VOIP技术在民航语音通信系统的应用

朱恩营 王哲

摘要：民航语音通信系统发展经历了三个阶段：模拟语音通信、PCM语音通信和VOIP语音通信。早期的民航语音通信通常使用模拟甚高频电台与飞机进行通信，没有形成通信系统。近年来，随着网络技术的迅猛发展，新的IP技术在多种不同的空管系统得以应用，如雷达数据信息、电台和电话的语音通信等。本文重点对VOIP技术在民航语音通信系统的应用及进行分析。

关键词：语音通信;VOIP技术;空管服务

2006年，EUROCAE成立67号工作组，其中包括EUROCAE（欧洲民航装备组织）、FAA（美国联邦航空管理局）、ICAO（国际民航组织）、设备制造商、自身的管制员和专家。2009年起相继提出了ED136/137/138/139文件。其中，ED136定义了VOIP ATM系统的操作和技术要求，ED137-1定义了VOIP电台标准，ED137-2定义了VOIP电话标准，ED137-3定义了VOIP录音标准，ED-138定义了网络要求标准，ED139定义了空管组成设备和系统的资质测试，这些标准为IP技术在民航语音通信应用提出指导性建议。

一、VOIP技术基本原理

VOIP技术是建立在IP 技术上的分组化、数字化传输技术，其基本原理是：通过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按IP等相关协议进行打包，经过IP 网络把数据包传输到接收目的地，再把这些语音数据包串起来，经过解码解压处理后，恢复成原来的语音信号，从而达到由IP 网络传送语音的目的。同时也将收到的IP数据包转换成声音的模拟电信号。

1.语音—数据转换

语音信号是模拟波形，通过IP方式来传输语音，不管是实时应用业务还是非实时应用业务，首先要对语音信号进行模拟数据转换，也就是对模拟语音信号进行8位或6位的量化，然后送入到缓冲存储区中，缓冲器的大小可以根据延迟和编码的要求选择。许多低比特率的编码器是采取以帧为单位进行编码。典型帧长为 10～30ms。考虑传输过程中的代价，语音包通常由 60、120或240ms的语音数据组成。数字化可以使用各种语音编码方案来实现，目前采用的语音编码标准主要有 ITU-T G.711。源和目的地的语音编码器必须实现相同的算法，这样目的地的语音设备才可以还原模拟语音信号。

2.原数据到IP 转换

模拟语音信号进行数字编码，就是对语音包以特定的帧长进行压缩编码。大部份的编码器都有特定的帧长，若一个编码器使用 15ms 的帧，则把每次60ms的语音包分成4帧，并按顺序进行编码。每个帧合120个语音样点（抽样率为8kHz）。编码后，将4个压缩的帧合成一个压缩的语音包送入网络处理器。网络处理器为语音添加包头、时标和其他信息后通过网络传送到另一端点。语音网络简单地建立通信端点之间的物理连接（一条线路），并在端点之间传输编码的信号。IP 网络不像电路交换网络，它不形成连接，它要求把数据放在可变长的数据报或分组中，然后给每个数据报附带寻址和控制信息，并通过网络发送，一站一站地转发到目的地。

3.传送

在这个通道中，全部网络被看成一个从输入端接收语音包，然后在一定时间t内将其传送到网络输出端。t可以在某个范围内变化，反映了网络传输中的抖动。网络中的每个节点检查每个IP 数据附带的寻址信息，并使用这个信息把该数据报转发到目的地路径上的下一站。网络链路可以是支持 IP 数据流的任何拓扑结构或访问方法。

4.IP 包—数据的转换

目的地VOIP 设备接收这个 IP 数据并开始处理。网络级提供一个可变长度的缓冲器，用来调节网络产生的抖动。该缓冲器可容纳许多语音包，可以选择缓冲器的大小。小的缓冲器产生延迟较小，但不能调节大的抖动。其次，解码器将经编码的语音包解压缩后产生新的语音包，这个模块也可以按帧进行操作，完全和解码器的长度相同。若帧长度为 15ms，60ms 的语音包被分成4 帧，然后它们被解码后还原成60ms的语音数据流送入解码缓冲器。在数据报的处理过程中，去掉寻址和控制信息，保留原始的数据，然后把这个数据提供给解码器。

二、民航VOIP语音通信系统架构

民航VOIP语音通信系统网络架构是指用传输媒介互连各种设备的物理布局，用最优的方式将VOIP语音通信系统涉及的各种设备组件连接起来。当前，常用的网络拓扑结构主要有星型结构、环型结构、总线结构、分布式结构、树型结构、网状结构、蜂窝状结构等。民航VOIP語音通信系统遵循维也纳协议采用星形拓扑。星型结构是最古老的一种连接方式，大家每天都使用的电话系统属于这种结构。星型结构是指各工作站以星型方式连接成网。网络有中央节点，其他节点都与中央节点直接相连，这种结构以中央节点为中心，因此又称集中式网络。这种结构便于集中控制，带来了易于维护和安全等优点。某一终端用户设备因为故障而停机时也不会影响其它终端用户间的通信;系统中增加若干终端时，不影响其他终端的正常通信功能。同时，星形拓扑结构的网络延迟时间较小，传输误差较低。但这种结构中心系统一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪，因此要采用双机热备份，提高系统可靠性。

