ACARS四種模式簡(jiǎn)介

ACARS四種模式簡(jiǎn)介陸空特高頻數(shù)位鏈路（VDL）的四種模式【航空通訊主要是指航機(jī)和地面端的航管單位或航空公司的陸空雙向通訊，或是地面端各單位之間的地對(duì)地通訊。目前航空通訊的方式主要包括：語(yǔ)音（Voice）通訊與數(shù)據(jù)（Data）通訊兩種。然而，不論陸空或地對(duì)地的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通訊，都面臨容量飽和、傳輸速度太低、可靠性/安全性不佳的瓶頸，國(guó)際民航組織（InternationalCivilAviationOrganization,ICAO）針對(duì)這個(gè)問(wèn)題提出新一代航空通訊的架構(gòu)：航空通信網(wǎng)路（AeronauticalTelecommunicationNetwork,ATN），應(yīng)用新的通訊技術(shù)和作業(yè)方式，以滿(mǎn)足未來(lái)航空通訊的需求?！筷懣仗馗哳l數(shù)位鏈路（VDL）特高頻數(shù)位鏈路（VHFDigitalLink,VDL）是國(guó)際民航組織（ICAO）為因應(yīng)航空業(yè)界對(duì)陸空通訊的成長(zhǎng)需求，以解決傳統(tǒng)模擬式陸空通訊瓶頸，在ATN通訊網(wǎng)路架構(gòu)下，所研議的陸空數(shù)字通訊方式。VDL不僅符合ATN航空數(shù)據(jù)鏈路通訊的規(guī)范，更可以提供非ATN（Non-ATN）的數(shù)字鏈路功能，如：陸空數(shù)字化語(yǔ)音（DigitizedVoice）、空對(duì)空數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈路等。所以，ICAO定義VDL為”VHFDigitalLink”，而不是”VHFDataLink”，就是強(qiáng)調(diào)VDL不僅僅是提供數(shù)據(jù)鏈路（DataLink）而已，還提供其它的數(shù)字鏈路功能。目前ICAO研發(fā)的VDL總共有四形式（Mode）：VDLMode1~4。此四種形式，使用不同的通訊技術(shù)和規(guī)范，提供不同的通訊服務(wù)，雖然都遵循ATNSub-network的通訊規(guī)范，但彼此間卻僅有有限的互通性。VDLMODE1VDLMode1和ACARS相同，其使用頻率為：118Mhz~137MHz，波道頻寬為：25KHz，通訊電波是采用調(diào)幅-最小位移（AmplitudeModulated-MinimumShiftKeying.AM-MSK）的調(diào)制方式。此種方式是以1200Hz表示數(shù)據(jù)位（DataBit）和前一位不同，2400Hz表示數(shù)據(jù)位和前一位相同；兩種高低頻率的相位保持固定。此種調(diào)制方式和現(xiàn)有模擬式語(yǔ)音無(wú)線(xiàn)電機(jī)兼容，也就是數(shù)據(jù)信號(hào)可以直接輸入現(xiàn)有的通訊設(shè)備中傳輸，而接收端也可以用現(xiàn)有設(shè)備接收數(shù)據(jù)信號(hào)，再加以解調(diào)，以取得真正的數(shù)據(jù)。AM-MSK的調(diào)制方式的數(shù)據(jù)傳輸率非常低，僅有2.4KBPS（Bit-Per-Second），加上不佳的通訊路徑存取技術(shù)（MediaAccessTechnique）和共享頻寬的特性，使其真正的傳輸率還要更低，所以，VDLMode1并無(wú)法滿(mǎn)足改善通訊容量的需求。但是，由于使用現(xiàn)有且純熟的通訊技術(shù)，加上ACARS的使用經(jīng)驗(yàn)，使VDLMode1成為一種可行且強(qiáng)固的通訊方式。VDLMode1和VDLMode2原來(lái)是準(zhǔn)備作為ACARS的升級(jí)之用。其中，VDLMode2是主力，而VDLMode1是備胎，以便VDLMode2技術(shù)上遭遇困難時(shí)，仍有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈路通訊技術(shù)可用。