特高頻數據交換系統(VDES)

特高頻數據交換系統(VDES)

尚作仁船長 編撰

 

「特高頻數據交換系統」(VHF Data Exchange System；VDES)是針對水上移動業務領域中的船舶自動識別系統(AIS)加強和升級版系統，於國際電信聯盟的2012年世界無線電通信(WRC-12)大會後提出，並2015年世界無線電通信大會(WRC-15)上，162個成員國及136個國際組織和團體共同審議確定的。

VDES在現有AIS功能的基礎上，增加了特殊套用報文(ASM)和寬頻特高頻數據交換(VDE)功能，可以有效緩解現有AIS數據通信的壓力，同時也將全面提升水上數據通信的能力和頻率使用效率，對推動水上無線電數字通信產業發展有重要意義。

 

VDES的組成架構：

VDES不僅僅是一個單一頻道，它整合了多個功能模組：

AIS (Automatic Identification System)：保留現有的AIS船位報告與識別功能，確保向下兼容。

ASM (Application Specific Messages)：專門用於傳輸特定應用信息(如氣象、潮汐、航行警告)，將這些負載從繁忙的AIS頻道中移出。

VDE (VHF Data Exchange)：這是VDES的核心增量，提供更寬的帶寬用於高速數據傳輸。

衛星鏈路(VDE-SAT)：支援船對衛星、衛星對船的雙向通信，解決了岸基VHF覆蓋範圍有限(約20-50海里)的問題，實現全球覆蓋。

 

AIS的技術限制：

船舶自動識別系統(AIS)誕生於上世紀90年代，在船舶大型化、高速化發展及船舶數量、水域交通密度、危險貨物裝載量不斷增加的趨勢下，它的出現滿足了船舶間以及船岸間與日俱增的信息通信需求。作為最先引入船舶的無線電通信數位技術，AIS拉開了水上通訊數位化的序幕。

船舶安裝了AIS後，能夠在特高頻(VHF)頻段自動向岸台和周圍船舶傳送本船的位置和航行狀態信息；也可接收其他船舶發送的信息，對周圍的船舶進行識別，避免碰撞；還可支援低速的數據傳輸業務，實現船舶之間以及船舶、岸台之間的信息通訊。可以說，AIS使船舶通訊及安全信息傳輸進入了數位通訊時代。

然而，隨著近年來水上數據通信需求的不斷提升，原本為實現船舶相互識別和避免碰撞為主要訴求的AIS，卻逐漸承擔起了船岸數據通訊的任務。AIS系統在VHF頻段通信需求的增加，導致AIS系統的可用頻段內已經非常擁擠，在許多繁忙港口已經達到對頻段50%以上的使用率，國際航標組織(IALA)提出當AIS數據鏈路負載超過50%時，將會導致信息阻塞等嚴重問題的發生，影響航行安全。

根據2012年12月18日美國墨西哥北部灣的24小時數據量顯示：AIS鏈路負載高達64%，導致69%的重要信息丟失。這些事實都表明非常有必要再提供額外的頻段供AIS系統使用。此外，對數據交換需求的提高也是需要升級AIS系統的重要因素。

正是在此背景下，VDES系統集合了原有AIS功能、特殊套用報文(ASM)和寬頻特高頻數據交換(VDE)三項功能，能在現有AIS功能的基礎上，全面強化船舶通信的數據傳輸能力。不僅如此，VDES系統還在設計之初就考慮了地面與衛星兩大系統，在系統設計和兼容性做了大量技術整合工作，不僅能滿足當前地面船對船、船對岸之間的數據交換，更大幅提升現有水上無線電信息通信能力，還能夠在技術和頻譜資源方面，為未來進一步實現衛星與船舶之間的遠程雙向數據交換預留空間。

 

VDES與傳統AIS的比較：

特性	AIS(傳統)	VDES(新一代)
傳輸速率	約9.6 kbps	最高可達300 kbps以上(取決於調變方式)
帶寬利用	僅2個TDMA頻道	整合了多個專屬頻段，數據容量提升數十倍
覆蓋範圍	僅限視距(岸基/船對船)	岸基 + 衛星(全球覆蓋)
主要功能	避碰、識別	電子海圖更新、遠程監測、物聯網數據、搜救協調

 

