DE102014112380A1

DE102014112380A1 - Verfahren zur Bereitstellung von Daten von empfangenen AIS-Datenpaketen, Einrichtung und Computerprogramm dafür

Info

Publication number: DE102014112380A1
Application number: DE102014112380.8A
Authority: DE
Inventors: Federico Clazzer; Andrea Munari; Matteo Berioli
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: DE102014112380B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Daten von empfangenen AIS-Datenpaketen, wobei mittels wenigstens einer AIS-Empfangseinrichtung AIS-Datenpakete empfangen und die Daten der empfangenen AIS-Datenpakete automatisch ausgewertet werden, wobei zumindest fehlerfrei empfangene AIS-Datenpakete für eine Verwendung in späteren Zeitschlitzen des AIS-Protokolls gespeichert werden, wobei solche Daten eines AIS-Datenpakets eines aktuellen Zeitschlitzes, die durch die überlappende Übertragung von AIS-Datenpaketen in demselben Zeitschlitz verfälscht und damit fehlerhaft sind, wenigstens zum Teil durch wenigstens ein Successive Interference Cancellation-Verfahren automatisch unter Verwendung wenigstens eines fehlerfrei empfangenen, gespeicherten AIS-Datenpakets eines früheren oder späteren Zeitschlitzes rekonstruiert werden. Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung mit einer AIS-Empfangseinrichtung und mit einer Bereitstellungseinrichtung zur Bereitstellung von Daten von über die AIS-Empfangseinrichtung empfangenen AIS-Datenpaketen sowie ein Computerprogramm.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Daten von empfangenen AIS-Datenpaketen gemäß dem Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung mit einer AIS-Empfangseinrichtung und mit einer Bereitstellungseinrichtung zur Bereitstellung von Daten von über die AIS-Empfangseinrichtung empfangenen AIS-Datenpaketen gemäß Anspruch 9 sowie ein Computerprogramm gemäß Anspruch 11.
Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der AIS-Kommunikation im Bereich des Schiffsverkehrs. Die Überwachung des weltweit zunehmenden Schiffsverkehrs basiert heute überwiegend auf Radarüberwachung, Sprechfunk sowie die Nutzung von AIS (Automatic Identification System). Seit dem Jahr 2000 ist das AIS von der internationalen Seeschifffahrtsorganisation (IMO) als verbindlicher Standard festgelegt worden, um die Sicherheit des internationalen Schiffsverkehrs zu erhöhen. Dieses lokal begrenzte Funksystem dient dabei zum Austausch von Navigations- und anderen Schiffsdaten, die es den Schiffen ermöglichen sollen, einen umfassenden Überblick über den benachbarten Schiffsverkehr zu erhalten. Primäres Ziel ist es dabei, Kollisionen zwischen Schiffen zu vermeiden.
Das AIS sendet abwechselnd auf zwei Kanälen im UKW-Seefunkbereich, nämlich zum einen auf 168,975 MHz und zum anderen auf 162,025 MHz. Die Aussendung der einzelnen AIS-Schiffsdaten erfolgt dabei in festen Zeitrahmen, deren Belegung selbstständig durch die betreffenden Teilnehmer abgestimmt wird (sogenannte SOTDMA: self-organizing time-division multiple access). Somit stehen pro Minute lediglich 2250 Zeitschlitze zur Übertragung von Daten den einzelnen Teilnehmern zur Verfügung.
Auf Grund des verwendeten UKW-Frequenzbandes entspricht die Funkreichweite von AIS von Schiff zu Schiff ca. 40 bis 60 km, was ein wenig mehr als die normale Sichtweite auf hoher See ist. Küstenstationen können durch ihre höhere Position einen Umkreis von bis zu 100 km abdecken. Auf Grund der beschränkten Reichweite sowie des verwendeten Übertragungsprotokolls bilden Schiffe, die sich gegenseitig sehen und empfangen können, eine AIS-Funkzelle, innerhalb derer die Teilnehmer ihre Daten kollisionsfrei senden und empfangen können.
Insoweit stellt das AIS lediglich ein lokales Funksystem dar, das zwar für ein auf hoher See befindliches Schiff ausreichend Daten zur Verfügung stellt, jedoch ohne zusätzliche Maßnahmen für die weltweite Erhebung des zunehmenden Schiffsverkehrs nicht geeignet ist. Für Reedereien, Schifffahrtsorganisationen oder Umweltministerien ist jedoch eine zeitnahe Erhebung der weltweit anfallenden AIS-Schiffsverkehrsdaten von großem Interesse, um insbesondere auch illegalen Machenschaften auf hoher See entgegenzuwirken.
Daher wurden bereits AIS-Empfangsantennen auf Satelliten angeordnet, um so die weltweit ausgesendeten AIS-Funksignale, die von den Schiffen regelmäßig ausgesendet werden, global empfangen zu können. Dies ermöglicht zwar eine weltweite Erhebung der mit Hilfe von AIS ausgesendeten Schiffsverkehrsdaten, hat jedoch in der Praxis erhebliche Schwierigkeiten und Nachteile, da das AIS ursprünglich nicht für einen Satellitenempfang entwickelt worden ist.
Denn auf Grund der extrem hohen Flughöhe eines Satelliten wird ein Empfangsbereich, der auch als Ausleuchtungszone oder Footprint bezeichnet wird, mit einem Durchmesser von etwa 5000 km erzeugt. Da sich das AIS als lokales Funksystem selbstständig in einzelne Funkzellen organisiert, die alle auf den gleichen Frequenzbändern senden, kommt es bei einem derart großen Empfangsdurchmesser am Satelliten zum Empfang einer Vielzahl von Funkzellen mit identischen Sendefrequenzen, so dass sich die AIS-Funksignale der verschiedenen AIS-Funkzellen im Empfangsbereich des Satelliten überlagern können.
