地面站突发的二,次导航功能为,GNSS,功能的备份,87,3,.3.,1,.,5 VDL,模式,4,数据链的运作模式和通信结构,多蜂窝通信结构中空中用户跨蜂窝飞行基本原则：,工作于受控通信模式空中用户进入重叠区后，继续用指令型预约协议,工作于自治通信模式的可按新用户登录过程实现网络登录,进入蜂窝重叠区的空中用户与新地面站覆盖范围内的其他用户间不争用信道时隙情况的处理：,继续使用原信道时隙与原地面站保持通信，并在空闲的时隙中向新地面站发送预约请求,88,3,.3.,1,.,5 VDL,模式,4,数据链的运作模式和通信结构,发生争用信道时隙情况的处理：,自动选择空闲时隙给新地面站发送报文,进入重叠区新信道不与原信道时隙冲突放弃原地面站的时隙；,新地面站未为该空中用户分配，原地面站分配了新时隙，使用该新时隙,一直与原地面站保持通信，并与新地面站建立通信，实现越区切换,89,3,.3.,1,.5 VDL,模式,4,系统运行,数据传输,网络接入,90,3,.3.,1,.,5 VDL,模式,4,系统运行,一,、数据传输：,1,、单时隙数据传输：,分为,A,、,B,、,C,、,D,四个阶段,91,3,.3.,1,.,5 VDL,模式,4,系统运行,一,、数据传输：,数据传输阶段,92,3,.3.,1,.,5 VDL,模式,4,系统运行,一,、数据传输：,单时隙传输阶段图中可以看到，除去上述四个阶段外，,还保留一个传输保护时间间隔,传输保护间隔时间的使用,93,3,.3.,1,.,5 VDL,模式,4,系统运行,一,、数据传输：,2,、多时隙数据传输：,多时隙传输就是一次传输跨越多个时隙同单时隙传输,94,3,.3.,1,.,5 VDL,模式,4,系统运行,二、网络接入：,以下情况下会应用网络接入协议：站点开始运行；转到另一个新的信道上发送；在一个信道上很长时间没有监听；发现突然出现许多未知站点,站点接入网络有两种方式：复合式广播预约和请求回复预约或,BNG,95,3,.3.,1,.,5 VDL,模式,4,系统运行,二、网络接入：,（,1,）复合式广播接入：站点必须先监听信道至少一分钟，用来建立时隙预约，然后利用时隙选择过程选择发送时隙，等到发送时隙时发送报文,（,2,）请求,/,回复和,BNG,接入：需要快速接入网络，这时有三种方式可以使用，分别是,BNG,预约、半时隙传输和请求,/,回复传输。,当一个站点监听了信道一段时间，但是还没有建立一个完整的时隙预约表时，可以使用,BNG,预约快速接入网络。,96,3,.3.,1,.,5 VDL,模式,4,系统运行,当站点需要预约一些时隙用于传输但又不清楚时隙占用情况时，可以使用请求,/,回复传输。,如果站点只进行简短的发送，可以使用半时隙传输。,97,3.3.1.6 S,TDMA,数据链协议,S,TDMA,协议采用典型的,TDMA,传输体制，将时间轴等分成若干信息帧，每帧又分成若干时隙供飞机等用户使用。,各用户周期地发送时隙预约信息报文构造时隙状态表通过时隙争用、预约、占用等过程用时隙的预约技术来实现系统的自组织组网98,3.3.1.6 S,TDMA,数据链协议,分层结构,S,TDMA,数据链采用,OSI,模型设计系统体系结构，将通信子网系统分为两层，从上到下各层依次为：数据链路层和物理层。,数据链路层分为四个子层：,MAC,子层，,VSS,子层，,DLS,子层，,LME,子层,MAC,子层负责时隙划分，实现,TDMA,信道接入；,VSS,子层提供多种协议，使得用户可,以自组织地在,TDMA,信道上进行发送；,DLS,子层负责提供面向链接和面向无,链接的服务,LME,子层负责链接的建立、管理、维,护及终止,99,3.3.1.6 S,TDMA,数据链协议,MAC,子层,MAC,子层透明地查询共享的通信路径以提供上述通信服务，主要功能：,TDMA,信道访问：信道在时间上被划分为连续的超帧,典型的超帧结构,100,3.3.1.6 S,TDMA,数据链协议,MAC,子层,信道中的时隙同步：站点必须与,UTC,时间保持同步，精度要求在,400ns,误差范围内，并将此时间作为首选的时间基准，而且每秒进行一次时隙同步。,时隙占用情况,A,未占用时隙的检测：,(a),预期的预约结束：当某用户接收到预约表中已预约时隙的发送时，便认为该时隙所在的时隙块将处于未被占用的状态,(b),信道空闲的通知：当用户接收到来自物理层信道时隙起始空闲的通知时，便认为该时隙未被占用,101,3.3.1.6 S,TDMA,数据链协议,MAC,子层,处理发送和接收的突发帧,MAC,子层接受来自,VSS,子层要发送的带有发送时间信息和访问控制方式的突发帧同时提供所接收到的突发帧或帧数据、时隙占用与否的通知以及待发送突发帧的状态,A,发送处理：,如果用户已经预约当前时隙或当前时隙未被占用，用户启动发进程；如果不能启动则及时通知,VSS,子层,102,3.3.1.6 S,TDMA,数据链协议,MAC,子层,B,接收处理：,MAC,子层对突发帧进行,CRC,校验，丢弃具有不正确,CRC,校验值的突发帧,对正确,CRC,突发帧传递给,VSS,用户；,对正确,CRC,的帧交给,DLE,具有正确,CRC,校验值的突发帧、帧的信号质量和