為何需要VDES：

緩解擁堵：解決全球繁忙海域(如馬六甲海峽、多佛海峽、中國東海水域等)AIS信號碰撞與丟包問題。〔註〕

支持自動化與減碳：為了實現無人船或遠程監控，船舶需要上傳大量的引擎參數、油耗數據及航行狀態。

增強安全性：VDES具有更強的抗干擾能力與數據加密潛力，減少信號遭惡意篡改的風險。

〔註〕在海事通訊中，信號碰撞(Signal Collision)與丟包(Packet Loss)是限制現行AIS系統效能的兩大技術瓶頸，也是推動VDES發展的主要原因。

對於專業航海者來說，這直接影響到在電子海圖(ECDIS)或雷達上看到AIS目標的更新頻率與可靠性，以下是詳細解析這兩種現象形成的原因：

 

AIS信號碰撞(Signal Collision)：

AIS使用一種稱為STDMA (Self-Organized Time Division Multiple Access)「自組織分時多工」的技術，它將每一分鐘劃分為2,250個時隙(Time Slots)，船隻會自動在這些時隙中尋找空位發送自己的資訊。

碰撞會發生在以下情況：

過度擁擠：當某一海域(例如高雄港外、馬六甲海峽或上海港)的船隻數量遠遠超過時隙容量時，兩艘或多艘船可能會「同時」選擇同一個時隙發送信號。

近大遠小：當兩組信號重疊，接收機(船台或岸基台)會收到互相干擾的雜訊。通常訊號較強(距離較近)的船隻會蓋過訊號較弱(距離較遠)的船舶，導致遠處船舶的資訊完全無法被解碼。

 

丟包(Packet Loss)：

「丟包」是指發送端確實發出了訊號，但接收端卻無法成功解碼或根本沒收到該數據封包。

在AIS的環境中，丟包通常由以下因素引起：

碰撞導致訊息的毀損：如上述，兩個信號碰撞後數據受損，校驗碼(CRC)不符，接收機直接捨棄該資訊。

電磁干擾(EMI)：港區內強大的無線電噪音、大氣條件(如電離層反射)或非法的高功率AIS發射器干擾。

視距限制與屏蔽：受限於VHF頻段，如果中間有高山、大型建物或兩船之間隔著巨型超大型油輪(VLCC)，訊號可能會大幅衰減導致無法解碼。

天線效率：船舶天線老化、電纜進水或「電壓駐波比」過高(Voltage Standing Wave Ratio；VSWR)，也會導致發射功率下降，增加丟包率。〔註〕

〔註〕指無線電波在傳輸線中遇到阻抗不匹配的地方(例如接頭鬆動或天線受損)，一部分電波無法進入天線輻射出去，會像浪潮撞到海堤一樣反射回發射機，稱為「駐波」。

 

AIS信號碰撞與丟包對航行安全的影響：

這會導致在ECDIS或雷達螢幕上看到的現象：

目標跳動或消失：某艘船的圖示在海圖上突然停止更新(因為連續幾個數據包都丟了)，然後幾分鐘後突然出現在另一個位置。

更新率下降：依照法規，高速船或轉向中的船應每2秒更新一次，但因碰撞與丟包，可能每30秒才收到一次動態資訊。這在避碰時會造成CPA/TCPA計算的誤差。

如果發現船舶在進入特定繁忙港口時，AIS目標頻繁出現"Lost Target"警報，這通常不是設備故障，而是該海域的AIS時隙已飽和。這正是為何各大通訊設備廠商都在推動VDES系統，因為單靠AIS舊有的2,250個時隙，已經無法承載現代航運的數據量。

 

VDES透過物理性的方法來解決這兩大痛點：

擴充頻道：VDES增加了多個專屬數據頻道(ASM 1/2, VDE 1/2)，將原本擠在AIS頻道的數據分散，讓AIS頻道恢復純粹的「避碰」功能。

更先進的調變(Modulation)：VDES使用更抗干擾的數位編碼技術，即便在雜訊較高的環境，也能保持較低的誤碼率。

衛星鏈路補償：即使陸基信號因地形或距離丟包，VDE-SAT (衛星VDES)也可以從空中抓取訊號，確保在大洋或偏遠海域資訊不中斷。

 

針對VDES頻譜分配與頻道細節，整理技術要點如下：

這套系統的核心在於將原本擁擠的AIS頻道(AIS 1 & 2)進行「減壓」，並將數據傳輸轉移到專屬的VDE頻道上。

1. VDES頻譜架構

VDES整合了多個頻段，主要分配在VHF海事頻段的24、25、84、85號頻道。

 

2. 頻道功能分工

根據國際電信聯盟(ITU-R M.2092)的規範，VDES劃分為以下幾個關鍵組成部分：

AIS (Automatic Identification System)：

頻道：AIS 1 (CH 87B), AIS 2 (CH 88B)。

用途：維持現有的避碰功能、船位報告(Class A/B)。這是VDES的基礎階層。

ASM (Application Specific Messages)：

頻道：ASM 1 (CH 2027), ASM 2 (CH 2028)。

用途：專門處理「非導航性」的應用訊息，例如氣象觀測資料、航道管制指令、碼頭資訊等。這解決了以往AIS訊息量太長導致頻寬堵塞的問題。

VDE-Terrestrial (陸基數據交換):

頻道：使用CH 24, 25, 84, 85的上下半部頻段。

用途：岸基站與船舶之間的高速雙向數據傳輸。它採用更先進的調變技術(如16-QAM)，頻寬比AIS大得多。

VDE-Satellite (衛星數據交換)：

頻道：包含下行(衛星到船)與上行(船到衛星)頻段。

用途：當船舶航行在大洋(遠離岸基站)時，透過衛星鏈路保持數據更新(例如接收遠程電子海圖更新)。

 

與現有設備的兼容性：

對於航海人員來說，VDES的導入具有以下務實的變革：

天線共用：VDES運作在與傳統VHF相同的頻段，因此現有的VHF天線通常可以共用，但需要更換VDES專用的收發機(Transceiver)。

自動切換：系統會根據船舶位置(在岸基覆蓋內或大洋中)自動切換陸基VDE或衛星VDE，過程對使用者透明。

抗干擾增強：VDES採用了更複雜的時隙分配技術，在高密度海域能大幅降低船位資訊更新延遲的情況。

關鍵差異比較表：

組成部分	主要功能	頻率範圍	傳輸對象
AIS	避碰、身分識別	161.975 - 162.025 MHz	船對船、船對岸
ASM	專用應用訊息(如氣象)	161.950 - 162.000 MHz	船對岸、船對船
VDE-T	高速數據傳輸(陸基)	157.200 - 161.925 MHz(多頻道)	船對岸
VDE-S	高速數據傳輸(衛星)	衛星專屬分配頻段	船對衛星(全球)

 

未來展望：

隨著IMO組織對於電子航行(e-Navigation)的強烈推動，VDES將成為未來數位化船舶的通訊骨幹，就像是海上的「寬頻網路」。

目前船舶對VDES的使用正處於從「試驗與早期部署」邁向「強制配備」的關鍵轉型期，截至2026年，最新的發展狀況可以歸納為以下四個面向：

1. 國際法規：2028年將成為強制標準

國際海事組織(IMO)已在2025年的MSC 110會議中達成共識，正式將VDES納入SOLAS第V章(航行安全)的強制配備清單。

生效日期：自2028年1月1日起，新造船舶或符合特定條件的現成船將須安裝VDES通訊設備以符合國際公約規範。

功能定位：VDES將被視為AIS的替代或升級方案。換句話說，未來船舶可以用VDES系統替代目前需配備AIS的義務。

 

2. 設備普及度：進入「Ready」階段

許多主流海事通訊廠商(如JRC、Furuno、Saab、Teledyne FLIR、Sternula等)已推出符合VDES預標準的硬體設備。

向下兼容性：目前市面上的VDES收發機皆能完全兼容現有的AIS訊號，因此早期採用的船東不會面臨通訊中斷的問題。

認證進度：國際電工委員會(IEC)針對VDES的測試標準(IEC 63514)，預計於2026年內完成投票，這將開啟設備的正式「型式認可」(Type Approval)流程。

 

3. 衛星VDES的實務應用(VDE-SAT)

這是目前進展最快的部分，特別是在高緯度航區(如北極海航路)：

全球覆蓋：隨著Ymir-1等VDES專用衛星的發射，船舶現在可以在遠離岸基台的大洋中心進行雙向數據交換。

應用實例：目前已開始試驗透過衛星傳輸S-124航行警告、電子海圖補丁修正及實時冰圖。這意味著在大洋航行時，不再僅依賴窄頻的INMARSAT-C或昂貴的寬頻衛星通訊來獲取基礎航行安全資訊。

 

實施階段與現狀總結：

階段	現狀(2026)	對船東/船員的影響
實驗階段 (2020-2024)	已完成許多地區性測試 (Testbeds)	主要是驗證技術可行性
早期部署 (2025-2026)	部分先導船隊開始安裝	測試航線優化、引擎遠程監控
過渡與認證 (2027)	設備取得正式型式認可	開始大規模更換舊型AIS設備
強制執行 (2028以後)	全面進入SOLAS公約強制要求	傳統AIS逐漸退居次要地位