Zusammenfassung der verwendeten Abkürzungen:

AIS: Automatic Identification System
SIC: Successive Interference Cancellation
SOTDMA: Self-Organizing Time Division Multiple Excess
CSTDMA: Carrier Sense Time Division Multiple Excess
LEO: Low Earth Orbit

Verfahren zur Bereitstellung von Daten von empfangenen AIS-Datenpaketen sind z.B. aus der DE 10 2012 110 384 A1 oder der WO 2008/148 188 A1 bekannt.
Aus verschiedenen Gründen kann es wegen der begrenzten Funkreichweite der Schiffe und relativ großer Abdeckungsgebiete der Satelliten zur Überlagerungen von AIS-Datenpaketen kommen, die dann in Folge der überlappenden Übertragung in demselben Zeitschlitz verfälscht und damit fehlerhaft werden können. Nachfolgend wird der Fall betrachtet, dass von einer AIS-Empfangseinrichtung, z.B. einem Satelliten oder einem Gateway, in demselben Zeitschlitz überlappend AIS-Datenpakete von unterschiedlichen Sendern, die sich nicht hinsichtlich des Sendezeitpunkts abstimmen konnten oder dies zumindest nicht getan haben, empfangen werden. Dies kann beispielsweise dann vorliegen, wenn innerhalb des Footprint eines AIS-Satelliten mehrere Schiffe mit AIS-Funktionalität vorhanden sind, wobei zumindest einige der Schiffe so weit voneinander entfernt sind, dass keine direkte Funkverbindung zwischen ihnen möglich ist. In diesem Fall kommt es durch die überlappende Übertragung von AIS-Datenpaketen in demselben Zeitschlitz bei der AIS-Empfangseinrichtung zu Verfälschungen und damit zu Fehlern in der Datenübertragung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, eine Einrichtung und ein Computerprogramm anzugeben, mit dem in Szenarien wie dem zuvor beschriebenen die Zuverlässigkeit der Datenübertragung von AIS-Datenpaketen verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein Verfahren zur Bereitstellung von Daten von empfangenen AIS-Datenpaketen, wobei mittels wenigstens einer AIS-Empfangseinrichtung AIS-Datenpakete empfangen und die Daten der empfangenen AIS-Datenpakete automatisch ausgewertet werden, wobei zumindest fehlerfrei empfangene AIS-Datenpakete für eine Verwendung in späteren Zeitschlitzen des AIS-Protokolls gespeichert werden, wobei solche Daten eines AIS-Datenpakets eines aktuellen Zeitschlitzes, die durch die überlappende Übertragung von AIS-Datenpaketen in demselben Zeitschlitz verfälscht und damit fehlerhaft sind, wenigstens zum Teil durch wenigstens ein Successive Interference Cancellation-Verfahren automatisch unter Verwendung wenigstens eines fehlerfrei empfangenen, gespeicherten AIS-Datenpakets eines früheren oder späteren Zeitschlitzes rekonstruiert werden. Dies hat den Vorteil, dass die Gesamtperformance der AIS-Datenübertragung deutlich verbessert werden kann. Die Realisierung dieser Verbesserung kann kostengünstig durch Ergänzung von Betriebssoftware von Komponenten eines AIS-Systems durchgeführt werden, z.B. durch Ergänzung eines Computerprogramms in einem Satelliten oder einem Gateway eines AIS-Systems.
Ein weiterer Vorteil ist, dass alle bekannten Successive Interference Cancellation-Verfahren, wie sie z.B. in der Netzwerktechnik eingesetzt werden, auch zur Realisierung der vorliegenden Erfindung genutzt werden können. Dies erlaubt eine große Variabilität bei der Umsetzung der Erfindung.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass der AIS-Standard bzw. das AIS-Datenprotokoll nicht angepasst werden muss, weder auf der Senderseite noch auf der Empfangsseite.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird zur Rekonstruktion von Daten von einem fehlerhaften AIS-Datenpaket des aktuellen Zeitschlitzes ein dazu korrespondierendes fehlerfrei empfangenes, gespeichertes AIS-Datenpaket eines früheren oder späteren Zeitschlitzes abgezogen. Dies hat den Vorteil, dass die Rekonstruktion von Daten mit einfach ausführbaren Rechenoperationen durchgeführt werden kann, so dass auch einfache Rechner zur Realisierung der Erfindung ausreichend sind. Insbesondere kann bei gegebener Hardwareausrüstung die entsprechende Betriebssoftware um ein entsprechendes Computerprogramm oder -modul erweitert werden. Der vorhandene Rechner wird in der Regel noch ausreichende Rechenkapazität für diese Erweiterung aufweisen. Eine Rekonstruktion von Daten mittels eines Rechenschritts der Subtraktion ist möglich, weil die einzelnen Datenbits durch unterschiedliche Frequenzen des AIS-Funksignals übertragen werden. Überlagern sich zwei Datenbits, kommt es zu einer Addition der Frequenzen und somit zu einer bei der Dekodierung der Datenpakete unerwarteten Frequenz. Auf diese Weise kann eine Verfälschung der Daten sowie eine Rekonstruktion durch die sogenannte Subtraktion erfolgen. Nach der Subtraktion verbleibt als Ergebnis die korrekte Frequenz, so dass das entsprechende Datenbit dann korrekt dekodiert werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Schritt der Subtraktion mit einem korrespondierenden fehlerfrei empfangenen, gespeicherten AIS-Datenpaket eines weiteren früheren oder späteren Zeitschlitzes wiederholt, wenn das ermittelte Ergebnis der Subtraktion noch nicht fehlerfrei war. Auf diese Weise können iterativ weitere Daten herangezogen werden und eine Rekonstruktion der Dateneinheit mit noch größerer Wahrscheinlichkeit durchgeführt werden, als wenn nur die Daten eines früheren oder späteren Zeitschlitzes herangezogen werden.
