badanie wpływu urządzeń ais klasy b na sieć ais

badanie wpływu urządzeń ais klasy b na sieć ais

TADEUSZ STUPAK
RYSZARD WAWRUCH
Akademia Morska w Gdyni
Katedra Nawigacji
BADANIE WPŁYWU URZĄDZEŃ AIS KLASY B NA SIEĆ AIS
W artykule przedstawiono symulację wpływu wprowadzania urządzeń AIS klasy B na pracę sieci
tego systemu. Badania były prowadzone według dwóch scenariuszy: dla rejonu o wysokim natężeniu
ruchu (scenariusz „Floryda”) i dla rejonu o średnim natężeniu ruchu (scenariusz „Zatoka San
Francisco”). W czasie badań urządzenia klasy B używały trybu nadawania SOTDMA i CSTDMA.
1. WSTĘP
Wymagania dla systemu Automatycznej Identyfikacji Statków (Automatic
Identification System) zostały przyjęte przez IMO w 1998 roku. Statki podlegające
Konwencji SOLAS powinny używać urządzeń AIS klasy A. Urządzenia te pracują
w systemie modulacji SOTDMA (Self Organizing Time Division Mutiple Access).
Statek wyposażony w ten sprzęt nadaje wiadomości z częstością zależną od swej
prędkości (od 3 minut do 2 sekund).
Dla niekonwencyjnych jednostek wprowadzono drugą klasę urządzeń systemu
– AIS klasy B, pozwalających przesyłać wiadomości o małych obiektach, które
mogą być niewidoczne dla radaru. Ustalono stałe okresy powtarzania raportów
równe 30 sekund (3 minuty, gdy prędkość nad dnem (SOG) jest mniejsza od
2 węzłów), zmniejszono moc nadawanego sygnału, zaś liczba nadawanych przez te
urządzenia wiadomości i ich zawartość zostały ograniczone (głównie dane
statyczne i podróży).
2. DEFINICJA SYSTEMU AIS
W systemie Automatycznej Identyfikacji Statków informacje są wysyłane przy
użyciu różnych odmian protokołu dostępu zwielokrotnionego czasowego
przydziału kanału TDMA (Time Division Multiple Access – samoorganizujący się
wielodostęp czasowy) na dwóch częstotliwościach: 161,975 MHz (kanał A)
i 162,025 MHz (kanał B).
Najczęściej używanym protokołem dostępu do VHF Data Link jest protokół
SOTDMA (ang. Self Organizing Time Division Mutiple Access), ale, żeby AIS
mógł prawidłowo działać, używane są również następujące protokoły:
T.Stupak, R. Wawruch, Badanie wpływu urządzeń AIS klasy B na sieć AIS
95
 RATDMA – (ang. Random Access Time Division Multiple Access) losowy
dostęp do TDMA, umożliwiający użytkownikowi losowy przydział ramki
elementarnej dla jednej transmisji.
 ITDMA (Incremental Time Division Multiple Access) – rozszerzony dostęp do
TDMA, umożliwiający użytkownikowi ogłoszenie przyszłego przydziału ramki
elementarnej dla jednorazowej transmisji wiadomości; stosowany przy
włączaniu się do pracy w sieci, w sytuacji, gdy występuje konieczność zwiększenia częstotliwości transmisji wiadomości oraz przy nadawaniu wiadomości
dotyczącej bezpieczeństwa.
 SOTDMA (Self Organizing Time Division Multiple Access) – technika
zwielokrotnionego czasowego przydziału kanałów na żądanie; podstawowy
sposób pracy AIS w trybie autonomicznym.
 FATDMA (ang. Fixed Access Time Division Multiple Access) – częstotliwościowy dostęp wielokrotny, umożliwiający stały przydział ramki elementarnej
w kolejnych cyklach pracy [3, 9].
Podczas badań nad standaryzacją urządzeń AIS klasy B, prowadzonych przez
Komitet Techniczny Nr 80 Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC
Technical Committee 80 (TC80 – WG8a)), pojawiły się pewne obawy, czy duża
liczba tych urządzeń w sieci AIS nie zakłóci bezpiecznej pracy urządzeń klasy A,
stacji bazowych oraz AIS zainstalowanego na oznakowaniu nawigacyjnym (Aids
to Navigation – AtoN AIS). Niepewności te spowodowały wprowadzenie nowej
technologii dostępu do sieci AIS, która umożliwia współistnienie w niej dużej
liczby urządzeń nadawczo-odbiorczych klas A i B bez negatywnego wpływu na
pracę sieci AIS.
