民航空管VOIP技術(shù)組網(wǎng)

劉海洋 趙旭

摘要

本文根據(jù)空管話音傳輸要求，參考相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，總結(jié)分析了空管VOIP組網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)劃的可行思路，為空管話音組網(wǎng)實(shí)踐提供借鑒參考。未來在規(guī)劃中還需完成網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)測試，掌握網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)特性，以便開展系統(tǒng)保障工作。

【關(guān)鍵詞】民航空管 話音通信系統(tǒng) VoIP技術(shù) 組網(wǎng)

民航空管話音通信系統(tǒng)是民航空管信息系統(tǒng)的重要組成及基礎(chǔ)設(shè)施，為空中交通管制服務(wù)提供了可靠支撐。隨著民航飛行量的增長和空管業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，面對空域管理動(dòng)態(tài)變化改革、各管制部門之間靈活協(xié)調(diào)等要求，空管現(xiàn)有采用電路交換方式傳輸?shù)脑捯粝到y(tǒng)面對新形勢的發(fā)展需要存在一定的滯后及不足。

IP電話（VoIP）技術(shù)具有低成本、高靈活性、高效率等特點(diǎn)，符合業(yè)務(wù)IP化、承載IP化演進(jìn)發(fā)展趨勢，己成為電信運(yùn)營商的主流選擇。有鑒于此，國際民航組織及相關(guān)機(jī)構(gòu)均提出了空管VOIP應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。除需滿足VoIP傳輸?shù)耐ㄓ靡笸猓展躒oIP組網(wǎng)也要考慮空管VoIP的特殊功能需要。本文就如何實(shí)現(xiàn)空管VoIP技術(shù)大規(guī)模組網(wǎng)，提出了一種可行思路。

1 空管話音業(yè)務(wù)綜述

1.1 空管話音通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)

空管話音通信系統(tǒng)包括地一地、地一空通信兩大部分。從業(yè)務(wù)應(yīng)用看，民用地空航空通信系統(tǒng)包括空中交通服務(wù)、航務(wù)管理、航空行政管理、航空旅客等四類。本文主要闡述空中交通服務(wù)話音服務(wù)組網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)。從傳輸信息對象看，航空通信系統(tǒng)則分為兩類：數(shù)據(jù)通信和話音通信，話音通信又包括甚高頻、高頻、衛(wèi)星話音等，如圖1所示。

為有效集中整合各種通信資源，方便管制員準(zhǔn)確高效實(shí)施對空指揮、協(xié)調(diào)及信息通報(bào)工作，民航空管語音通信交換系統(tǒng)（VCSS，即內(nèi)話系統(tǒng)）應(yīng)運(yùn)而生，如圖2所示。內(nèi)話系統(tǒng)整合、配置、并靈活調(diào)度有線及無線通信資源，實(shí)現(xiàn)各種語音信息之間的準(zhǔn)確、可靠、高效信息交換，并為管制員提供了一個(gè)簡單易操作的人機(jī)界面。

目前，我國民航空管內(nèi)話系統(tǒng)均為分布式結(jié)構(gòu)，采用數(shù)字化、模塊化實(shí)現(xiàn)交換網(wǎng)絡(luò)的無阻塞設(shè)計(jì)。

1.2 空管話音業(yè)務(wù)傳輸面臨的挑戰(zhàn)

空管話音業(yè)務(wù)傳輸面臨的主要挑戰(zhàn)是如何改進(jìn)目前空管話音通信技術(shù)的落后不足，以適應(yīng)新航行系統(tǒng)下空管業(yè)務(wù)融合、靈活傳輸要求。