Wird, wie zuvor als eine Variante angegeben, die Rekonstruktion von Daten eines aktuellen Zeitschlitzes unter Verwendung von Daten eines späteren Zeitschlitzes als des aktuellen Zeitschlitzes durchgeführt, dann erfolgt die Durchführung dieser Rekonstruktion selbstverständlich nicht in dem aktuellen Zeitschlitz, sondern später, wenn die Daten des späteren Zeitschlitzes zur Verfügung stehen, somit frühestens nach diesem späteren Zeitschlitz. In diesem Fall sind die Daten des aktuellen Zeitschlitzes zumindest so lange zu speichern.
Die Speicherung von AIS-Daten kann in dekodierter oder undekodierter Form erfolgen, d.h. direkt in Form des empfangenen AIS-Datenpakets.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Subtrahend bestimmt durch AIS-Kodierung eines bereits dekodierten, fehlerfrei empfangenen, gespeicherten AIS-Datenpakets eines früheren Zeitschlitzes. Dies hat den Vorteil, dass nicht die undekodierten Daten gespeichert werden müssen, sondern die Daten wie im normalen Ablauf vorgesehen dekodiert werden können und dann gespeichert werden. Kommt es zur Notwendigkeit einer Rekonstruktion von Daten, erfolgt die Rekonstruktion auf Ebene der kodierten Daten, d.h. bei einem AIS-System durch Kodierung mit einer der AIS-Frequenzen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Rekonstruktion von Daten paketweise. Dies erlaubt eine präzise Zuordnung zwischen zu rekonstruierenden Daten und korrespondierenden Daten aus früheren Zeitschlitzen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein gespeichertes fehlerfrei empfangenes AIS-Datenpaket gelöscht, wenn es nicht mehr gültig ist und/oder ein neueres fehlerfrei empfangenes AIS-Datenpaket von demselben AIS-Sender gespeichert wurde. Dies hat den Vorteil, dass das benötigte Speichervolumen zur Speicherung der für die Rekonstruktion notwendigen AIS-Datenpakete früherer Zeitschlitze gering gehalten werden kann, indem der Speicher von nicht mehr benötigten älteren AIS-Datenpaketen bereinigt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird für die Rekonstruktion eines oder mehrere solcher gespeicherten fehlerfrei empfangenen AIS-Datenpakete verwendet, deren Timeout eine Übertragung im aktuellen Zeitschlitz indiziert. Der aktuelle Zeitschlitz ist dabei derjenige Zeitschlitz, in dem ein AIS-Datenpaket empfangen wird und eine Rekonstruktion von Daten dieses Pakets durchgeführt werden soll.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gemäß Anspruch 9 gelöst durch eine Einrichtung mit einer AIS-Empfangseinrichtung und mit einer Bereitstellungseinrichtung zur Bereitstellung von Daten von über die AIS-Empfangseinrichtung empfangenen AIS-Datenpaketen, wobei die Bereitstellungseinrichtung eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor beschriebenen Art. Auch hierdurch können die zuvor genannten Vorteile erzielt werden. Die Bereitstellungseinrichtung kann insbesondere als Gateway ausgebildet sein oder Teil eines Gateways eines AIS-Systems sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die AIS-Empfangseinrichtung Teil eines AIS-Satelliten, z.B. eines LEO-Satelliten. Der AIS-Satellit kann dazu eingerichtet sein, die empfangenen AIS-Daten mit oder ohne Vorverarbeitung an eine gemeinsame Koordinierungseinheit, z.B. ein Gateway, weiterzuleiten. Dort können ein weiteres Verarbeiten und insbesondere ein Dekodieren der Datenpakete erfolgen.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gemäß Anspruch 11 gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor beschriebenen Art, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird. Das Computerprogramm kann z.B. auf einem Rechner einer AIS-Empfangseinrichtung, einer Bereitstellungseinrichtung oder einem Gateway ausgeführt werden.
Als AIS-Empfangseinrichtung sei in diesem Zusammenhang jede Einrichtung verstanden, die AIS-Datenpakete empfangen kann. Dies können reine AIS-Empfänger sein, aber auch AIS-Transceiver auf Schiffen oder AIS-Kommunikationseinheiten in Satelliten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
1 ein AIS-System und
2 eine Referenz-Topologie für den Empfang von AIS-Datenpaketen in einem Satelliten und
3 eine weitere Referenz-Topologie und
4 eine AIS-Datenübertragung mit SOTDMA-Zugriffssteuerung und
5 das Empfangsmuster der Datenpakete im Satelliten bei der Referenz-Topologie der 2 und
6 das Empfangsmuster der Datenpakete im Satelliten bei der Referenz-Topologie der 3 und
7 ein Flussidagramm und
8 ein Vergleich der Paketverlustraten mit und ohne die Erfindung und
9 den Durchsatz des Systems mit und ohne die Erfindung.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
Die 1 zeigt die grundsätzliche Struktur eines AIS-Systems unter Beteiligung wenigstens eines AIS-Satelliten. Schiffe 10, 20 kommunizieren mit einem z.B. im erdnahen Orbit (LEO) befindlichen AIS-Satelliten 80, wie durch die gestrichelten Pfeile dargestellt ist. Der AIS-Satellit 80 kommuniziert mit einer z.B. im Bereich der Erdatmosphäre an Land befindlichen AIS-Station 90, die z.B. als Gateway ausgebildet sein kann. Das Gateway 90 weist als Weiterbildung im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Bereitstellungseinrichtung 91 auf, die eine Datenrekonstruktion mittels wenigstens eines Successive Interference Cancellation-Verfahrens durchführt. Hierzu überträgt der AIS-Satellit 80 die von den Schiffen 10, 20 empfangenen AIS-Datenpakete und leitet sie weiter zum Gateway 90. Dort können sie von der Bereitstellungseinrichtung 91 ausgewertet werden.
