基于SIP協(xié)議航管內(nèi)部通信系統(tǒng)的設(shè)計*

鄭 秋 俞 劍

(中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007)

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基于SIP協(xié)議航管內(nèi)部通信系統(tǒng)的設(shè)計*

鄭 秋 俞 劍

(中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007)

論文介紹了航管內(nèi)部通信系統(tǒng)的特點,會話初始協(xié)議SIP(Session Initialization Protocol)協(xié)議的功能特性,給出了基于SIP協(xié)議航管中心內(nèi)部通信系統(tǒng)的設(shè)備組成,陳述了整個內(nèi)部通信系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和主機的軟件架構(gòu),內(nèi)部通信系統(tǒng)工程實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù),最后對航管內(nèi)部通信進行了小結(jié)。

SIP協(xié)議; 無線中繼網(wǎng)關(guān); 媒體網(wǎng)關(guān); 內(nèi)部通信

Class Number TP302.1

1 引言

目前,以市場主流產(chǎn)品FREQUENTIES公司為代表的航管內(nèi)部通信系統(tǒng),基于電路交換機制實現(xiàn)操作席位與甚高頻電臺、公共電話網(wǎng)之間的交互,系統(tǒng)已投運多年,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,較好地滿足了管制人員的語音通信需求,但是該系統(tǒng)的不足也較為明顯:

1) 部署的靈活性:傳統(tǒng)系統(tǒng)采用基于電路的硬交換體制,在部署和增加新的設(shè)備時,需要進行繁瑣的規(guī)劃和布線工作,部署方式復(fù)雜、不靈活,難以適應(yīng)航管內(nèi)部通信系統(tǒng)設(shè)備擴容、升級的便捷性需要。

2) 運行的可靠性:雖然傳統(tǒng)系統(tǒng)采用雙冗余方式確保整個系統(tǒng)連續(xù)工作的可靠性,但是在電路交換機制中,網(wǎng)絡(luò)單個節(jié)點或鏈路的故障會使整個系統(tǒng)的可靠性下降,對故障鏈路的瞬時恢復(fù)尚無有效的方法。

3) 系統(tǒng)的互通性:出于提高空中交通管制有效性的需要,不同區(qū)域的內(nèi)話系統(tǒng)之間,以及內(nèi)話系統(tǒng)與其它航管相關(guān)系統(tǒng)(如雷達情報、氣象信息等)之間的互聯(lián)互通成為可能,傳統(tǒng)的電路交換機制下,異構(gòu)系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通難度較大,難以便捷地滿足上述需要。

4) 技術(shù)發(fā)展趨勢的順應(yīng)性:隨著信息通信技術(shù)的發(fā)展,以基于IP協(xié)議的分組交換機制取代電路交換機制已成為不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢,電路交換技術(shù)相關(guān)核心設(shè)備、模塊的生產(chǎn)將逐漸減少,對傳統(tǒng)內(nèi)話系統(tǒng)的維護與升級工作是不可回避的問題。

分組交換技術(shù)順應(yīng)信息通信技術(shù)的發(fā)展趨勢,基于IP協(xié)議的承載和傳輸方式使各系統(tǒng)、設(shè)備之間基于統(tǒng)一接口進行交互成為可能,基于分組交換技術(shù)構(gòu)建VCS(Voice Control System)系統(tǒng)可有效提高系統(tǒng)部署的靈活性,并滿足系統(tǒng)互通的便捷性需求,同時,在網(wǎng)絡(luò)鏈路發(fā)生故障時,分組交換中數(shù)據(jù)傳輸路徑的可選特性為故障瞬時恢復(fù)提供了可能,大大提高了系統(tǒng)的整體可靠性,因此基于VoIP技術(shù)實現(xiàn)航管內(nèi)部通信成為業(yè)界諸多公司共同的選擇,FREQUENTIES和TOPEX公司基于IP的內(nèi)部通信系統(tǒng)已成功研制,開發(fā)國內(nèi)基于SIP協(xié)議的航管內(nèi)部通信系統(tǒng)既是市場需要,也是技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物。