Nowa technologia nazwana została Carrier Sense Time Division Multiple
Access (CSTDMA) i polega na tym, że urządzenie AIS klasy B monitoruje sieć,
aby ocenić, czy ramka elementarna, w której chce nadawać swoje informacje, jest
wolna od transmisji „obcych” stacji, i dopiero po pozytywnej weryfikacji może
rozpocząć własną transmisję. Urządzenie klasy A rezerwuje ramkę czasową na
swoją transmisję w następnym cyklu w stacji bazowej, lub w pełniącej tę funkcję
stacji, a stacja klasy B po sprawdzeniu, która szczelina czasowa (slot) jest wolna
w bieżącym cyklu, w tej szczelinie nadaje w następnym cyklu. Może się więc
zdarzyć, że dwie stacje nadawać będą w tej samej szczelinie.
Urządzenia klasy B muszą także obsługiwać tryb wyznaczony i odzewowy
oraz dostosowywać się do wezwań z innych stacji. Takie działanie, można je
nazwać podrzędnym, urządzeń klasy B w sieci AIS ma zapewnić, że nie będą one
negatywnie wpływać na działanie urządzeń klasy A, stacji bazowych i AIS
zainstalowanego na oznakowaniu nawigacyjnym (AtoN AIS) [3].
96
PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 23, 2009
3. BADANIE NOWEJ TECHNOLOGII DOSTĘPU – CSTDMA
Przy wprowadzaniu technologii AIS klasy B przedstawiono wiele różnych
zasad i metod konstrukcji urządzeń tej klasy. Propozycje te miały na celu jak
najlepsze zintegrowanie nowych stacji AIS z istniejącą siecią AIS oraz
zredukowanie ich wpływu na sprawność działania urządzeń AIS klasy A, dla której
system ten został stworzony.
Podczas badań nad wdrożeniem i standaryzacją urządzeń klasy B, prowadzonych przez Grupę Roboczą 8a IEC (International Electotechnical Comision
oznaczona jako IEC – WG8a), zaproponowano nową technologię dostępu do łącza
danych UKF, która w najlepszy możliwy sposób zintegruje nowe urządzenia
z siecią AIS. Zaproponowano tryb Carrier Sense Time Division Multiple Access
(CSTDMA), czyli zwielokrotniony czasowy przydział częstotliwości z badaniem
stanu kanału.
W celu sprawdzenia współdziałania urządzeń AIS klasy B ”CS” z siecią AIS
Centrum Badań i Rozwoju Straży Przybrzeżnej USA (US Coast Guard Research
and Development Center) przeprowadziło symulację komputerową z uwzględnieniem różnych przypadków natężenia ruchu na torze wodnym, a tym samym obciążenia sieci. Symulator odtwarzał wirtualne środowisko operowania z wirtualnymi
jednostkami wyposażonymi w urządzenia AIS, pracującymi zgodnie z wykonywanymi przez jednostkę zadaniami i wzajemnie oddziałującymi na siebie. Sprawność
została zmierzona procentowo jako stosunek poprawnie odebranych wiadomości
AIS do wiadomości, które powinny zostać poprawnie odebrane, tzn. takich,
których poziom sygnału był dostateczny, aby mogły być poprawnie odebrane, ale
z powodu np. interferencji z innym sygnałem zostały pominięte przez urządzenie
użytkownika. Użyto dwóch różnych scenariuszy opracowanych na podstawie
zebranych zapisów ruchu morskiego w Zatoce San Francisco, w których użyto
jednego urządzenia jako referencyjnego plus 149 urządzeń klasy A i 700 urządzeń
klasy B, oraz u wybrzeży Florydy, z jednym urządzeniem referencyjnym, 350
urządzeniami AIS klasy A i 1904 urządzeniami klasy B.
Podczas symulacji zmieniał się jedynie tryb pracy (CSTDMA lub SOTDMA)
urządzenia AIS klasy B, pozostałe warunki symulacji pozostawały takie same.
