李琛

摘 要： 简要介绍了国内外民航甚高频数据链的发展现状和应用情况，对国际民航组织建议的几种甚高频地空数据链通信模式进行了比较，并对VDL Mode 2模式进行了详细的说明。

关键词： 民航数据链； 甚高频数据链； VDL Mode 2； ACARS

中图分类号： TN919?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）11?0015?04

Abstract： The current development situation of foreign and domestic civil aircraft VHF datalink and its application is introduced briefly in this paper. The communication modes of several VHF air?ground datalinks recommended by ICAO are compared. VDL Mode 2 is illustrated in detail.

Keywords： civil aircraft datalink； VHF datalink； VDL Mode 2； ACARS

0 引 言

民航数据链有甚高频（VHF）、高频（HF）、S模式和卫星通信等多种通信方式，其中使用较广泛的是甚高频数据通信。目前全球范围内使用最广泛的民航甚高频数据链是ACARS模式数据链，该数据链的特点是使用相对简单，发展较早，使用广泛，但传输速率较慢。

由于ACARS数据链通信速率较低，而全球民航客运量却在持续迅速的增长，现行民用数据链通信系统已不能完全适应空中交通流量增长和新型飞机航速航程扩展的需要。为此，国际民航组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）提出在全球建立一个新航行系统，航空电信网（Aeronautical Telecommunication Network，ATN）是新航行系统中的重要组成部分，提供各种计算机数据通信的最基本的通信设备，针对ATN网络建设，目前为止写入《国际民用航空公约》附件10的甚高频通信方案共有4种，分别是甚高频数据链模式1（VDL Mode 1）、模式2（VDL Mode 2）、模式3（VDL Mode 3）、模式4（VDL Mode 4）[1]。

1 国内外民航数据链使用现状

1.1 国外民航数据链使用情况

（1） VDL Mode 2

目前VDL Mode 1数据链未推广使用，VDL Mode 2是新发展的数据链中技术最为成熟的，其使用了差分8相位相移键控（D8PSK）调制方式，数传速率为31.5 Kb/s，工作频段为118～136.975 MHz，最多可以容纳760个信道，公共信道所使用的频率设为136.975 MHz，MAC子层采用的是CSMA算法。目前VDL Mode 2广泛应用于美国、欧洲和日本，至2011年，美国国内已经建成并投入使用了300多个VDL Mode2地面站点。

（2） VDL Mode 3

空中交通管制工作中最基本的需求是保证飞行员和管制员之间能够清晰地、自由地通话，尽管数据通信将会取代许多日常工作，但话音通信仍然是比不可少的，VDL Mode 3的最大特点就是可以支持数话同传。其采用TDMA的组网方式，通过配置不同时隙的方式，达到同时传输话音和数据的目的。

VDL Mode 3是美国联邦航空局（FAA）提出的下一代民航甚高频数据链，目前美国和日本一直在开展与其相关的研究[1]。

（3） VDL Mode 4

VDL Mode 4采用GFSK调制方式，数据传输速率为 19.2 Kb/s。组网方式为STDMA，其最大特点是通过使用GPS或其他辅助资源进行站点校时，因此就不需要地面站广播参考时间。在VDL Mode 4模式下，时隙管理以及地面站其他的重要功能都可由飞机完成。

VDL Mode 4是瑞典推出的一种甚高频数据链，是欧洲准备将来采用的甚高频地空数据链通信系统，其最大优势是对空空通信和ADS?B的支持[1]。

VDL数据链技术指标对比情况见表1。

1.2 国内民航数据链使用现状

我国民航目前所采用的数据链是ACARS模式，1998年开始第一期建设，至目前为止，已经建立了100多个地面站点，基本覆盖了我国大部分中、高空航路。作为ICAO的参与国家，在参加ICAO相关会议的同时，我国与国外VDL Mode 2设备生产厂商，如美国ARINC、Collins公司等进行技术交流，获取目前地空数据通信系统向ATN系统的过渡方案与建议，以及北美、欧洲等地区实施VDL Mode 2系统的经验，在2004年，开始了VDL Mode 2数据链的研究工作，经历了协议仿真研究、地面站系统设计和控制软件实现，并取得了初步成果，目前我国在VDL Mode 2数据链建设上也取得了一定的进步。目前国内已经建立了10余个地面站点，能够支持VDL Mode 2数据链的应用，目前已经初步完成了系统的建设、测试和试验等相关工作[4?8]。