2 SIP協(xié)議的主要特點

SIP協(xié)議是由因特網(wǎng)任務(wù)工程組(IETF)提出的,其設(shè)計思想?yún)⒄樟薎nternet標準和協(xié)議,風(fēng)格簡練、開放,并兼容其他協(xié)議。SIP協(xié)議是一種工作在IP分層模型應(yīng)用層上的信令協(xié)議,用來解決IP網(wǎng)絡(luò)的信令控制,建立、修改和終止多方參與的視頻進程,IP電話或多媒體分發(fā)等。SIP協(xié)議基于文本編碼,采用UTF-8字符集,主要功能特點如下:

1) 描述和功能分離:SIP協(xié)議作為會話建立的一部分,將會話建立和描述分開,為用戶提供連接、定位服務(wù)。描述和功能分離使得SIP協(xié)議存在本質(zhì)上的互操作性和靈活性,既可以與SDP(Session Description Protocol)共同建立會話,也可以與其他會話描述協(xié)議結(jié)合來建立會話。

2) 端到端協(xié)議:IETF認為端到端協(xié)議能更好地提供端到端服務(wù),SIP協(xié)議作為一種高級協(xié)議,既可將智能定位于端系統(tǒng),也可定位于用戶代理。

3) 互操作性:SIP協(xié)議作為一個全局協(xié)議,其協(xié)商機制保證了網(wǎng)絡(luò)中SIP用戶具備互操作性。

4) 創(chuàng)建服務(wù)平臺:SIP協(xié)議利用INTERNET組件提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和多媒體服務(wù),將智能定位于端系統(tǒng),不依賴網(wǎng)絡(luò)存儲狀態(tài)信息,適合創(chuàng)建服務(wù)平臺。

SIP按照功能可以劃分為實體、事務(wù)和消息格式三部分,其中SIP實體包括用戶代理(User Agent)、注冊服務(wù)器(Register Server)、代理服務(wù)器(Proxy Server)和重定向服務(wù)器(Redirect Server)。SIP事務(wù)主要包括SIP應(yīng)答、SIP請求。而SIP協(xié)議的消息格式,該協(xié)議是一個基于文本的協(xié)議,具有極高的靈活性和良好的可擴展性,且便于閱讀調(diào)試。SIP僅包含六種請求方法,六類回應(yīng)碼以及37種消息部首,不同請求有不同之處,在每種SIP請求中都包含有一個方法(Method)字段,用來表示請求的目的。六種請求對應(yīng)的方法字段分別是:邀請(INVITE)、確認(ACK)、可選項(OPTIONS)、再見(BYE)、取消(CANCEL)和注冊(REGISTER)。通過與其它協(xié)議(通常是會話描述協(xié)議(SDP))結(jié)合使用,SIP可以提供豐富的應(yīng)用業(yè)務(wù)[1]。從編碼方式上看,SIP協(xié)議采用文本格式,簡單直接,便于調(diào)試,開發(fā)人員可以直接修改文本消息,跟蹤和分析消息的傳遞。SIP的消息格式由請求行、標題頭、空行和信息體組成,其中消息體是可選項,某些請求可以不需要消息體。SIP應(yīng)答消息格式包括狀態(tài)行、幾個標題頭、空行和消息體,與請求消息類似,消息體是可選的,狀態(tài)行與請求行類似,也有三個元素:協(xié)議版本號、狀態(tài)碼和原因短語,狀態(tài)碼是從100～699分為六組不同類的整數(shù),采用原因短語主要為了方便閱讀[2]。響應(yīng)消息格式的狀態(tài)碼如表1所示。