三、民航VOIP语音通信系统设备组成

民航VOIP语音通信系统通过IP交换网络提供设备接入接口和联网接口。设备接入接口作为语音通信和信令控制接口，接入VOIP语音通信系统工作时所需的席位、IP电话、IP电台以及各种媒体网关等，其中媒体网关包括电话网关、电台网关以及标准要求而不能直接使用IP方式接入各种设备所需的网关;联网接口是VOIP语音通信系统与其他语音通信系统进行信令和数据信息交换的接口。

1.民航VOIP语音通信系统业务设备连接（见图1）。

2.民航VOIP语音通信系统业务设备

（1）核心交换机。核心交换机在网络中最重要的应用就是提供网络接口，所有VOIP语音通信系统业务设备的互联都必须借助核心交换机才能实现。在系统中主要用于连接远端交换机、路由器、防火墙、电话服务器、电台服务器等设备。作为星形结构的中心节点，核心交换机必须保证高可靠性。因此VOIP语音通信系统核心交换机从硬件和软件两个方面实施联网策略。首先，在硬件上用稳定性较高的电信级交换机，并且用双机冗余方式设计;其次，核心交换机用堆叠方式进行冗余连接，以提高系统的可靠性;第三，开启各种冗余协议，保证系统可靠运行。业务设备可通过核心交换机提供的网络接口接入VOIP语音通信系统。

（2）远端交换机。远端交换机位于距离核心交换机较远的区域，用于将异地部署的席位、电台、电话等各种VOIP语音通信系统业务组件连接到核心交换机。堆叠后的远端交换机，用TRUNK方式接入核心交换机。核心交换机与远端交换机以TRUNK方式进行连接时，可以使用光纤连接方式，目前单模光纤传输距离最远可达到50公里。当远端交换机与核心交换机之间的连接距离超过光纤允许的有效距离时，一般需要在线路上增加网络中继设备。理论上，采用中继设备后，远端交换机与核心交换机之间的距离不受限制。

（3）电话业务交换机。电话业务交换机为VOIP语音通信系统提供有线设备接入接口。通常情况下，IP电话、普通电话等业务设备组件通过电话业务交换机接入系统。其中，普通电话需接入符合VOIP协议格式的网关后，再接入电话业务交换机;IP电话则可直接接入电话业务交换机。系统需要接入的业务组件较少时，可直接使用核心交换机接口。

（4）电台业务交换机。电台业务交换机为VOIP语音通信系统提供无线设备接入接口。其中，模拟电台需接入符合VOIP协议格式的网关后，再接入电台业务交换机;IP电台则可直接接入电台业务交换机。系统需要接入的组件较少时，可直接使用核心交换机接口。

（5）电话服务器。电话服务器包括服务器硬件和电话服务软件两部分，电话服务器通过在服务器上部署的SIP电话的注册、代理、重定向等软件功能实现，主要负责建立VOIP语音通信网络中所有基于SIP协议的电话通信。该服务器不仅仅提供对基本呼叫、基本会话的支持，还需要提供ED-13X要求的业务，例如强插、优先级、电话会议等。电话服务器用双机热冗余形式进行工作，即当一台电话服务器出现故障时，系统能够快速的自动切换到另一台服务器上进行工作，从而保证系统不间断工作。

（6）电台服务器。电台服务器包括服务器硬件和电台服务软件两部分，因为电台服务不同于普通的电话业务服务，因此电台服务器软件需要符合ED-137协议标准。电台服务器通过在该服务器上部署SIP电台的注册、代理、重定向等软件功能实现。电台服务器需要保持常连接，因此电台服务器主要负责建立网络中所有的SIP电台通信以及席位与电台之间的常连接，此类通信过程不仅仅提供对基本呼叫、基本会话的支持，还提供空管业务对SIP、R2S等协议的各种扩展，例如BSS、CROSS-COUPLED等等。电台服务器也用双机热冗余形式进行工作，从而保证系统不间断工作。

（7）语音记录服务器。语音记录服务器包括服务器硬件和语音记录服务软件两部分。语音记录服务器软件需要符合ED-137协议标准。语音记录服务器能够记录语音通信系统功能组件的通信内容，包括信令数据、话音数据，并且能够对记录的数据进行导入、导出等操作以及回放重听。

（8）监控服务器。监控服务器提供系统监控和系统配置两部分功能。通过该服务器能够实现系统功能组件状态监控、网络设备监控、网络状态监控以及系统各个功能组件的IP地址、SIP地址、登陆密码等的配置和更改。

（9）NTP服务器。NTP服务器为VOIP语音通信系统内各功能组件统一授时，保证时间的一致性，可采用北斗卫星授时模块作为系统时钟源。

（10）席位。席位是提供用戶操作人机界面的设备。当系统规模较小时，席位可直接连接核心交换机，也可连接于电话业务交换机或电台业务交换机;当系统规模较大时，席位可连接于席位专用的接入交换机，并通过该专用交换机接入VOIP语音通信系统核心交换机。

四、结语

基于VOIP的语音通信系统是国际民航语音通信系统技术未来发展趋势。随着VOIP技术的发展，未来全国范围内的VOIP的语音通信系统将直接接入IP网络。最终，整个语音通信网络中将不再有传统语音通信设备的存在，整个网络完全按照VOIP的运行模式进行管理和运行。这不仅能使空管系统安全保障能力得到提高，也大大满足了管制员之间话音管制移交需求，促进全国各管制单位民航VOIP语音通信系统的完善与发展。

【作者简介】

朱恩营（1983.02-），男，满族，辽宁省沈阳市人，本科学历，民航东北地区空中交通管理局高级工程师，主要研究方向：通信导航监视。