但目前VDLMode2已通過(guò)ICAO的認(rèn)證，所以VDLMode1將不在發(fā)展和認(rèn)證。VDLMODE2VDLMode2的使用頻率為：118Mhz~137MHz，波道頻寬為：25KHz，通訊電波是采用調(diào)相-差分編碼八相位移（PhaseModulation-DifferentiallyEncoded8-PhaseShiftKeying,PM-D8PSK）的調(diào)制方式。八相位移是指每一周期的電波，由于其相位的不同，如：0°、45°、90°、135°等，可以代表八種不同的數(shù)據(jù)位片段（DataBitPattern）中的一種，如：相位0°=”000”、相位45°=”001”、相位90°=”010”等。由于一周期為360°，由8各相位平均分配，所以每一個(gè)相位，由0°開(kāi)始，相隔45°。由于VDLMode2傳輸端和接收端電波信號(hào)的相位并沒(méi)有同步，也就是接收端不知道電波信號(hào)每一周期的開(kāi)始點(diǎn)，既0°點(diǎn)，所以也無(wú)法得知電波信號(hào)的相位移。為解決此一問(wèn)題，VDLMode2采用差分編碼的技術(shù)，也就是利用每一個(gè)電波信號(hào)和前一個(gè)信號(hào)的相位差，來(lái)計(jì)算該信號(hào)的真正相位移，再?zèng)Q定其所表示的數(shù)據(jù)位片段。VDLMode2的電波傳輸率是10.5KBPS，而每一電波代表3個(gè)數(shù)據(jù)位，所以其數(shù)據(jù)傳輸率為31.5KBPS。VDLMode2的通訊路徑存取方式是采用信號(hào)偵測(cè)多重存?。–arrierSenseMultipleAccess,CSMA）技術(shù)。此種技術(shù)是當(dāng)每一次傳送數(shù)據(jù)時(shí)，先檢查通訊波道是否有數(shù)據(jù)正在傳輸；如果無(wú)，則立即傳送數(shù)據(jù)，如果有，則等一下再檢查。CSMA可以確保使用同一通訊波道的所有使用者有公平的使用機(jī)會(huì)，但也蘊(yùn)含著沒(méi)有優(yōu)先級(jí)的觀念和通訊時(shí)間不定的缺點(diǎn)，如：飛航管制（ATC）的訊息和旅客的訊息一起爭(zhēng)奪同一波道的通訊權(quán)。如此，不僅重要的訊息可能被延誤，通訊的時(shí)效性也無(wú)法掌握。要解決CSMA的缺點(diǎn)，一種可行的方法是劃定幾個(gè)通訊波道專(zhuān)門(mén)給重要或具時(shí)效性的訊息使用。但是此一方式會(huì)降低整體的通訊效能，在VHF通訊擁擠的地區(qū)，如：中歐空域，恐怕無(wú)法實(shí)行。VDLMode2的優(yōu)點(diǎn)在于1997通過(guò)ICAO認(rèn)證，各項(xiàng)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成，同時(shí)航空通訊服務(wù)廠商（DSP），如：ARINC和SITA，也開(kāi)始建置相關(guān)的通訊基礎(chǔ)建設(shè)，可以很快的開(kāi)始運(yùn)作。而其缺點(diǎn)在于無(wú)法提供優(yōu)先級(jí)的通訊服務(wù)，可能無(wú)法滿(mǎn)足安全性要求較高的飛航管制方面的應(yīng)用；此外，CSMA的通訊路徑存取方式也造成較差的整體通訊效能。VDLMODE3VDLMode3同時(shí)提供ATN數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)字語(yǔ)音兩種通訊服務(wù)。它每一個(gè)波道頻寬為25KHz，其中劃分成四個(gè)獨(dú)立了邏輯通訊頻道，每一個(gè)頻道均可傳輸數(shù)據(jù)或語(yǔ)音。VDLMode3最大的特點(diǎn)是用一部無(wú)線(xiàn)電機(jī)就可以同時(shí)提供數(shù)據(jù)和語(yǔ)音的收發(fā)服務(wù)。VDLMode3的使用頻率為：118Mhz~137MHz，波道頻寬為：25KHz，通訊電波，和VDLMode2相同，是采用調(diào)相-差分編碼八相位移（PhaseModulation-DifferentiallyEncoded8-PhaseShiftKeying,PM-D8PSK）的調(diào)制方式。