空管話音通信系統(tǒng)歷經(jīng)模擬傳輸、數(shù)字傳輸發(fā)展階段，目前以電路交換、時(shí)分復(fù)用TDM）技術(shù)傳輸為主。隨著民航業(yè)的高速發(fā)展和空域管理的變革，空域資源改革包括通航空域資源管理，管制區(qū)域動(dòng)態(tài)扇區(qū)管理，應(yīng)急通信管制以及各管制中心之間協(xié)調(diào)的需要，要求空管話音通信系統(tǒng)能適應(yīng)高速、高效、動(dòng)態(tài)靈活傳輸發(fā)展趨勢?？展墁F(xiàn)有話音通信系統(tǒng)在這一方面存在一定的滯后及不足。

隨著數(shù)據(jù)通信的出現(xiàn)普及，數(shù)據(jù)、話音融合到統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)框架成為未來發(fā)展目標(biāo)及技術(shù)解決方案。空管新航行系統(tǒng)（CNS/ATM）中通信建設(shè)目標(biāo)也將適應(yīng)這一發(fā)展趨勢。IP技術(shù)采用分組交換實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)調(diào)配，業(yè)務(wù)靈活接入，滿足未來空管話音高速通信系統(tǒng)高速、高效、靈活傳輸發(fā)展要求?？紤]到話音和數(shù)據(jù)的融合，QOS，安全和防護(hù)等技術(shù)的實(shí)踐與發(fā)展，IP技術(shù)己成為實(shí)現(xiàn)空管新一代通信傳輸?shù)氖聦?shí)選擇。

2 VoIP技術(shù)概要

VoIP即為IP電話（Voice over IntemetProtocol），指的是將模擬的語音信號經(jīng)過采樣、壓縮與封包之后，以數(shù)據(jù)封包的形式在IP網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境進(jìn)行語音信號的傳輸。本文中VoIP技術(shù)泛指實(shí)現(xiàn)VoIP電話的各類技術(shù)。

2.1 VoIP技術(shù)原理

在IP網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)語音傳輸要經(jīng)過語音-數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)至IP報(bào)文轉(zhuǎn)換，傳送，IP報(bào)文至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到語音五個(gè)過程，如圖3所示。傳輸過程中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括話音處理技術(shù)、信令技術(shù)、實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)、服務(wù)質(zhì)量（QOS）保證技術(shù)、以及網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等。

2.1.1 語音處理技術(shù)

語音處理技術(shù)主要目的是將采樣的語音信號處理成適合在IP網(wǎng)絡(luò)中高效傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)文，包括語音編碼壓縮、靜音檢測和回聲消除等。目前，主要的編碼技術(shù)有國際電聯(lián)ITU-T）定義的6.711、6.729、6.723等。靜音檢測技術(shù)可有效剔除靜默信號，從而使語音信號占用帶寬進(jìn)一步降低?；芈曄夹g(shù)利用數(shù)字濾波器技術(shù)來消除回聲干擾以保證通話質(zhì)量，這點(diǎn)在時(shí)延相對較大的IP分組網(wǎng)絡(luò)中尤為重要。

2.1.2 信令技術(shù)

信令技術(shù)是為保證電話呼叫順利實(shí)現(xiàn)和話音質(zhì)量的通信協(xié)定，目前被廣泛接受的VoIP控制信令體系包括ITU-T的H.323系列和IETF的會話初始化協(xié)議SIP。

2.1.3 實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)

語音業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性要求較高，主要采用實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（RTP）。RTP是提供端到端的包括音頻在內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，其包括數(shù)據(jù)和控制兩部分。

2.1.4 QoS保障技術(shù)

VOIP中可采用帶寬規(guī)劃、資源預(yù)留協(xié)議 （RSVP）以及進(jìn)行服務(wù)質(zhì)量監(jiān)控的實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議（RTCP）來避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，保障通話質(zhì)量。

2.1.5 網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

VoIP中網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)主要是TCP和UDP，此外還包括網(wǎng)關(guān)互聯(lián)技術(shù)、路由選擇技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)以及安全認(rèn)證和計(jì)費(fèi)技術(shù)等?？紤]到語音業(yè)務(wù)特性，其信令報(bào)文采用TCP傳輸以提高語音傳輸?shù)陌踩煽啃?，?shù)據(jù)報(bào)文采用UDP傳輸以提高傳輸效率。