Nadrzędnym celem badań było określenie maksymalnej liczby wiadomości, które
może odebrać urządzenie referencyjne klasy A od innych stacji klasy A przy
jednoczesnej pracy wymienionej liczby urządzeń klasy B.
Sprawdzone zostały cztery różne przypadki:
1) wszystkie urządzenia klasy B zastąpiono stacjami klasy A, ale z użyciem anten
zamontowanych na wysokości 6 metrów,
2) wszystkie urządzenia klasy B działają w trybie SOTDMA z mocą nadawania
12,5 W,
3) wszystkie urządzenia klasy B działają w trybie CSTDMA z mocą nadawania
1 W,
4) wszystkie urządzenia klasy B są wyłączone [7].
T.Stupak, R. Wawruch, Badanie wpływu urządzeń AIS klasy B na sieć AIS
97
3.1. Wyniki symulacji
Poniżej przestawiono wyniki badań przeprowadzonych
scenariuszy dla dwóch sytuacji natężenia ruchu.
wg czterech
3.1.1. Odbiór przez referencyjną stację klasy A transmisji innych urządzeń klasy A
Największą różnicę pomiędzy odbiornikami AIS klasy B pracującymi w trybie
CSTDMA a odbiornikami AIS klasy B pracującymi w trybie SOTDMA można
zauważyć w tabeli 1, w której przedstawiony jest scenariusz „Zatoka San
Francisco” i procentowa ilość wiadomości nadanych przez urządzenia AIS klasy A
i odebranych poprawnie przez referencyjną stację także klasy A.
Tabela 1
Procent wiadomości nadanych przez urządzenia klasy A i odebranych poprawnie przez
urządzenie referencyjne klasy A – scenariusz „Zatoka San Francisco” [7]
Odległość od
stacji
referencyjnej
(Mm)
0– 5
5 – 10
10 – 15
15 – 20
20 – 25
25 – 30
30 – 35
150
odbiorników
klasy A + 700
odbiorników
klasy A na
statkach
nie SOLAS
90,6
52,5
28,1
15,3
11,5
7,1
0,8
 sytuacja niebezpieczna
150 odbiorników
klasy A + 700
odbiorników
klasy B SOTDMA
(12,5W)
150 odbiorników
klasy A + 700
odbiorników
klasy B
CSTDMA (1W)
150
odbiorników
klasy A
96,3
76,4
58,2
37,5
30,8
22,9
3,3
99,3
97,5
95,5
89,7
81,1
69,3
9,8
99,4
97,9
95,3
93,5
89,9
86,2
11,9
 sytuacja dopuszczalna
W scenariuszu „Floryda” różnice pomiędzy dwoma systemami są także duże,
ale mniejsze niż w pierwszym przypadku.
Urządzenia klasy B CSTDMA przeprowadzają próbę nadania wiadomości
w jednym z dziesięciu losowo wybranych ramek elementarnych. Jeżeli podczas
detekcji stanu kanału (Carrier Sense) urządzenie wykryje, że wszystkie ramki
elementarne są zajęte, transmisja wiadomości nie odbędzie się. Podczas symulacji
scenariusza „Floryda” został przeprowadzony pomiar liczby takich zaniechanych
transmisji. Wykazał on 816 przypadków zaniechania transmisji na ogólną liczbę
227 894 transmisji wykonanych – czyli wiadomości nieodebrane stanowiły
zaledwie około 0,35% wszystkich.
PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 23, 2009
98
Tabela 2
Procent wiadomości nadanych przez urządzenia klasy A i odebranych poprawnie przez
urządzenie referencyjne klasy A – scenariusz „Floryda” [7]
Odległość od
stacji
referencyjnej
(Mm)
351
odbiorników
klasy A + 1904
odbiorniki klasy
A na statkach
nie SOLAS
351 odbiorników
klasy A + 1904
odbiorniki klasy B
SOTDMA (12,5W)
351 odbiorników
klasy A + 1904
odbiorniki klasy
B CSTDMA (1W)
351
odbiorników
klasy A
97,7
74,8
38,2
18,0
6,8
2,9
0,2
98,6
87,1
60,8
40,6
23,9
16,2
1,8
99,7
95,7
84,6
70,9
53,9
44,8
5,1
99,9
95,3
85,2
75,1
61,6
54,4
6,3
0– 5
5 – 10
10 – 15
15 – 20
20 – 25
25 – 30
30 – 35
 sytuacja niebezpieczna
 sytuacja dopuszczalna
3.1.2. Odbiór przez referencyjne urządzenie klasy A wiadomości nadanych przez
stacje klasy B
Pomimo dużo mniejszej mocy nadawania przez urządzenia AIS klasy B
pracujące w trybie CSTDMA, w scenariuszu „Zatoka San Francisco” odnotowano
lepszą sprawność tego typu urządzeń niż stacji klasy B pracujących w trybie
SOTDMA, nadających z większą mocą. Działo się tak dopóki nie została
osiągnięta granica zasięgu stacji klasy B CSTDMA.
Tabela 3
Procent wiadomości odebranych poprawnie przez urządzenie referencyjne klasy A –
scenariusz „Zatoka San Francisco” [7]
Odległość od
stacji
referencyjnej
(Mm)
0– 5
5 – 10
10 – 15
15 – 20
20 – 25
150 odbiorników
klasy A + 700
odbiorników klasy A
na statkach
nie SOLAS
150 odbiorników
klasy A + 700
odbiorników klasy B
SOTDMA (12,5W)
150 odbiorników
klasy A + 700
odbiorników klasy B
CSTDMA (1W)
74,9
32,1
16,2
10,8
2,3
87,3
54,8
36,7
29,9
7,6
89,9
63,8
47,2
0,0
0,0
Uzyskane wyniki obecnie różnią się nieznacznie od wyników otrzymywanych
dla scenariusza „Floryda”. Dzieje się tak najprawdopodobniej dlatego, że urządzenia klasy B pracujące w trybie CSTDMA najpierw poszukują wolnej szczeliny
czasowej, a dopiero w następnym cyklu będą w niej nadawać. W przypadku, kiedy
T.Stupak, R. Wawruch, Badanie wpływu urządzeń AIS klasy B na sieć AIS
99
natężenie ruchu jest dużo większe, trudniej tego typu urządzeniom nadać swoją
wiadomość.
Tabela 4
Procent wiadomości odebranych poprawnie przez urządzenie referencyjne klasy A –
scenariusz „Floryda” [7]
Odległość od
stacji
referencyjnej
(Mm)
351 odbiorników klasy
A + 1904 odbiorniki
klasy A na statkach
nie SOLAS
351 odbiorników
klasy A + 1904
odbiorniki klasy B
SOTDMA (12,5W)
351 odbiorników
klasy A + 1904
odbiorniki klasy B
CSTDMA (1W)
87,8
47,2
13,9
4,1
0,5
93,9
65,1
32,9
16,4
3,1
92,4
61,5
26,0
0,0
0,0
0– 5
5 – 10
10 – 15
15 – 20
20 – 25
3.1.3. Odbiór przez referencyjne urządzenie klasy B wiadomości nadanych przez
stacje klasy A
Zarówno w scenariuszu „Zatoka San Francisco”, jak i „Floryda” stacje klasy B
CSTDMA miały lepszą sprawność niż AIS klasy B SOTDMA. Wpływ na taki
wynik może mieć kilka czynników. Najważniejszym są odstępy czasowe
raportowania – stacje klasy B pracujące w trybie CSTDMA transmitują tylko 2
razy na minutę, podczas gdy w trybie SOTDMA mogą transmitować aż do 12 razy
na minutę, co ma wpływ na możliwości transmisji urządzeń klasy A przy dużym
natężeniu ruchu.