Die 2 zeigt eine beispielhafte Anordnung von sechs Schiffen 10, 20, 30, 40, 50, 60 in einem Footprint 100 eines AIS-Satelliten. Die Schiffe 10, 20, 30, 40 bilden eine Gruppe von Schiffen, die aufgrund der ausreichend geringen Distanz eine SOTDMA-Zugriffssteuerung untereinander in dem Teilgebiet 101 durchführen können und somit eine AIS-Funkzelle bilden. In vergleichbarer Weise können die Schiffe 50, 60 in einem Teilgebiet 102 untereinander eine SOTDMA-Zugriffssteuerung durchführen und bilden eine weitere AIS-Funkzelle.
Die 3 zeigt eine weitere beispielhafte Anordnung von Schiffen. Im Footprint 100 eines AIS-Satelliten befinden sich drei durch SOTDMA jeweils hinsichtlich der Zugriffssteuerung abgestimmte Teilgebiete 101, 102, 103. Im Teilgebiet 101 befinden sich vier Schiffe 20, 40, 50, 60. Im Teilgebiet 102 befinden sich zwei Schiffe 10, 70. Im Teilgebiet 103 befindet sich das Schiff 30. Innerhalb eines Teilgebiets 101, 102, 103 kann jeweils keine Datenkollision auftreten. Zwischen den Teilgebieten 101, 102, 103 gibt es jedoch keine Abstimmung bezüglich der Zugriffe auf den Datenübertragungskanal.
Allgemein sei nachfolgend angenommen, dass das Schiff 10 ein Datenpaket 1 sendet, das Schiff 20 ein Datenpaket 2, das Schiff 30 ein Datenpaket 3, das Schiff 40 ein Datenpaket 4, das Schiff 50 ein Datenpaket 5, das Schiff 60 ein Datenpaket 6 und das Schiff 70 ein Datenpaket 7.
Die 4 zeigt auf einem Zeitstrahl drei Rahmen (frames) f1, f2, f3 einer AIS-Datenübertragung unter Verwendung von SOTDMA zur Zugriffssteuerung. Der dritte Rahmen f3 ist nur teilweise dargestellt. Erkennbar ist, dass jeder Rahmen f1, f2, f3 im hier dargestellten, vereinfachten Beispiel zehn Zeitschlitze (slots) s1, s2, s3, s4, s5, s6, s7, s8, s9, s10 hat, in dem jeweils eines der Schiffe ein Datenpaket übertragen kann. Es sei angenommen, dass ein erstes Schiff ein Datenpaket 1, ein zweites Schiff ein Datenpaket 2 ein drittes Schiff ein Datenpaket 3 sendet. Ferner wird angenommen, dass zum Zeitpunkt t₀ das dritte Schiff in die Datenübertragung eintritt, d.h. sich über SOTDMA bezüglich des Zugriffs auf den Übertragungskanal mit den anderen Schiffen abstimmt. Das dritte Schiff beginnt mit dem Übertragen dreier Datenpakete pro Rahmen nach einer Initialisierungsphase und verwendet dabei Zeitschlitze, die nicht von anderen Schiffen belegt sind. In diesem Fall sorgt die Zugriffssteuerung dafür, dass es nicht zu Überlagerungen von Datenpaketen in demselben Zeitschlitz kommt.
Nun sei von der in 5 dargestellten Situation ausgegangen, die bei der Topologie der 2 auftreten kann. Die 2 zeigt vier Rahmen f1, f2, f3, f4, wieder mit jeweils zehn Zeitschlitzen s1, s2, s3, s4, s5, s6, s7, s8, s9, s10. Wie schon erwähnt, befinden sich sechs Schiffe 10, 20, 30, 40, 50, 60 im Footprint 100 eines AIS-Satelliten, die den AIS-Übertragungskanal nutzen. Es sei ferner davon ausgegangen, dass jedes Schiff in einem Rahmen ein Datenpaket überträgt. Während innerhalb eines Teilgebiets 101, 102 jeweils die Zugriffssteuerung mittels SOTDMA erfolgt, findet keine Zugriffssteuerung zwischen Schiffen verschiedener Teilgebiete 101, 102 statt. Dementsprechend kann es vorkommen, dass Schiffe in demselben Zeitschlitz ihre Datenpakete übertragen, so dass bei dem AIS-Satelliten, der ein größeres Gebiet erfasst, überlappende Datenpakete und damit verfälschte und fehlerhafte Datenpakete ankommen.
Betrachtet man den Rahmen f1, erkennt man, dass die Datenpakete 1, 4, 5, 6 erfolgreich dekodiert werden können. Bei den Datenpaketen 2, 3 tritt eine Verfälschung auf. In diesem Fall geht das Schiff 10 davon aus, einen Zeitschlitztimeout für das Senden von Datenpaketen von vier zu haben, was bedeutet, dass für die folgenden vier Rahmen der ausgewählte Sendezeitschlitz beibehalten wird. Gemäß der Erfindung kann das SIC-Verfahren beginnen, die Position des neu hinzugekommenen Schiffs zu schätzen und Bewegungsparameter für die folgenden Rahmen zu schätzen, ferner kann das SIC-Verfahren die hierzu korrespondierenden Datenpakete eliminieren. Nach erfolgreichem Eliminieren der Datenpakete des Schiffs 10 wird erkennbar, dass die Datenpakete des Schiffs 20 korrekt dekodiert werden können, weil die Datenkollision aufgelöst werden kann. Im Ergebnis können mittels des SIC-Verfahrens die Datenpakete aller Schiffe erfolgreich dekodiert werden.