此外為解決IP語音通信中存在的語音延時(shí)、丟失分組語音包、匯接交換導(dǎo)致的延時(shí)、抖動(dòng)等現(xiàn)象，后期發(fā)展了舒適背景噪音、語音活動(dòng)檢測（VAD）、語音緩沖區(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)整、語音丟包補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)提升語音傳輸質(zhì)量。

2.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 H.323技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

H.323是由ITU制定的通信控制協(xié)議，用于在分組交換網(wǎng)中提供多媒體業(yè)務(wù)。呼叫控制是其中的重要組成部分，它可用來建立點(diǎn)到點(diǎn)的媒體會話和多點(diǎn)間媒體會議。H.323定義了介于電路交換網(wǎng)和分組交換網(wǎng)之間的H.323網(wǎng)關(guān)（Gateway）、用于地址翻譯和訪問控制的網(wǎng)守（GateKeeper）、提供多點(diǎn)控制的多點(diǎn)會議控制器（MC）、提供多點(diǎn)會議媒體流混合的多點(diǎn)處理器（MP），以及多點(diǎn)會議控制單元（MCU）等實(shí)體。

2.2.2 SIP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

會話初始協(xié)議（SIP）是由國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）所制定，其特性幾乎與H.323相反，只提供會話或呼叫的建立與控制功能。SIP協(xié)議可支持多媒體會議、遠(yuǎn)程教學(xué)及Internet電話等領(lǐng)域的應(yīng)用。

SIP是一種基于文本的協(xié)議，相較H.323來說，其靈活性與擴(kuò)展性的表現(xiàn)較好，具備了快速建立呼叫快與支持電話號碼之傳送等特點(diǎn)。此外，SIP同時(shí)支持單點(diǎn)播送（Unicast）及組播功能。在網(wǎng)絡(luò)層次模型上，SIP屬于應(yīng)用層協(xié)議，可透過UDP或TCP協(xié)議進(jìn)行傳輸。

3 空管volp技術(shù)組網(wǎng)

空管話音系統(tǒng)采用volp技術(shù)組網(wǎng)需考慮空管話音業(yè)務(wù)傳輸及空管volp組網(wǎng)技術(shù)兩方面要求。其中，空管話音業(yè)務(wù)傳輸除了要滿足普通IP話音通信要求外，還要滿足空管話音通信的特殊功能要求。

3.1 空管話音業(yè)務(wù)傳輸要求

3.1.1 IP話音通信要求

IP話音通信質(zhì)量與時(shí)延、抖動(dòng)、丟包等密切相關(guān)。參照ITU-T Y.1541對IP語音服務(wù)質(zhì)量的要求，分別從端到端丟包率、時(shí)延、抖動(dòng)以及MOs評分等方面進(jìn)行評價(jià)，如表1所不。

3.1.2 空管話音通信系統(tǒng)要求

空管內(nèi)話系統(tǒng)是提供管制服務(wù)的核心，是實(shí)現(xiàn)地空和地地語音通信的通信終端設(shè)備。除具有傳統(tǒng)話音通信功能外，其應(yīng)實(shí)現(xiàn)呼叫無呼損，無線電臺特殊信息處理，無線信道語音信號比選，無線頻率耦合功能，電話會議，席位控制移交，電話轉(zhuǎn)接以及系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)等功能。

3.1.3 空管話音volp組網(wǎng)技術(shù)要求

為實(shí)現(xiàn)空管volp技術(shù)組網(wǎng)，需解決三個(gè)主要問題：定義空管volp網(wǎng)絡(luò)中組件架構(gòu)模型，選擇改進(jìn)實(shí)現(xiàn)空管volp的協(xié)議技術(shù)，研討空管volp網(wǎng)絡(luò)中地地、地空話音技術(shù)規(guī)格。目前，歐洲民航電子設(shè)備組織（EUROCAE）中WG67小組已完成空管volp系統(tǒng)ED系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作，圖4中是空管VOIP網(wǎng)絡(luò)中組件架構(gòu)。ED標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)范了地地、地空話音技術(shù)規(guī)格要求，采用SIP協(xié)議作為組網(wǎng)的信令協(xié)議，并改進(jìn)RTP協(xié)議來支持空管VoIP系統(tǒng)的功能應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了空管話音面向連接傳輸保障。

3.2 空管VOIP組網(wǎng)設(shè)計(jì)

空管VOIP組網(wǎng)設(shè)計(jì)主要包括如下幾個(gè)方面的內(nèi)容：整體架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)容量、可用性、QoS，安全、管理保障等內(nèi)容規(guī)劃設(shè)計(jì)。

根據(jù)空管話音系統(tǒng)傳輸要求，參考ED系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，借鑒運(yùn)營商IP話音組網(wǎng)實(shí)踐，空管VOIP組網(wǎng)作為一個(gè)體系架構(gòu)整體來考慮。網(wǎng)絡(luò)整體采用IP技術(shù)體制，通過SIP協(xié)議及改進(jìn)的RTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)IP分組網(wǎng)絡(luò)上的空管話音傳輸。設(shè)計(jì)核心即網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是通過采用面向連接的技術(shù)實(shí)現(xiàn)空管話音高質(zhì)量傳輸?？紤]到空管話音業(yè)務(wù)過渡期的兼容性，過渡期也可采用面向連接技術(shù)、設(shè)備模擬話音專業(yè)處理并結(jié)合業(yè)務(wù)監(jiān)視技術(shù)實(shí)現(xiàn)空管話音保障。

有別于其他VOIP系統(tǒng)，空管VoIP網(wǎng)絡(luò)要完成的重要設(shè)計(jì)包括網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃。網(wǎng)絡(luò)的容量應(yīng)當(dāng)能滿足網(wǎng)絡(luò)話音和信令傳輸需要，即網(wǎng)絡(luò)中繼帶寬應(yīng)高于最大信道話音帶寬與最大信道信令帶寬之和。傳統(tǒng)電信電路交換網(wǎng)絡(luò)中，每路話音固定為64kbpso在IP分組網(wǎng)絡(luò)中，話音帶寬與采樣周期、編碼方式有關(guān)。以20ms采樣周期、G.711編碼方式為例，1條E1中繼（帶寬為2M）可傳輸21路話音，考慮到話音信令信號控制，工程中1條E1中繼設(shè)計(jì)傳輸20路話音，容量規(guī)劃中可以此設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)。

為達(dá)成空管語音業(yè)務(wù)高可用性，網(wǎng)絡(luò)需實(shí)現(xiàn)高可用性設(shè)計(jì)。目前IP網(wǎng)絡(luò)高可用性設(shè)計(jì)包括網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、設(shè)備、鏈路、協(xié)議等內(nèi)容規(guī)劃設(shè)計(jì)，此外在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理上也提供可用性支撐。考慮到鏈路租用成本等問題，網(wǎng)絡(luò)可以采用扁平的層次化架構(gòu)，通過冗余鏈路規(guī)劃實(shí)現(xiàn)雙路由保障，并開啟路由動(dòng)態(tài)快速收斂機(jī)制。

考慮到空管VOW網(wǎng)絡(luò)未來除承載空管話音業(yè)務(wù)，空管數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占比較大。為實(shí)現(xiàn)空管話音實(shí)時(shí)傳輸，在IP網(wǎng)絡(luò)中采用QOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量差異化保障。

4 總結(jié)

本文根據(jù)空管話音傳輸要求，參考相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，總結(jié)分析了空管VoIP組網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)劃的可行思路，為空管話音組網(wǎng)實(shí)踐提供借鑒參考。未來在規(guī)劃中還需完成網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)測試，掌握網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)特性，以便開展系統(tǒng)保障工作。

參考文獻(xiàn)

[1]Cisco IP電話疑難解析.

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