2 VDL Mode 2技术

2.1 VDL Mode 2体系结构

VDL Mode 2主要由物理层、数据链路层和子网层组成，属于ATN网络的地/空子系统，能够给ATN系统提供可靠的子网服务。其基本构成如图1所示。其中数据链路层由介质访问控制（Media Access Control，MAC）子层、数据链路服务（Data Link Service，DLS）子层以及甚高频管理实体（VHF Management Entity，VME）子层组成[1?2]。

2.1.1 物理层

VDL Mode 2传输波形物理层参数如下：调制方式：D8PSK；成形滤波器：升余弦滤波器（a=0.6）；符号速率：10 500 sample/s；信道速率：31.5 Kb/s；编码方式：RS（255，249）；VDL Mode 2传输波形物理层帧结构如图2所示。

其中：

（1） 信道建立

信道建立段长度为5个符号，由一段固定的伪随机码构成，用于发射端功率建立，以及接收端的AGC稳定。

（2） 同步段

同步段长度为16个符号，由一个48 b的独特字组成，用于接收端的帧同步和位同步，它是接收端收到的有效信息的起始标记。

（3） 标题段

标题段长度为8个符号，前17 b为传输数据长度信息，表示数据段传输的有效数据长度。

（4） 数据段

数据段由[N]个RS（255，239）编码块组成，以编码块为单位进行传输，编码块的个数由每次传输数据长度决定。

VDL Mode 2传输波形物理层信号发射与接收流程如图3所示。

2.1.2 数据链路层

链路层包含两个子层和一个管理实体，其中MAC（Media Access Control，媒体访问控制）子层采用P坚持的CSMA协议来控制对每个25 kHz的信道的访问，从而最大限度地避免冲突；DLS（Data Link Service）子层提供错误检测、错误恢复、流控制、重传控制和帧地址确认等功能。VME（Link Management Entity）提供链路的建立、维护、释放及交换等功能。

（1） MAC子层协议

MAC子层接收来自DLS子层的AVLC数据帧，但是不对AVLC帧进行修改，只对其进行访问控制。它还接收来自物理层的数据包并将它上传给DLS子层。

数据收发过程：

发送：从DLS子层数据链路子层到物理层传输AVLC帧；

接收：从物理层到DLS子层数据链路子层来接收AVLC帧。

MAC子层的服务主要包括两个部分：P坚持的CSMA算法进行多路接入访问和信道拥塞通告服务。

（2） DLS子层体系结构

DLS子层负责在链路上组织并传输包。它执行来自HDLC（High?level Data Link Control）协议的子协议AVLC（Aviation VHF Link Control）协议，提供数据链路的基站标识，并完成流控制，帧序列交换和处理以及错误检测的功能。

DLS为每个连接建立一个数据链路实体（Data Link Entity?DLE）。DLE实际上是执行航空甚高频数据链控制AVLC协议，主要完成数据帧处理、交换和错误检测的功能。本地DLE与目的端DLE进行通信，来控制两个电台之间的整个交通流，包括控制流和数据流。DLE负责向VME通报过量的包丢失[3]。

（3） VME管理实体

甚高频管理实体（VHF Management Entity?VME）负责建立和维护空/地无线链路。并为每个链路创建一个LME（Link Management Entity），提供链路的建立、维护、释放及移交等功能，VME有如下三个功能：

① 频率管理。目前，通用信道 CSC（Common Signalling Channel）频率为136.975 MHz，所有的空/地通信服务都可以共享此频率。VDL Mode 2允许使用的频率段为118～136.975 MHz；

② 地面站管理。每一个地面站都有规律地发射广播帧（GSIF）用来向飞机提供自己的存在和容量信息。VME还储存了一个峰值实体连接表，用来管理每个连接，从而选取最优的地面站，一般从以下几个方面考虑最优连接的选取：上行信号质量、地面站是否是本地的、服务类型等。如果当前地面站所提供的信号质量较差，而同时另外一个地面站能提供较好的信号质量时，VME开始进行地面站间的移交。