Allgemein gesagt, wenn ein Datenpaket von einem Schiff j in einem Rahmen k – 1 empfangen und korrekt dekodiert wird, kann das Gateway die notwendigen Informationen auswerten, um das Datenpaket zu erzeugen, das in einem nachfolgenden Rahmen in demselben Zeitschlitz von diesem Schiff j gesendet wird. Ferner sei angenommen, dass die Kanalabschätzung für den Rahmen k – 1 auch für den folgenden Rahmen k Gültigkeit hat. Wenn dann eine überlappende Übertragung von AIS-Datenpaketen in dem Zeitschlitz des aktuellen Datenpakets im Rahmen k auftritt, kann das Datenpaket des zugehörigen Schiffs j abgeschätzt und von dem Zeitschlitz entfernt werden, was das Empfangen anderer Datenpakete von anderen Schiffen möglich macht. Die Erfindung erlaubt insbesondere folgende Weiterbildungen:
1. Wiederherstellung früherer verfälschter Datenpakete
Nach Empfang eines Datenpakets im Rahmen k – 1 im Zeitschlitz i kann das Datenpaket, das im Rahmen k gesendet wird, und zusätzlich auch die Pakete desselben Schiffs in den vergangenen Rahmen k – 2, k – 3 usw. rekonstruiert werden. Hierbei kann eine Abschätzung der früheren Position, der Geschwindigkeit, der Fahrtrichtung usw. dieses Schiffs anhand der korrekt empfangenen Datenpakete durchgeführt werden und auf diese Weise ein AIS-Datenpaket in der Vergangenheit bestimmt werden.
2. Satelliten-SIC-Verfahren
Das SIC-Verfahren kann im Gateway oder auch in einem AIS-Satelliten ausgeführt werden.
3. Terrestrische Empfänger-SIC-Verfahren
Das SIC-Verfahren kann nicht nur auf der Satellitenempfangsseite eines AIS-Systems realisiert werden, sondern auch auf der terrestrischen Empfangsseite, z.B. in Schiffen oder in landgebundenen AIS-Empfangseinrichtungen.
Zur Durchführung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Bereitstellungseinrichtung die fehlerfrei empfangenen AIS-Datenpakete der Vergangenheit zusammen mit ihrer Zeitschlitznummer und Rahmennummer speichert. Dies erlaubt eine eindeutigere Differenzierung der gespeicherten Altdaten.
Ein möglicher Ablauf der Erfindung, z.B. in der Bereitstellungseinrichtung, kann wie folgt sein:
Schritt 1:
Für den derzeitigen Zeitschlitz s wird versucht, ein empfangenes AIS-Datenpaket zu dekodieren. Wenn im momentanen Zeitschlitz kein Datenpaket vorhanden ist, wird mit Schritt 5 fortgefahren. Wenn ein AIS-Datenpaket erfolgreich dekodiert werden konnte, werden das Datenpaket bzw. dessen Daten, die
Zeitschlitznummer und die Rahmennummer in einem Speicher gespeichert. Dann wird mit Schritt 5 fortgefahren. Sofern in dem aktuellen Zeitschlitz eine überlappende Übertragung von AIS-Datenpaketen aufgetreten ist, was an verfälschten und damit fehlerhaften Daten erkannt werden kann, dann wird mit Schritt 2 fortgefahren.
Schritt 2:
Auswählen aller gespeicherten AIS-Datenpakete, deren Timeout eine Übertragung im Zeitschlitz s indiziert. Wenn solche Datenpakete gefunden werden, wird mit Schritt 3 fortgefahren, andernfalls mit Schritt 5.
Schritt 3:
Für jedes der im Schritt 2 ausgewählten AIS-Datenpakete werden neue Paketfelder erzeugt, AIS-kodiert, so dass die Frequenzmuster erzeugt werden, die aufgetreten wären, wenn das auf diese Weise erstellte AIS-Datenpaket übertragen worden wäre. Danach wird das auf diese Weise erzeugte Frequenzmuster von dem Frequenzmuster des tatsächlich empfangenen, verfälschten AIS-Datenpakets subtrahiert. Es wird für jedes der ausgewählten AIS-Datenpakete eine Subtraktion durchgeführt. Danach wird mit Schritt 4 fortgefahren.
Schritt 4:
Dekodieren des Ergebnisses der Subtraktion aus Schritt 3. Wenn dies für wenigstens eine der Subtraktionen fehlerfrei möglich ist, werden die nun vorhandenen Daten gespeichert und für weitere Anwendungen bereitgestellt. Die Speicherung erfolgt wiederum zusammen mit der Zeitschlitznummer und der Rahmennummer. Anschließend wird mit Schritt 5 fortgefahren.
Schritt 5:
Inkrementieren der Zeitschlitznummer s (s = s + 1). Löschen der gespeicherten Datenpakete, die nicht mehr gültig sind oder durch neuere fehlerfrei empfangene AIS-Datenpakete von demselben Schiff ersetzt werden können. Anschließend wird mit Schritt 1 fortgefahren.
