華東地區(qū)空管語音交換VoIP應用網(wǎng)絡帶寬設計

陳堃

摘 要：文章針對VoIP在國內(nèi)外民航業(yè)應用的現(xiàn)狀及應用意義，提出華東地區(qū)空管語音交換VoIP應用的網(wǎng)絡帶寬需求的計算方法。計算方法集中于傳統(tǒng)的話務量與語音帶寬的公式計算：結合傳統(tǒng)話務量的計算明確了空管語音交換業(yè)務相關指標的計算方法，結合編碼協(xié)議的分析和華東地區(qū)空管業(yè)務實際網(wǎng)絡的應用情況提出了相關業(yè)務網(wǎng)絡帶寬的計算公式，為今后的空管業(yè)務網(wǎng)絡的更新建設打下堅實的基礎。

關鍵詞：VoIP；話務量；SIP；RTP

1 引言

VoIP（Voice over Internet Protocol）即模擬信號（Voice）數(shù)字化，以數(shù)據(jù)封包的形式在IP網(wǎng)絡上做實時傳遞。經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)如今已成為通信行業(yè)的主導技術，即使對于空管語音交換這個專業(yè)性很強的領域也早已不是什么新鮮事物。EUROCAE（European Organization for Civil Aviation Equipment）的67工作組早在2009年就開始陸續(xù)地頒布行業(yè)內(nèi)的VoIP相關標準（包含在ED-136至ED-139相關文檔中），目前已更新至第三版，并在2010年獲得了美國聯(lián)邦航空局（FAA）和國際民航組織（ICAO）的認可，將相關文件均列入其標準性文件。VoIP技術對于中國空管來說除了可將模擬傳輸轉(zhuǎn)成數(shù)字傳輸，達到節(jié)省帶寬省錢的目的，還有一個重要的原因就是IP網(wǎng)的開放性和擴展性致使其可以承載任何形式的業(yè)務，從而應對日益增長的業(yè)務需求。

2 VoIP應用網(wǎng)絡帶寬需求的計算

帶寬即在固定的時間可傳輸?shù)腷it數(shù)量，它決定了網(wǎng)絡承載信息的能力。對于實際網(wǎng)絡帶寬的需求計算須明確以下概念：

①話務量

話務量單位是愛爾蘭（Erl），以小時計算，1愛爾蘭表示一條線路一個小時內(nèi)被占用了1小時。它表現(xiàn)的是呼叫并發(fā)的程度，在忙時呼叫很少的時候與實際的呼叫并發(fā)數(shù)有很大的出入，但在忙時呼叫很多的時候與并發(fā)數(shù)就會非常接近，兩者之間通過呼損公式有著明確的數(shù)學關系。就空管語音交換來說，話源數(shù)有限且分布線束容量大于話源數(shù)，適用貝努里分布計算兩者的數(shù)學關系，貝努里分布公式：

（1）

N：話源數(shù)，x：分布線束同時占用的線路數(shù)，A：平均流入話務量（Erl）。

②BHCA

BHCA（Busy Hour Call Attempt），即忙時試呼次數(shù)，其實際是指在話務最忙的一小時中完成的呼叫次數(shù)。注意，這里所指的呼叫次數(shù)包括了成功呼叫（即呼叫接續(xù)成功，雙方進行通話）和不成功呼叫的次數(shù)。

③CAPS

CAPS（Call Attempt Per Second），即每秒試呼次數(shù)，其意義就是每秒的BHCA。

三者的關系通過以下三個公式體現(xiàn)：

總話務量=用戶數(shù)×單用戶話務量 （2）

網(wǎng)絡系統(tǒng)的BHCA=單用戶忙時話務量×3600/系統(tǒng)平均呼叫時長 （3）

CAPS=BHCA/3600 （4）

其中單用戶忙時話務量與平均呼叫時長須根據(jù)呼叫模型取值，數(shù)據(jù)由統(tǒng)計得出，就空管語音交換來說，用戶就是所謂的席位和話機。終端數(shù)量有限，話務量統(tǒng)計簡單，單用戶話務量計算公式：