③ 连接上层接口。VME是连接子网层的接口，在DLS 子层和子网层之间起到连接和纽带作用。

2.1.3 子网层

子网层主要完成数据包交换，错误恢复，连接流量控制，数据包分段存储，子网连接管理等功能。它提供的服务如下：

（1） 子网连接管理

使用多种不同的包类型、程序和设备来建立、终止和管理网络连接。连接的两端都会维护连接状态信息，链路最优化选取时，实现数据连接的移交功能。

（2） 包分段和重组

子网层允许将来自子网用户的大的数据单元分段，以便提高子网的空?地部分传输速率。当子网的接收端收到分段信息后，会进行分段信息的重组，恢复出原信息。

（3） 错误恢复

监督帧中的“REJECT”格式包用在子网层目的是进行错误恢复。这些数据包在子网层实体之间发送，为了重传错误包。飞机终端接收“REJECT”包后，会传输指定的数据包。

（4） 连接流量控制

数据包序列数和滑动窗口一起来进行被动的流控制。拒绝接收包（Receive Not Ready，RNR）不能被用来进行直接的流控制。重传等待时间和信道访问概率对链路流量也有很大的影响。

2.2 技术特点与优势

随着民用航空运输量的快速增长，目前的航空管理保障体系已明显不能满足需求，因此，迫切需要寻求新的空中交通管理手段。新航行系统就是解决航路拥挤所产生的问题而进行开发的，而作为新航行系统中数据链的模式选用，VDL Mode 2数据链是其中重要的组成部分。

与目前广泛采用的ACARS数据链面向字符的传输方式不同，VDL Mode 2采用了面向比特的传输方式，数据包经过压缩传输，传输速率明显提高，由ACARS的2.4 Kb/s提高到了31.5 Kb/s。ACARS数据链和VDL Mode 2数据链对比情况见表2。

2.3 应用步骤

航空电信网（ATN）是未来航空通信的必然发展趋势，它是基于OSI七层体系结构的航空专用网，在将来向航空电信网ATN的过渡中，能够与现有ACARS网络兼容是需要考虑的十分重要的一点。

VDL Mode 2是ATN网络的主要空地通信方式之一，但在ATN实施过程中，一些地区和组织VDL Mode 2的实施可能先于ATN地面网络，因此，工业上提出了VDL Mode 2服务两步走的计划[9]：

（1） 将当前的ACARS信息转化为小型的VDL Mode 2（ACARS over AVLC，AOA）应用。即在ACARS网络基础设施下，将VDL Mode 2空地子网接入到ACARS网络中。

（2） VDL Mode 2/ATN。在ATN网络基础设施下，将VDL Mode 2的空地移动子网接入到ATN网络中。基于VDL Mode 2的ACARS组网协议的协议栈如图4所示。

在ACARS网络中，VDL Mode 2作为ACARS网络的一种移动子网，承载着空地移动通信中的ACARS数据包。主要分为：

（1） ACARS应用子层：主要支持空中交通服务（ATS）和航务运行管理服务（AOC）；

（2） AOA及ACARS路由子层：将来自应用子层的消息封装成AOA分组，并将上行消息路由到合适的机载子系统，或将下行消息路由到合适的地面系统；

（3） VDL Mode 2链路层子层，包括：链路管理实体（LME/VME），用于链路的建立、维护与切换；数据链服务子层（DLS），采用AVLC协议，是HDLC协议的子集；媒体接入控制（MAC）子层，采用CSMA接入机制；

（4） VDL Mode 2物理层。采用D8PSK方式，速率可达到31.5 Kb/s。

3 结 语

综合考虑各种数据链模式的性能及特点，VDL Mode 2由于它对ACARS网络的兼容性和对未来ATN网络的无缝隙的结合而成为当前民航数据链技术的首选，我国也最终选择VDL Mode 2作为下一代民航数据链，开展相关的研究工作并建立相应的验证环境，将对VDL Mode 2的推广应用提供有力的技术支持。

参考文献

[1] 陈岩，董淑福，蒋磊.甚高频数据链技术及其应用[J].科技信息，2008（10）：395?397.

[2] 王怡翔，谷力，李斌.地基增强系统中VDB接收电台子系统的设计[J].科技视界，2012（9）：3?4.

[3] 王晓琳，张学军，贾旭光.甚高频数据链模式2网络仿真分析[J].系统仿真学报，2006，18（3）：638?643.