但通訊路徑存取方式是采用由地面端所控制的分時(shí)多重存取（TimeDivisionMultipleAccess,TDMA）技術(shù)，以改善CSMA所造成的整體通訊效能不佳的缺點(diǎn)。TDMA通訊路徑存取方式，就是將一個(gè)通訊波道，按時(shí)間劃分成許多時(shí)間片段，各個(gè)使用者將其訊息放入不同的時(shí)間片段中傳輸，如此同一通訊波道就可以讓許多不同的使用者共享，同時(shí)所傳輸?shù)挠嵪⒁膊粫?huì)互相干擾。VDLMode3的TDMA首先定義120ms為一數(shù)據(jù)框（Frame），其中再劃分成每個(gè)30ms的四個(gè)時(shí)間格（TimeSlot）。每一時(shí)間格中又包括兩個(gè)次頻道（SubChannel），其中一個(gè)次頻道，約10ms，負(fù)責(zé)傳送管理數(shù)據(jù)，如：地面站的指令或同步信號(hào)，而另一個(gè)次頻道，約20ms，則負(fù)責(zé)傳輸使用者數(shù)據(jù)或語(yǔ)音。VDLMode3的數(shù)據(jù)傳輸率和VDLMode2相同，均為31.5KBPS。VDLMode3的數(shù)據(jù)格式空中端的使用者想要傳輸訊息時(shí)，必須先向地面端的通訊站申請(qǐng)時(shí)間格，而地面端的通訊站會(huì)根據(jù)訊息的優(yōu)先級(jí)、通訊網(wǎng)路的負(fù)載狀況、通訊流量等因素，指定使用者一個(gè)時(shí)間格，以便傳輸訊息。VDLMode3的語(yǔ)音服務(wù)，首先將模擬的語(yǔ)音轉(zhuǎn)換成4.8KBPS的數(shù)字化位數(shù)據(jù)，再加上錯(cuò)誤偵測(cè)和回復(fù)（ErrorDetectionandCorrection）數(shù)據(jù)，然后送入通訊波道中傳輸。此外，它還提供語(yǔ)音頻道的管制功能，使地面端的通訊站可以切斷空中端的語(yǔ)音傳訊，而改由地面端來(lái)傳訊，此種管制功能是一般傳統(tǒng)的語(yǔ)音通訊無(wú)法做到的。VDLMode3的優(yōu)點(diǎn)是整合數(shù)據(jù)和語(yǔ)音服務(wù)于一部無(wú)線(xiàn)電機(jī)之中；運(yùn)用TDMA技術(shù)以支持具時(shí)效性的應(yīng)用，并改善整體通訊效能。而其缺點(diǎn)則在于數(shù)據(jù)和語(yǔ)音在同一部無(wú)線(xiàn)電機(jī)中，缺乏備援，也增加設(shè)計(jì)的困難度和成本；數(shù)字語(yǔ)音處理技術(shù)屬于私人所有，增加制造商授權(quán)時(shí)間和制作成本。VDLMODE4VDLMode4是由瑞典民航局于1994年提出的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈路。原設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于導(dǎo)航（Navigation）和監(jiān)視（Surveillance）所需的陸空/空空實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈路通訊，如：ADS-B、空對(duì)空數(shù)據(jù)鏈路通訊、地對(duì)空GPS修正訊息（GPSArgumentationMessage）等。目前國(guó)際民航組織（ICAO）正研擬VDLMode4的擴(kuò)充規(guī)范，以便涵蓋ATN的通訊規(guī)范。因此，新的VDLMode4不僅符合ATN航空數(shù)據(jù)鏈路通訊的規(guī)范，也提供非ATN（Non-ATN）的數(shù)字鏈路功能。VDLMode4的使用頻率為：118Mhz~137MHz，波道頻寬為：25KHz，通訊電波可以選用兩種調(diào)制方式，其中一種和VDLMode2相同，是采用調(diào)相-差分編碼八相位移（PhaseModulation-DifferentiallyEncoded8-PhaseShiftKeying,FM-D8PSK）的調(diào)制方式；而另一種是調(diào)頻-高斯濾波頻率移（FrequencyModulation–Gaussian-FilteredFrequencyShiftKeying,FM-GFSK）。FM-GFSK使用高低兩種頻率，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)位”0”傳輸時(shí)，高低頻率交互變化，而數(shù)據(jù)位”1”時(shí)，則不變。當(dāng)頻率高低改變時(shí)，GFSK利用Gaussian濾波器將頻率變化率降低，以較平順的方式完成頻率轉(zhuǎn)換，以降低通訊波道頻寬的需求。PM-D8PSK的料傳輸率為：31.5KBPS，而FM-GFSK為：19.2KBPS。雖然PM-D8PSK有較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，但FM-GFSK卻有較佳的信號(hào)鑒別率（Desired/UndesiredSignalRatio,DUR），而此項(xiàng)特性對(duì)導(dǎo)航和監(jiān)視方面的應(yīng)用比較重要。VDLMode4的通訊路徑存取方式是采用由使用者自行控制的自主性分時(shí)多重存?。⊿elf-OrganizingTimeDivisionMultipleAccess,STDMA）技術(shù)。STDMA和TDMA相同，就是將一個(gè)通訊波道，按時(shí)間劃分成許多時(shí)間片段，各個(gè)使用者將其訊息放入不同的時(shí)間片段中傳輸，如此同一通訊波道就可以讓許多不同的使用者共享，同時(shí)所傳輸?shù)挠嵪⒁膊粫?huì)互相干擾。但TDMA必須在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間片段間加入控制信息，以確保使用者可以在正確的時(shí)間點(diǎn)接收或傳送數(shù)據(jù)；而STDMA不論地面端或空中端的使用者，共同以同一時(shí)間源作為同步，以絕對(duì)的時(shí)間點(diǎn)作為存取通訊波道中時(shí)間片段的依據(jù)，如此通訊波道可以純粹傳送資料，不必另外加上同步訊號(hào)，以提高通訊容量。VDLMode4的STDMA首先定義1分鐘為一巨數(shù)據(jù)框（Superframe），其中再劃分成4500個(gè)時(shí)間格（Slot,GFSK），每一個(gè)使用者保有一幅某一通訊波道下四分鐘時(shí)間格的占用狀況圖。當(dāng)使用者要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，先參考時(shí)間格占用圖以取得可用的時(shí)間格，再進(jìn)行傳輸。由于時(shí)間格很短，對(duì)比較大量的數(shù)據(jù)傳輸或需要多次來(lái)回的通訊規(guī)范，STDMA也提供預(yù)約功能，使用者可以根據(jù)時(shí)間格占用圖保留時(shí)間格，并以訊息通知其它使用者，以便未來(lái)使用。STDMA中使用者的共同時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)是：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（Co-ordinatedUniversalTime,UTC），而UTC的來(lái)源包括：GPS時(shí)間、原子鐘時(shí)間、或地面站透過(guò)其它通訊路徑所提供的時(shí)間等。VDLMode4的優(yōu)點(diǎn)在于整體通訊的彈性，不僅能提供ATN和Non-ATN數(shù)據(jù)鏈路通訊，還支持具時(shí)效性的應(yīng)用功能，同時(shí)還能整合ADS-B和其它空對(duì)空的通訊應(yīng)用；在四種VDLModes中，提供最完整的通訊涵蓋和彈性。而其缺點(diǎn)在于整合通訊和監(jiān)視功能容易引起備援的問(wèn)題；另一方面STDMA必須完全倚重外來(lái)的時(shí)間源，容易造成單點(diǎn)失效（SinglePointFailure）的問(wèn)題。VDL通訊