Die Erfindung beruht somit auf der Anwendung von SIC-Verfahren auf AIS-Datenkommunikationen bzw. die AIS-Datenpakete, die zu demselben Schiff in unterschiedlichen Rahmen gehören. Hierbei wird der Informationsinhalt korrekt dekodierter AIS-Datenpakete ausgenutzt. Vorteilhaft wird die Information, die in jedem AIS-Datenpaket enthalten ist, genutzt, wie z.B. Schiffspositionen, Schiffsgeschwindigkeit, Schiffsfahrtrichtung. Dies ermöglicht es, die Schiffspositionen nach Ablauf eines Rahmens zu bestimmen und die Schiffsgeschwindigkeit und Schiffsfahrtrichtung abzuschätzen. Auf diese Weise kann eine Schätzung eines voraussichtlichen AIS-Datenpakets erzeugt werden und für die Subtraktion in einem Zeitschlitz verwendet werden, wenn eine Datenkollision auftritt. Dementsprechend können Datenkollisionen aufgelöst werden und weitere AIS-Datenpakete korrekt aufgenommen werden.
Die 6 zeigt für die Topologie der 3 beispielhaft Empfangsmuster in dem Satelliten mit dem Footprint 100. Dargestellt sind wiederum vier Rahmen f1, f2, f3, f4, in dem AIS-Datenpakete 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 übertragen werden. Das Schiff 10 sendet sein Datenpaket im Zeitschlitz s3 in allen vier Rahmen f1, f2, f3, f4, das Schiff 20 im Zeitschlitz s5 des Rahmens f1 und im Zeitschlitz s3 in den Rahmen f2, f3, f4, das Schiff 30 im Zeitschlitz s5 in den Rahmen f1, f2, f3 und im Zeitschlitz s3 im Rahmen f5, das Schiff 40 im Zeitschlitz s9 in den Rahmen f1, f2 und im Zeitschlitz s7 im Rahmen f3, das Schiff 50 sendet immer im Zeitschlitz s6, das Schiff 60 im Zeitschlitz s7 in den Rahmen f1, f2 und im Zeitschlitz s5 in den Rahmen f3, f4, das Schiff 7 im Zeitschlitz s7 im Rahmen f1 und im Zeitschlitz s7 in den Rahmen f2, f3.
In diesem Fall kann die Erfindung beispielhaft derart angewandt werden, dass zunächst eine Verarbeitung des Zeitschlitzes s1 erfolgt, in dem keine Übertragung durchgeführt wird, so dass der Algorithmus mit dem nächsten Zeitschlitz fortfährt, der belegt ist, in diesem Fall Zeitschlitz s3. Zeitschlitz s3 wird das AIS-Datenpaket 1 empfangen, so dass dessen Daten korrekt dekodiert werden kann. Dementsprechend sind für das Schiff 10 dessen Position, Geschwindigkeit und Fahrtrichtung bekannt. Ferner ist in dem Datenpaket das Timeout-Feld mit dem Wert 4 belegt, was bedeutet, dass für die folgenden vier Rahmen jeweils der Zeitschlitz s3 von dem Schiff 10 belegt ist. Wenn nun eine Kollision im Zeitschlitz s3 in einem der vier folgenden Rahmen auftritt, können die Daten eines in diesem Zeitschlitz übertragenen AIS-Datenpakets des Schiffs 10 abgeschätzt werden und zur Rekonstruktion der Daten das SIC-Verfahren in diesem Zeitschlitz durchgeführt werden. Wenn auf diese Weise das AIS-Datenpaket des Schiffs 10 erfolgreich aus dem Zeitschlitz eliminiert werden kann, können andere Datenpakete in diesem Zeitschlitz korrekt empfangen werden bzw. rekonstruiert werden.
Der Algorithmus wird dann im Zeitschlitz s5 fortgesetzt, in dem eine Kollision auftritt und dementsprechend Daten verfälscht werden. Dementsprechend wird die Dekodierung fehlschlagen. Der Algorithmus wird dann im Zeitschlitz s6 fortfahren, in dem ein AIS-Datenpaket des Schiffs 50 aufgenommen werden kann und festgestellt werden kann, dass das Timeout-Feld dieses Schiffs mit dem Wert 3 belegt ist, d.h. der Zeitschlitz s6 wird für die folgenden drei Rahmen durch das Schiff 50 genutzt.
Der Algorithmus wird dann mit dem Zeitschlitz s7 fortfahren, in dem ein AIS-Datenpaket des Schiffs 60 aufgenommen wird und das Timeout-Feld dieses Schiffs mit dem Wert 1 belegt ist, was bedeutet, dass der Zeitschlitz s7 für einen folgenden Rahmen durch das Schiff 60 genutzt wird. Der Algorithmus wird dann mit dem Zeitschlitz s8 fortfahren, in dem ein AIS-Datenpaket des Schiffs 70 aufgenommen wird und dort das Timeout-Feld dieses Schiffs mit dem Wert 0 belegt ist, so dass keine Information vorliegt, welcher Zeitschlitz von dem Schiff 70 zukünftig genutzt werden wird. Der Algorithmus wird dann mit dem Zeitschlitz s9 fortfahren, in dem ein AIS-Datenpaket des Schiffs 40 aufgenommen wird. Dort ist das Timeout-Feld mit dem Wert 1 belegt, d.h. der Zeitschlitz s9 wird für einen weiteren Rahmen durch das Schiff 40 genutzt.