Tabela 5
Procent wiadomości nadanych przez stacje klasy A i odebranych poprawnie przez
urządzenie referencyjne klasy B – scenariusz „Zatoka San Francisco” [7]
Odległość od
stacji
referencyjnej
(Mm)
0– 5
5 – 10
10 – 15
15 – 20
20 – 25

149 odbiorników
klasy A + 701
odbiorników
klasy A na
statkach
nie SOLAS
87,6
49,7
26,8
15,4
3,3
sytuacja niebezpieczna

149 odbiorników
klasy A + 701
odbiorników
klasy B SOTDMA
(12,5W)
149 odbiorników klasy A +
701 odbiorników klasy B
CSTDMA (1W)
149
odbiorników
klasy A
95,4
74,5
55,8
38,5
10,0
99,4
97,9
95,4
88,8
24,9
99,4
97,9
96,3
94,1
28,4
sytuacja dopuszczalna
PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 23, 2009
100
Tabela 6
Procent wiadomości nadanych przez stacje klasy A i odebranych poprawnie przez
urządzenie referencyjne klasy B – scenariusz „Floryda”[7]
Odległość od
stacji
referencyjnej
(Mm)
350 odbiorników
klasy A + 1905
odbiorników
klasy A na
statkach
nie SOLAS
350 odbiorników
klasy A + 1905
odbiorników
klasy B SOTDMA
(12,5W)
350
odbiorników
klasy A + 1905
odbiorników
klasy B
CSTDMA (1W)
350
odbiorników
klasy A
95,8
70,4
34,5
16,8
2,6
98,5
85,5
59,8
40,1
8,3
99,4
95,1
85,1
72,5
17,6
99,5
95,7
86,7
76,6
19,4
0– 5
5 – 10
10 – 15
15 – 20
20 – 25

sytuacja niebezpieczna

sytuacja dopuszczalna
4. PODSUMOWANIE PRZEPROWADZONYCH SYMULACJI
Symulacje wykazały, że urządzenie AIS klasy B pracujące w trybie CSTDMA
jest w pełni kompatybilne z istniejącą siecią AIS, wykazuje lepszą integralność niż
urządzenie AIS klasy B pracujące w trybie SOTDMA, nawet przy dużym ruchu,
oraz ma dużo mniejszy negatywny wpływ na sprawne działanie stacji AIS klasy A.
Używanie przez małe jednostki urządzeń AIS klasy B poprawi ich
bezpieczeństwo, ponieważ statek, który często może ich nie widzieć na radarze,
będzie poinformowany o ich istnieniu, co ułatwi nawiązanie łączności i uniknięcie
kolizji pomiędzy statkami i jednostkami rybackimi. Należy jednak brać pod uwagę,
że transmisja z małej odległości małej mocy urządzenia klasy B może zakłócić
odbiór danych z innego statku, znajdującego się w większej odległości.
LITERATURA
1. Hewitson S., Wang J., GNSS Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM) Performance
analysis, The University of New South Wales, Australia.
2. IALA Guideline No. 1028 on the automatic identification system (AIS), Volume I, Part I
[Przewodnik IALA na temat uniwersalnych statkowych systemów automatycznej identyfikacji
AIS], France, 2004.
3. IEC 62287 Ed.1, Maritime navigation and radiocommunication equipment and systems – Class B
shipborne equipment of the Automatic Identification System (AIS) using CSTDMA techniques –
Operational and performance requirements, methods of test and required test results.
4. Instrukcja obsługi urządzenia AIS firmy MX-Com. Dostępny w internecie: www.mxmarine.com/downloads/ mx521/MX521A_Installation%20Manual_050107.pdf.
T.Stupak, R. Wawruch, Badanie wpływu urządzeń AIS klasy B na sieć AIS
101
5. Klimek K., Knapik F., Wprowadzenie do protokołu HDLC. Dostępny w Internecie:
http://home.agh.edu.pl/~jackolo/projekty/HDLC/index.html.
6. Kostedt F., Kamerling J.C., Practical GMSK Data transmission, MX-COM, 1998.
7. Performance assessment and interoperability of proposed class B AIS with existing class A AIS
system using simulation software [Badania Międzynarodowej Unii Telekomunikacyjnej (ITU)],
USA, 2005.
8. Second report and order [Raport Federalnej Komisji Komunikacji (FCC)], USA, 2008.
9. Wawruch R., Uniwersalny statkowy system automatycznej identyfikacji (AIS), Gdynia 2002.
THE INFLUENCE OF AIS CLASS B ON AIS NET INVESTIGATION
Summary
In the article AIS class B simulation was presented. The investigation was provided according to two
scenarios: for high tension of ships movements (scenario “Florida”) and for medium tension (scenario
“San Francisco Bay”). During experiment units class B used SOTDMA, or CSTDMA technique.