[4] ARINC. ARINC 750?2004 VHF data radio [S]. USA： ARINC， 2004.

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[10] 波音商用飞机集团.英汉对照民用航空词典[M].[S.l]：波音商用飞机集团，2009.

2.3 应用步骤

航空电信网（ATN）是未来航空通信的必然发展趋势，它是基于OSI七层体系结构的航空专用网，在将来向航空电信网ATN的过渡中，能够与现有ACARS网络兼容是需要考虑的十分重要的一点。

VDL Mode 2是ATN网络的主要空地通信方式之一，但在ATN实施过程中，一些地区和组织VDL Mode 2的实施可能先于ATN地面网络，因此，工业上提出了VDL Mode 2服务两步走的计划[9]：

（1） 将当前的ACARS信息转化为小型的VDL Mode 2（ACARS over AVLC，AOA）应用。即在ACARS网络基础设施下，将VDL Mode 2空地子网接入到ACARS网络中。

（2） VDL Mode 2/ATN。在ATN网络基础设施下，将VDL Mode 2的空地移动子网接入到ATN网络中。基于VDL Mode 2的ACARS组网协议的协议栈如图4所示。

在ACARS网络中，VDL Mode 2作为ACARS网络的一种移动子网，承载着空地移动通信中的ACARS数据包。主要分为：

（1） ACARS应用子层：主要支持空中交通服务（ATS）和航务运行管理服务（AOC）；

（2） AOA及ACARS路由子层：将来自应用子层的消息封装成AOA分组，并将上行消息路由到合适的机载子系统，或将下行消息路由到合适的地面系统；

（3） VDL Mode 2链路层子层，包括：链路管理实体（LME/VME），用于链路的建立、维护与切换；数据链服务子层（DLS），采用AVLC协议，是HDLC协议的子集；媒体接入控制（MAC）子层，采用CSMA接入机制；

（4） VDL Mode 2物理层。采用D8PSK方式，速率可达到31.5 Kb/s。

3 结 语

综合考虑各种数据链模式的性能及特点，VDL Mode 2由于它对ACARS网络的兼容性和对未来ATN网络的无缝隙的结合而成为当前民航数据链技术的首选，我国也最终选择VDL Mode 2作为下一代民航数据链，开展相关的研究工作并建立相应的验证环境，将对VDL Mode 2的推广应用提供有力的技术支持。

参考文献

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2.3 应用步骤

航空电信网（ATN）是未来航空通信的必然发展趋势，它是基于OSI七层体系结构的航空专用网，在将来向航空电信网ATN的过渡中，能够与现有ACARS网络兼容是需要考虑的十分重要的一点。

VDL Mode 2是ATN网络的主要空地通信方式之一，但在ATN实施过程中，一些地区和组织VDL Mode 2的实施可能先于ATN地面网络，因此，工业上提出了VDL Mode 2服务两步走的计划[9]：

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（2） VDL Mode 2/ATN。在ATN网络基础设施下，将VDL Mode 2的空地移动子网接入到ATN网络中。基于VDL Mode 2的ACARS组网协议的协议栈如图4所示。

在ACARS网络中，VDL Mode 2作为ACARS网络的一种移动子网，承载着空地移动通信中的ACARS数据包。主要分为：

（1） ACARS应用子层：主要支持空中交通服务（ATS）和航务运行管理服务（AOC）；

（2） AOA及ACARS路由子层：将来自应用子层的消息封装成AOA分组，并将上行消息路由到合适的机载子系统，或将下行消息路由到合适的地面系统；

（3） VDL Mode 2链路层子层，包括：链路管理实体（LME/VME），用于链路的建立、维护与切换；数据链服务子层（DLS），采用AVLC协议，是HDLC协议的子集；媒体接入控制（MAC）子层，采用CSMA接入机制；

（4） VDL Mode 2物理层。采用D8PSK方式，速率可达到31.5 Kb/s。

3 结 语

综合考虑各种数据链模式的性能及特点，VDL Mode 2由于它对ACARS网络的兼容性和对未来ATN网络的无缝隙的结合而成为当前民航数据链技术的首选，我国也最终选择VDL Mode 2作为下一代民航数据链，开展相关的研究工作并建立相应的验证环境，将对VDL Mode 2的推广应用提供有力的技术支持。

参考文献

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