Nach diesem ersten Rahmen f1 liegen fehlerfrei empfangene AIS-Datenpakete der Schiffe 10, 40, 50, 60 und 70 vor, die zusammen mit der Zeitschlitznummer und der Rahmennummer gespeichert werden. Diese gespeicherten, fehlerfrei empfangenen AIS-Datenpakete können als Informationsquelle für AIS-Datenpakete verwendet werden, die von den Schiffen 10, 40, 50 und 60 empfangen werden. Für das Schiff 70 liegt keine Information für die Zukunft vor, weil das Timeout-Feld mit dem Wert 0 belegt ist. Im Rahmen f2 im Zeitschlitz s3 wird der Algorithmus dann eine Kollision entdecken. Unter Verwendung der gespeicherten Daten vom Schiff 10, d.h. von dessen früher fehlerfrei empfangenen gespeicherten AIS-Datenpaket und der geschätzten Schiffsposition, Geschwindigkeit und Fahrtrichtung kann mittels des SIC-Verfahrens der verfälschende Einfluss des AIS-Datenpakets des Schiffs 10 eliminiert werden. Dementsprechend kann dann das AIS-Datenpaket des Schiffs 20 korrekt dekodiert werden. Daraufhin werden die auf diese Weise korrekt dekodierten Daten gespeichert für eine Verwendung in späteren Zeitschlitzen.
Im Zeitschlitz s5 des Rahmens f2 tritt keine Kollision auf. Daher kann das AIS-Datenpaket des Schiffs 30 korrekt dekodiert werden. In gleicher Weise erfolgt dies für die Zeitschlitze s6 und s9 des Rahmens f2. Die AIS-Datenpakete der Schiffe 50 und 40 können fehlerfrei empfangen und entsprechend dekodiert werden und für eine spätere Verwendung gespeichert werden. Im Zeitschlitz s7 tritt dagegen eine Kollision auf. Dank der Informationen über das AIS-Datenpaket des Schiffs 60 kann mittels des SIC-Verfahrens der verfälschende Einfluss des AIS-Datenpaketes des Schiffes 60 eliminiert werden. Dementsprechend können die Daten des AIS-Datenpaketes des Schiffs 70 korrekt empfangen und dekodiert werden. In gleicher Weise wird mit den Rahmen f3 und f4 verfahren.
Zu beachten ist, dass ohne die vorliegende Erfindung im Rahmen f2 des hier dargestellten Beispiels nur die AIS-Datenpakete von drei der sieben Schiffe korrekt empfangen werden könnten. Mit der Erfindung können die Daten aller sieben Schiffe korrekt empfangen werden. Wenn zusätzlich eine Rückwärts-Rekonstruktion durchgeführt wird, kann dank des Inhalts des Zeitschlitzes s5 im Rahmen f2 die Kollision im Rahmen f1 aufgelöst werden, so dass 100 % der Daten aller Schiffe auch im Rahmen f1 fehlerfrei zur Verfügung stehen.
Die 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Algorithmus zur Realisierung der vorliegenden Erfindung. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird von dem Fall ausgegangen, dass bei einer Kollision nur zwei AIS-Datenpakete beteiligt sind. Gemäß den vorherigen Beschreibungen kann das Verfahren auch auf eine Mehrfachkollision mit mehr als zwei AIS-Datenpaketen erweitert werden.
Zu Beginn wird in einem Schritt 200 ein Empfang von AIS-Datenpaketen durchgeführt. In einem nachfolgenden Schritt 201 wird geprüft, ob in dem jeweiligen Zeitschlitz ein AIS-Datenpaket vorhanden ist. Wenn dies der Fall ist, wird mit einem Schritt 202 fortgefahren. Dort wird versucht, dass AIS-Datenpaket zu dekodieren. In einem nachfolgenden Schritt 203 wird geprüft, ob die Dekodierung erfolgreich verlaufen ist. Wenn dies der Fall ist, wird mit einem Block 204 fortgefahren, in dem das AIS-Datenpaket, die Rahmennummer und die Zeitschlitznummer gespeichert werden. Danach wird mit einem Block 205 fortgefahren, in dem geprüft wird, ob eine Variable Num_Iterations gleich dem Wert Max_Iterations ist. Wenn dies nicht der Fall ist, wird zu einem Block 206 verzweigt, in dem die Variable Num_Iterations um den Wert 1 inkrementiert wird. Sodann wird mit dem Block 202 nach Art einer Programmschleife wieder fortgefahren.
Wird in dem Block 201 festgestellt, dass kein AIS-Datenpaket im Zeitschlitz übertragen wurde, wird zu einem Block 216 verzweigt, in dem zum nächsten Zeitschlitz vorangegangen wird. Ebenso wird vom Block 205 zum Block 216 verzweigt, wenn die Variable Num_Interations den Wert Max_Iterations erreicht hat.
Wenn im Block 203 festgestellt wird, dass die Dekodierung nicht erfolgreich war, wird mit einem Block 207 fortgefahren. Dort werden alle gespeicherten Pakete im Zeitschlitz s ausgewählt, deren Anzahl gleich PK_Max sei. In einem darauf folgendem Block 208 wird geprüft, ob die Variable PK_Max > 0 ist. Wenn dies nicht der Fall ist, wird wiederum zum Block 216 verzweigt. Andernfalls wird mit dem Block 209 fortgefahren. Dort wird eine Variable PK auf den Wert 1 gesetzt. In einem nachfolgenden Block 210 werden die Daten eines AIS-Datenpakets anhand gespeicherter, ausgewählter AIS-Datenpakete abgeschätzt und hieraus ein neues AIS-Datenpaket durch AIS-Kodierung erzeugt. Durch Subtraktion erzeugten neuen AIS-Datenpakets von den verfälschten, empfangenen Daten werden die Verfälschungen eliminiert. In einem nachfolgenden Schritt 211 wird ein neuer Versuch der Dekodierung des Ergebnisses der Subtraktion durchgeführt. Im Schritt 212 wird geprüft, ob die Dekodierung erfolgreich war. Ist die Dekodierung erfolgreich, wird im Schritt 215 das AIS-Datenpaket, die Rahmennummer und die Zeitschlitznummer, die rekonstruiert wurden, gespeichert. So dann wird zum Schritt 216 vorangegangen.