C×T×K/3600 （5）

C：用戶每天平均呼叫的次數(shù)；T：用戶每次呼叫平均占用時間（秒/次）；

K：集中系數(shù)，忙時話務量對全日話務量的比。

對于網(wǎng)絡帶寬的計算，通過公式（3）、（4）得到CAPS的值，進而代入以下兩個公式獲得：

信令帶寬=（CAPS×平均每呼叫的消息包數(shù)）×（平均每消息包的比特數(shù)+每個消息包的網(wǎng)絡開銷比特數(shù)） （6）

由于信令帶寬和語音帶寬相比可以忽略不計，因此不參與討論，這里說明信令協(xié)議以ED-137聲名的SIP協(xié)議規(guī)則為準。

語音帶寬=CAPS×系統(tǒng)平均呼叫時長×每路呼叫語音帶寬 （7）

這里引入每路呼叫的語音帶寬公式：

語音有效載荷+（IP/UDP/RTP包頭長度+數(shù)據(jù)鏈路層開銷）*8*每秒產(chǎn)生的包數(shù) （8）

公式由兩部分組成，其中語音有效載荷由編碼方式?jīng)Q定的?？展苷Z音交換集中于管制員地/空通信和地/地通信，它是一項實時性和QoS（Quality of Service）要求都很高的業(yè)務。EUROCAE規(guī)定對網(wǎng)絡承載業(yè)務的MOS標準要求都不能低于4，經(jīng)過理論及實際的驗證，G.711是匹配低延時和高QoS的最佳編碼協(xié)議，因為它作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本協(xié)議相比其他各類壓縮編碼方式省去了壓縮與解壓縮的過程，這是其他編碼算法所無法比擬的。根據(jù)ED-138中的提供的數(shù)據(jù)，相比G.711，G.729由于壓縮算法時延和處理時延多出了25ms，G.723的情況還要惡化一些，這對于無線信號時延來說是無法接受的（ED-136中無線設備網(wǎng)絡時延要求小于45ms）。所以碼型鎖定為G.711，即語音有效載荷為64Kbps。

公式的另一部分為網(wǎng)絡開銷的計算，根據(jù)ED-137標準IP/UDP/RTP包頭長度規(guī)定為48Bytes（IPv6是60Bytes，EUROCAE推薦IPv6），包數(shù)以10ms，20ms或30ms打包周期的倒數(shù)區(qū)分計算，鏈路層開銷根據(jù)使用的協(xié)議有所不同，所以只需確定鏈路層的協(xié)議即可得到相應的具體數(shù)值，以華東上海地區(qū)為例，其物理傳輸基于SDH，須采用IP over SDH技術解決VoIP應用，因此鏈路層對應的就是PPP協(xié)議。表1是常用的呼叫話音帶寬要求：

表1 每路VoIP呼叫話音帶寬要求（kbps）

最后將（信令帶寬+語音帶寬）*并發(fā)網(wǎng)絡用戶數(shù)就可以得到語音交換業(yè)務實際網(wǎng)絡帶寬需求。對于實際空管VoIP應用網(wǎng)絡來說，不僅僅局限于語音交換業(yè)務，帶寬需要綜合考慮，根據(jù)ED-137相關規(guī)定，所有空管語音交換VoIP應用基于SIP+RTP協(xié)議實現(xiàn)，SIP負責會話建立，RTP實現(xiàn)語音傳輸，因此其語音傳輸?shù)膸捠亲鳛榫W(wǎng)內(nèi)的SIP用戶參與計算的。實際上，對于網(wǎng)絡中非語音類型的網(wǎng)絡帶寬計算，計算方法和原理與上述方法是一致的。這樣合并計算才能得出科學的網(wǎng)絡帶寬需求。

如果帶寬不變的條件下需要提高空管語音交換業(yè)務部分的帶寬利用率，諸如CRTP，ROHC等RTP包頭壓縮技術應被應用，因為它可以將IP/UDP/RTP包頭長度由60降至4-2字節(jié)，如此的改變是巨大的，當然相應犧牲一定的時延，須全盤考慮。

3 結束語

本文針對華東地區(qū)空管語音交換業(yè)務的VoIP應用需求提出了一套相關網(wǎng)絡帶寬需求的計算方法。首先根據(jù)當前網(wǎng)絡使用情況統(tǒng)計得出相應話務量、BHCA（設備呼叫處理能力）等衡量網(wǎng)絡設備性能的重要指標，進而計算出用戶語音和信令帶寬理論值，提出相關業(yè)務的網(wǎng)絡帶寬的需求。同時通過對空管語音交換業(yè)務話務量的統(tǒng)計得到相關的經(jīng)驗呼叫模型，從而將網(wǎng)內(nèi)SIP用戶的網(wǎng)絡帶寬需求計算方法拓展至整個華東地區(qū)不同空管業(yè)務的網(wǎng)絡帶寬需求計算中，為空管業(yè)務的網(wǎng)絡更新建設提供科學依據(jù)。

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