表1 響應(yīng)消息格式狀態(tài)碼的分類

3 基于SIP協(xié)議航管內(nèi)部通信的系統(tǒng)組成

基于SIP協(xié)議的寬帶IP網(wǎng)絡(luò)航管內(nèi)部通信系統(tǒng),其系統(tǒng)組成如圖1所示。基于SIP協(xié)議的航管內(nèi)部通信系統(tǒng)由VCS主機、監(jiān)控管理終端、媒體中繼網(wǎng)關(guān)、無線中繼網(wǎng)關(guān)、普通電話、管制員操作席位、語音記錄儀等設(shè)備組成,各終端設(shè)備通過IP網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備交互。

圖1 航管內(nèi)部通信系統(tǒng)的組成

基于SIP的航管內(nèi)部通信系統(tǒng)通過分組承載網(wǎng)相互連接組成完整的通信系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備通過IP接口接入分組承載網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)通過無線中繼網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)對傳統(tǒng)無線電臺的IP化控制,通過媒體中繼網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)內(nèi)部普通電話的接入,通過ATS(Air Traffic System)中繼網(wǎng)關(guān)、媒體中繼網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)與ATS系統(tǒng)終端、PSTN、ISDN等外部網(wǎng)絡(luò)終端的接入,同時,系統(tǒng)支持通過外部IP網(wǎng)絡(luò)與遠程站點互聯(lián)互通。

因為航管內(nèi)部通信系統(tǒng)對系統(tǒng)的可靠性要求特別高,對系統(tǒng)的要求是熱備份(主一備一),確保系統(tǒng)其中一套出現(xiàn)問題時,備份系統(tǒng)能夠進行熱切換,保證系統(tǒng)連續(xù)可靠運行。分組承載網(wǎng)絡(luò)由兩個并行運行的分組傳輸網(wǎng)組成,兩個網(wǎng)絡(luò)獨立運行,傳輸相同的數(shù)據(jù)。VCS主機內(nèi)有兩個并行運行的處理單元,兩個單元獨立運行,管制席位、IP接口的無線電臺、各類中繼網(wǎng)關(guān)等設(shè)備和VCS主機內(nèi)的各處理單元同時接入上述兩個網(wǎng)絡(luò),接收和輸出相同的數(shù)據(jù),由各設(shè)備的外圍處理組件和VCS主機內(nèi)部處理單元決定數(shù)據(jù)的最終取用。網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備與內(nèi)話系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的連接關(guān)系示意如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備與內(nèi)部通信系統(tǒng)終端設(shè)備連接關(guān)系圖

系統(tǒng)中根據(jù)通信指揮調(diào)度的需要,可以配置不同類型的多媒體通信終端,在終端能實現(xiàn)傳統(tǒng)調(diào)度系統(tǒng)中通用的功能,譬如內(nèi)線一鍵通、外線一鍵通、優(yōu)先強拆和強插、會議等功能。對于要求高的用戶可以配置專用的可視智能觸摸屏調(diào)度終端,一般的用戶可以配置具有網(wǎng)絡(luò)接口的IP電話機。連接在IP寬帶網(wǎng)絡(luò)的計算機終端可以安裝調(diào)度臺軟件,從而實現(xiàn)調(diào)度臺的功能。VCS主機服務(wù)器的主要功能是為調(diào)度員提供視頻流,數(shù)字記錄系統(tǒng)是對多媒體通信調(diào)度系統(tǒng)的話音流和視頻流進行記錄,必要時可對數(shù)據(jù)流進行記錄。

4 內(nèi)部通信系統(tǒng)架構(gòu)及主機架構(gòu)

4.1 內(nèi)部通信系統(tǒng)架構(gòu)

基于SIP協(xié)議的內(nèi)部通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示,系統(tǒng)包括接入層、傳輸層、控制層和應(yīng)用層四個層次[3],各層功能如下所述:

· 接入層:負責(zé)各類終端、電臺、管制席位等設(shè)備和PSTN、ATS等外部系統(tǒng)終端的接入,其中,非IP類的終端通過無線中繼網(wǎng)關(guān)、媒體網(wǎng)關(guān)、ATS中繼網(wǎng)關(guān)等設(shè)備接入傳輸層網(wǎng)絡(luò);具備IP接入功能的終端直接通過IP協(xié)議接入傳輸層網(wǎng)絡(luò)。

· 傳輸層:負責(zé)會話控制、語音等數(shù)據(jù)的傳輸。基于分組傳輸網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建環(huán)網(wǎng),提供高可靠、實時性強的數(shù)據(jù)傳輸通道。

· 控制層:負責(zé)整個系統(tǒng)的呼叫與控制,提供接入控制、連接控制、協(xié)議處理等功能,基于SIP協(xié)議實現(xiàn)系統(tǒng)相關(guān)各終端之間的呼叫處理、控制,同時通過RTP協(xié)議實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的傳輸[4]。

· 應(yīng)用層:提供電話調(diào)度、電話薄、電話會議等與語音通信相關(guān)的應(yīng)用功能。其中,系統(tǒng)采用雙冗余的架構(gòu)方式,以提高整個系統(tǒng)的連續(xù)運行可靠性。在傳輸層,系統(tǒng)基于兩個并行運行的分組傳輸環(huán)網(wǎng)構(gòu)建一個雙平面的承載網(wǎng)絡(luò)平臺,兩個網(wǎng)絡(luò)相互獨立,并行運行,傳輸相同的數(shù)據(jù);接入層各終端同時接入兩個網(wǎng)絡(luò),向網(wǎng)絡(luò)輸出相同的數(shù)據(jù),并同時接收兩個網(wǎng)絡(luò)傳輸來的數(shù)據(jù),由終端的外圍處理組件決定最終數(shù)據(jù)的取用;在控制層和應(yīng)用層,系統(tǒng)通過兩個并行運行的處理單元處理相同的呼叫請求與交換控制,并向兩個網(wǎng)絡(luò)輸出相同的數(shù)據(jù)。

圖3 基于SIP協(xié)議內(nèi)部通信系統(tǒng)架構(gòu)

4.2 系統(tǒng)主機的軟件架構(gòu)

在整個內(nèi)部通信系統(tǒng)中,VCS處在核心的地位,一般VCS由兩臺高可靠性的企業(yè)服務(wù)器組成,各席位終端和中繼網(wǎng)關(guān)與通過IP網(wǎng)絡(luò)與其連接,其軟件架構(gòu)[5]如圖4所示。

包括程序主線程模塊,網(wǎng)絡(luò)通信處理模塊,RTP/RTCP(實時數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和實時流協(xié)議)協(xié)議棧模塊,由SIP協(xié)議棧、媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議棧、SIP注冊服務(wù)器、SIP代理服務(wù)器模塊和媒體網(wǎng)關(guān)控制組成的軟交換控制模塊,由電話會議服務(wù)器、呼叫控制和電臺呼叫控制組成的應(yīng)用服務(wù)模塊,以及由監(jiān)測管理配置、日志和數(shù)據(jù)庫訪問等子模塊組成的基礎(chǔ)支撐模塊。

圖4 VCS的軟件總體架構(gòu)

各核心模塊的功能如下所述:

1) 程序主線程模塊:軟件的中心處理單元,負責(zé)管理、控制和協(xié)調(diào)系統(tǒng)其它模塊的運行,響應(yīng)各模塊的輸入信息,根據(jù)輸入信息調(diào)用相關(guān)模塊進行處理;

2) 網(wǎng)絡(luò)通信處理模塊:在網(wǎng)絡(luò)上接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)時,同時接收多個網(wǎng)絡(luò)接口收到的數(shù)據(jù),依據(jù)既定配置選擇符合條件的IP包進行處理,直接丟棄不符合條件的IP包,將接收的IP包解包恢復(fù)后上傳給程序主線程模塊;發(fā)送數(shù)據(jù)時,該模塊對主線程模塊下傳的數(shù)據(jù)進行IP封包后,在多個網(wǎng)絡(luò)接口上同時發(fā)送。

3) 軟交換控制單元:根據(jù)電話會議、呼叫控制和電臺呼叫控制等應(yīng)用服務(wù)模塊輸出的呼叫控制信息控制系統(tǒng)中的IP終端、中繼網(wǎng)關(guān)等軟交換終端。其中,SIP協(xié)議棧、SIP注冊服務(wù)器、代理服務(wù)器模塊控制支持SIP協(xié)議的IP終端,媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議棧和媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議負責(zé)控制非IP終端[6]。

4) RTP/RTCP協(xié)議棧模塊:支持電話會議應(yīng)用,負責(zé)提供音頻數(shù)據(jù)的實時傳輸與控制功能。

5) 應(yīng)用服務(wù)模塊:提供基于軟交換的應(yīng)用服務(wù),本系統(tǒng)中包括電話會議、呼叫控制和甚高頻電臺呼叫控制三類應(yīng)用服務(wù)。響應(yīng)呼叫發(fā)起端的呼叫請求,向目的端發(fā)送連接請求,并轉(zhuǎn)發(fā)請求響應(yīng),實現(xiàn)系統(tǒng)的呼叫控制流程。

6) 基礎(chǔ)支撐模塊:負責(zé)維護系統(tǒng)運行的保障功能,包括監(jiān)測、管理和配置、日志記錄和數(shù)據(jù)庫訪問三大模塊,實時監(jiān)測并上傳系統(tǒng)主機運行狀態(tài),同步記錄系統(tǒng)主機的操作和運行日志[7]。

4.3 系統(tǒng)主要完成的功能

1) 地面指揮調(diào)度功能

(1)調(diào)度員一鍵到位,能夠智能迂回呼叫;

(2)通信錄存儲、檢束和呼叫用戶的狀態(tài)顯示;

(3)調(diào)度員與使用專用調(diào)度臺和裝有調(diào)度軟件的計算機終端的用戶雙向可視對話;

(4)調(diào)度員可以強拆和強插調(diào)度用戶的通話,進行可視電話會議;

(5)調(diào)度員可直接在調(diào)度臺上進行通信調(diào)度系統(tǒng)的音視頻查詢;

(6)遠程設(shè)置調(diào)度臺的數(shù)據(jù)。

2) 地空指揮調(diào)度功能

(1)無線信道選擇。支持在管制席位上選擇和修改VHF電臺的工作頻率、并支持將相應(yīng)電臺設(shè)置為關(guān)閉、靜噪、監(jiān)聽和收發(fā)四個狀態(tài);

(2)無線接收、發(fā)送。席位操作人員通過操作TX和RX鍵實現(xiàn)無線信道的占用,并通過無線信道發(fā)送和接收空中的聲音;

(3)無線信道監(jiān)聽。管制人員通過管制席位監(jiān)聽多個無線信道的聲音;

(4)靜噪功能。電臺接收到音頻輸入時,在對應(yīng)席位上顯示提示信號;

(5)PTT(Push to Talk)優(yōu)先級。操作席位支持多個PTT開關(guān),支持各開關(guān)優(yōu)先級的設(shè)置,且支持高優(yōu)先級PTT開關(guān)對低級別開關(guān)的屏蔽。

5 工程實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

5.1 終端的SIP協(xié)議支持

SIP協(xié)議是一個應(yīng)用層的信令控制協(xié)議,用于創(chuàng)建、修改以及釋放一個或多個參與者的會話,這些會話可以好似如INTERNET多媒體會議、IP電話或多媒體分發(fā)。會話的參與者可通過組播(Multicast)、網(wǎng)狀單播(Unicast)或者兩者的混合體進行通信。在通信終端上需要在功能上提供SIP協(xié)議支持的所有要求,并提供相應(yīng)的擴展功能要求,使終端能適應(yīng)各種會話控制和媒體通信情形[8]。

5.2 音視頻通信QOS保障

視頻通信在SIP會話過程中,通過對話協(xié)商控制視頻流的傳輸和視頻的編解碼格式,其中的媒體格式協(xié)商用到一個SDP協(xié)議來控制。會話描述協(xié)議(SDP)是一個用來描述多媒體會話的應(yīng)用層協(xié)議,是基于文本的。在描述會話時,主叫方和被叫方表示他們各自的接收能力、媒體格式、接收地址、端口。在QOS方面,SDP描述了會話的媒體類型、帶寬信息、編碼參數(shù)等,但是一些屬性仍然沒有描述,如CPU處理能力、內(nèi)存大小等,視頻通信需要終端提供各種視頻編解碼的支持,傳輸要實時進行,還有一些功能性能要求如音頻的失真和延時等,只有對這些功能要求滿足,音視頻通信的質(zhì)量才能得以保障。

5.3 多種音視頻的編解碼的支持

通信終端把模擬音頻信號按照G.711或G.729編碼后,按照SIP協(xié)議打包發(fā)到IP網(wǎng)絡(luò),能夠顯示本地圖像和遠端圖像,支持CIF、4CIF解像度,支持H.263、H.264,還有支持MPEG等格式。SIP終端需要根據(jù)不同的通信終端的編碼格式,自適應(yīng)調(diào)整成相應(yīng)的音視頻編碼格式[9]。

6 結(jié)語

基于SIP協(xié)議的航管多媒體指揮調(diào)度內(nèi)部通信系統(tǒng),是一個能夠同時提供音頻、視頻和數(shù)據(jù)的多媒體通信系統(tǒng),音頻包括地地話音和地空話音,整個通信系統(tǒng)構(gòu)建在寬帶IP網(wǎng)絡(luò)之上,并且符合國內(nèi)YD/T通信行業(yè)通用標準和民航業(yè)內(nèi)有關(guān)標準,能夠提供目前傳統(tǒng)調(diào)度系統(tǒng)所提供的一切功能,并且是可視的,能完全滿足現(xiàn)代調(diào)度系統(tǒng)對多媒體業(yè)務(wù)的需求,且能與傳統(tǒng)調(diào)度系統(tǒng)和甚高頻電臺互聯(lián),實現(xiàn)遠程的視頻采集、處理、傳輸和監(jiān)控[10]。整個調(diào)度系統(tǒng)是分布式的,部署不受地理位置的限制。系統(tǒng)能支持Web瀏覽器的遠程設(shè)備維護和管理。軟交換的概念和技術(shù)是伴隨寬帶IP技術(shù)的發(fā)展一起成長和成熟的,支持多業(yè)務(wù)融合的下一代網(wǎng)絡(luò),基于SIP協(xié)議高可靠性的航管內(nèi)部通信系統(tǒng)具有廣闊的市場前景,在其他行業(yè)也可以推廣使用。

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Design of ATS’s Dispatching Communication System Based on SIP Protocol

ZHENG Qiu YU Jian

(The 28thResearch Institute of China Electronics Group Corporation, Nanjing 210007)

The characteristics of ATS’s dispatching communication system based on SIP and the function of SIP protocol are introdced in this paper. The scheme of dispatching communication system and VCS soft architecture is presented. The key realization technology of dispatching communication is conducted. Finally, application of dispatching communication system is summarized.

SIP protocol, wireless relay gateway, media gateway, dispatch communication

2014年12月5日,

2015年1月13日

鄭秋,男,碩士,高級工程師,研究方向:指揮所通信專用設(shè)備及通信總體技術(shù)。俞劍,男,高級工程師,研究方向:信息系統(tǒng)總體技術(shù)和信號處理技術(shù)。

TP302.1

10.3969/j.issn1672-9730.2015.06.018