Ist die Dekodierung im Schritt 212 nicht erfolgreich, wird zu einem Block 213 verzweigt. Dort wird die Variable PK um den Wert 1 inkrementiert. In einem nachfolgenden Block 214 wird geprüft, ob die Variable PK kleiner ist als PK_Max + 1. Wenn dies nicht der Fall ist, wird die Programmschleife abgebrochen und zu dem Block 216 verzweigt.
Andernfalls wird vom Block 214 wiederum zum Block 210 verzweigt. Dort wird ein neuer Versuch der Rekonstruktion von Daten anhand eines fehlerfrei empfangenen, gespeicherten AIS-Datenpakets eines weiteren früheren Zeitschlitzes wiederholt.
Die erreichbare Verbesserung mit der vorliegenden Erfindung kann anhand der 8 und 9 graphisch dargestellt werden. Hierbei wurde angenommen, dass von einer bestimmten Anzahl Schiffen AIS-Datenpakete gesendet werden, wobei ferner angenommen wird, dass ein AIS-Datenpaket pro Rahmen übertragen wird. Jeder Rahmen weist 100 Zeitschlitze auf. Jeder Zeitschlitz wird durch einen bestimmten Nutzer in der Regel für 7 nacheinander folgende Rahmen verwendet. Die 8 zeigt dabei die Datenpaketverlustrate (PLR-packet loss rate) für unterschiedliche Kommunikationsbelastungen, die in der Abszisse dargestellt sind. Die 9 zeigt den Durchsatz des Systems. In der 8 zeigt der obere Kurvenverlauf die Datenpaketverlustrate ohne die Erfindung und der untere Kurvenverlauf die Datenpaketverlustrate mit der Erfindung. In der 9 zeigt der untere Kurvenverlauf den Durchsatz ohne die Erfindung und der obere Kurvenverlauf den Durchsatz mit der Erfindung. Wie man erkennen kann, kann insbesondere im Bereich niedriger Kommunikationsbelastungen mit der Erfindung die Datenpaketverlustrate um den Faktor 10 verbessert werden. Dementsprechend kann z.B. die Angabe über die Position eines Schiffs mit einer um den Faktor 10 zeitlich verbesserten Auflösung wiedergegeben werden. Im Fall des Durchsatzes kann mit der Erfindung eine Verbesserung von 80 % insbesondere bei hohen Kommunikationsbelastungen erreicht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012110384 A1 [0009]
WO 2008/148188 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Bereitstellung von Daten von empfangenen AIS-Datenpaketen (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7), wobei mittels wenigstens einer AIS-Empfangseinrichtung (80) AIS-Datenpakete empfangen und die Daten der empfangenen AIS-Datenpakete automatisch ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest fehlerfrei empfangene AIS-Datenpakete für eine Verwendung in späteren Zeitschlitzen des AIS-Protokolls gespeichert werden, wobei solche Daten eines AIS-Datenpakets eines aktuellen Zeitschlitzes, die durch die überlappende Übertragung von AIS-Datenpaketen in demselben Zeitschlitz verfälscht und damit fehlerhaft sind, wenigstens zum Teil durch wenigstens ein Successive Interference Cancellation-Verfahren automatisch unter Verwendung wenigstens eines fehlerfrei empfangenen, gespeicherten AIS-Datenpakets eines früheren oder späteren Zeitschlitzes rekonstruiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rekonstruktion von Daten von einem fehlerhaften AIS-Datenpaket (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) des aktuellen Zeitschlitzes ein dazu korrespondierendes fehlerfrei empfangenes, gespeichertes AIS-Datenpaket eines früheren oder späteren Zeitschlitzes abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Subtraktion mit einem korrespondierenden fehlerfrei empfangenen, gespeicherten AIS-Datenpaket (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) eines weiteren früheren oder späteren Zeitschlitzes wiederholt wird, wenn das ermittelte Ergebnis der Subtraktion noch nicht fehlerfrei war.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Subtrahend bestimmt wird durch AIS-Kodierung eines bereits dekodierten, fehlerfrei empfangenen, gespeicherten AIS-Datenpakets (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) eines früheren oder späteren Zeitschlitzes.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abschätzung eines voraussichtlichen AIS-Datenpakets des aktuellen Zeitschlitzes anhand des Inhalts eines dazu korrespondierenden fehlerfrei empfangenen, gespeicherten AIS-Datenpakets erfolgt, insbesondere durch Abschätzung von Schiffsposition, Schiffsgeschwindigkeit und/oder Schiffsfahrtrichtung, und das auf diese Weise abgeschätzte AIS-Datenpaket zur Rekonstruktion von Daten von einem fehlerhaften AIS-Datenpaket (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) des aktuellen Zeitschlitzes verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekonstruktion von Daten paketweise erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gespeichertes fehlerfrei empfangenes AIS-Datenpaket (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) gelöscht wird, wenn es nicht mehr gültig ist und/oder ein neueres fehlerfrei empfangenes AIS-Datenpaket von demselben AIS-Sender (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70) gespeichert wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Rekonstruktion eines oder mehrere solcher gespeicherten fehlerfrei empfangenen AIS-Datenpakete (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) verwendet wird, deren Timeout eine Übertragung im aktuellen Zeitschlitz indiziert.
Einrichtung mit einer AIS-Empfangseinrichtung (80) und mit einer Bereitstellungseinrichtung (91) zur Bereitstellung von Daten von über die AIS-Empfangseinrichtung (80) empfangenen AIS-Datenpaketen (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7), dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellungseinrichtung (91) eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellungseinrichtung (91) als Gateway (90) ausgebildet ist oder Teil eines Gateways (90) ist.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird.