民航甚高頻VoIP 新技術的應用研究與展望

徐曉強，楊 璞，孫中路

（民航云南空管分局，云南 昆明 650200）

1 甚高頻VoIP 技術概況

1995 年至1996 年期間，基于 H.323 協議（ H.323是一種標準的音視頻傳輸協議，可實現遠程提審的功能）的第一個 IP 電話成功實現，取得了網絡傳輸的技術突破。 1996 年至1999 年期間， SIP（Session Initiation Protocol，會話初始協議）協議提出，使得 VoIP 得到更多的推廣和發展。 2000 年至今，基于 DSP（Digital Signal Processing，數字信號處理）的高速音頻信令處理技術，讓 VoIP 技術趨于成熟和廣泛。

甚高頻 VoIP 話音通信交換技術具備成本低、運行維護簡單、使用便捷、業務靈活等諸多優點但是其網絡傳輸固有的安全性問題、系統延時、網絡丟包等缺點也較為明顯。甚高頻 VoIP 的基本原理為，甚高頻電臺將模擬話音通過 A/D 轉換后進行比如G.711/ G.726/G.729編碼后進行 IP 封裝，加協議包頭比如 IP、UDP（User Datagram Protocol，用戶數據報協議）、 RTP（Real-time Transport Protocol，實時傳輸協議）等，將模擬話音轉換為 IP 數據包后通過如 FA36 等設備，利用 IP 網絡，采用路由“儲存——轉發”的方式，進行交換和傳輸[1]。遠端如遙控盒或內話系統，根據 OSI（Open System Interconnection，開放式系統互聯）模型，一層一層去除協議包頭，獲得原始數據，即將收到的 IP 數據包轉換為數據。再根據 G.711/ G.726/G.729 等進行語音解碼，后經 D/A 轉換，還原模擬話音。

2 VoIP 關鍵技術

VoIP 關鍵技術主要包括編碼技術、信令技術、實時傳輸技術、 QoS 保障技術、網絡傳輸技術等內容。

其信令技術是一種采用 ITU（International Telecommunication Union，國際電聯）推薦的 H.323 協議，另一種是 IETF（Internet Engineering Task Force，國際互聯網工程任務組）的 SIP。這兩種協議代表了解決同一問題的兩種不同的方法： H.323 是信令基于 ISDN Q.931和早期推薦的 H 系列協議的傳統電路交換方式，而 SIP 是一種支持基于 HTTP（超文本傳輸協議）的 IP網絡的超輕量協議標準。目前， EUROCAE（European Organization for Civil Aviation Equipment，歐洲民用航空設備組織）推薦的 SIP 無線通信模型分為兩個階段：第一階段：必須是由話音調度系統發起 SIP 會話； SIP 協議建立起話音調度系統與臺站間的連接，并且通過 SDP（Session Description Protocol，會話描述協議）協議傳輸RTP 會話所需要的參數。第二階段：當 SIP 會話建立起來后，在兩端都要使用 R2S（Reed2Solomon Code，里德2所羅門碼）協議來保持連接；當 PTT 或SQL 激活時，就要使用 RTP 協議傳輸話音數據；話音分組和 R2S 分組都要夾帶 RTP 擴展頭，用以傳輸協議模型中提到的參數信息[1]。

其編碼技術主要分為波形編碼技術、參數編碼技術和混合編碼技術。編碼是為了在一定的算法量和通信延時的情況下，盡可能少的占用通信容量傳送盡可能高質量的話音。目前， VoIP 主流的編碼技術有ITU-T（ITU-T for ITU Telecommunication Standardization Sector，國際電信聯盟電信標準分局）定義的 G.711、G.728、G.729等。

服務質量（ Quality of Service，簡稱 QoS）是QoS保障技術的核心，是在分組交換的過程中對數據包的延時、丟包、抖動等服務能力進行評估。進行網絡資源控制及調配、減少報文丟失率、網絡流量調控、網絡擁塞避免及管理、支撐網絡上的實時業務、為特定用戶或特定業務提供專用帶寬等是 VoIP QoS 的目標。 VoIP中主要技術手段是采用 RSVP（Resource Reservation Protocol，資源預留協議）以及進行服務質量監控的實時傳輸控制協議 RTCP（RTP Control Protocol）來避免網絡擁塞，保障通話質量。

IntServ 模型（ Integrated Services，集成式服務模型）和 DiffServ 模型（區分服務模型）為目前兩種典型的 VoIP QoS 模型。 IntServ 模型（集成式服務模型）中業務通過信令向網絡申請特定的 QoS 服務，網絡在流量參數描述的范圍內，預留資源以承諾滿足該請求。DiffServ 模型（區分服務模型）中當網絡出現擁塞時，根據業務的不同服務等級約定，有差別地進行流量控制和轉發來解決擁塞問題[2]。實時傳輸技術主要是采用實時的傳輸協議 RTP，而RTP 包括數據和控制兩個部分，后者稱為 RTCP。

VoIP 中網絡傳輸技術主要是 TCP 和UDP，此外還包括了網關互聯、路由選擇、網絡管理以及安全認證等技術。由于實時傳輸協議 RTP 提供具有實時特征的、端到端的數據傳輸業務，因此 VoIP 可用 RTP 來傳送語音數據，在 RTP 報頭中包含裝載數據的序列號、標識符、時間戳以及傳送監視等。通常 RTP 協議數據單元是用UDP 分組來承載的，而且為了盡量減少時延，話音凈荷通常都會很短。 IP、 UDP 和RTP 報頭都按最小的長度計算， VoIP 話音分組開銷比較大，采用 RTP 協議的 VoIP格式，在這種方式中將多路話音插入話音數據段中，就提高了傳輸效率[3]。

3 民航空管VoIP 語音通信交換系統

民航空管 VoIP 語音通信交換系統是基于混合模擬數字技術使用會話初始協議（ SIP）進行區域地空電臺話音建鏈組網后，采用互聯網語音技術（VoIP）進行語音通信的一套系統。在系統構架上，通信鏈路管理基于 CS（Client/Server，客戶端 /服務器）架構，席位與電臺網關之間采用 SIP 會話初始協議建立鏈路，服務器集中鑒權和控制。席位與席位之間，席位與電臺網關之間的語音傳輸采用 P2P（Peer-to-Peer）方式，點對點傳輸，減少語音傳輸時延，提高語音傳輸質量。

VoI P 系統運行過程中的主要技術指標有系統延時、通話質量、網絡抖動和網絡丟包率。系統延時包括整個地面各傳送部分的語音總延時、單個設備的延時（管制席位、電臺網關、 VoIP 電臺）、網絡傳輸延時三個部分。話音質量主要通過PESQ（Perceptual evaluation of speech quality，主觀語音質量評估）獲得 MOS（Mean Opinion Score，平均意見值）來衡量。 MOS 包括對于整個被測信號的 MOS（Total MOS）、對于話音部分的 MOS（Speech MOS）、對于靜音部分的MOS（Background MOS）三個部分。一般建議要求 MOS ≧4，即達到 GOOD。德國Testi ng Technologies IST GmbH（簡稱 Testing Tech）公司的TTSuite-SIP 測試套件等工具軟件可對 VoIP 系統的協議一致性進行測試[3]。

目前，德國 R&S4200 系列甚高頻電臺、國產天奧SPMH-1000系列甚高頻電臺等，具備 VoIP 功能的甚高頻電臺已開通 VoIP 功能并在小范圍內探索使用。

4 結束語

西方發達國家及歐洲 ATC 領域正處在改變語音通信基礎設施發展的轉折點。兩大因素推動著這一變化：一是電信服務提供商正逐步淘汰租用線路 TDM 服務，二是聯邦航空管理局（ Eurocontrol）以及其他組織都制定了強制性的互操作性要求，以便應對不斷增加的空中流量。因此， ATC 部門必須了解這些因素如何影響自身業務，并且基于轉型、系統互操作性、靈活的空域分配以及成本效益等考慮著手制定規劃。 VoIP 技術在國內也將迎來語音通信技術的變革，也只有通過技術的升級才能高效滿足空中流浪的增長。

通過最新技術的 VCS（Voice Communications System）網關，可以在傳統 VCS 保留不變的情況下，在ATC 基礎設施中集成具有符合 EUROCAE ED-137規范的 VoIP 電臺，甚至可以混合安裝具有模擬音頻接口的電臺。根據此方法，我們可以將自己的網絡順利過渡到IP 技術，并且逐步構建滿足未來需求的基礎設施，這也適用于傳輸基礎設施本身。鑒于符合 EUROCAE ED-137規范的 VCS 網關可部署在臺站或航管小區中心機房內，因此，它們也支持傳輸基礎設施內 TDM 到IP 的過渡。