華東地區空管語音交換VoIP應用網絡帶寬設計

陳堃

摘 要：文章針對VoIP在國內外民航業應用的現狀及應用意義，提出華東地區空管語音交換VoIP應用的網絡帶寬需求的計算方法。計算方法集中于傳統的話務量與語音帶寬的公式計算：結合傳統話務量的計算明確了空管語音交換業務相關指標的計算方法，結合編碼協議的分析和華東地區空管業務實際網絡的應用情況提出了相關業務網絡帶寬的計算公式，為今后的空管業務網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）數字化，以數據封包的形式在IP網絡上做實時傳遞。經過多年的發展，現如今已成為通信行業的主導技術，即使對于空管語音交換這個專業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年就開始陸續地頒布行業內的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成數字傳輸，達到節省帶寬省錢的目的，還有一個重要的原因就是IP網的開放性和擴展性致使其可以承載任何形式的業務，從而應對日益增長的業務需求。

2 VoIP應用網絡帶寬需求的計算

帶寬即在固定的時間可傳輸的bit數量，它決定了網絡承載信息的能力。對于實際網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被占用了1小時。它表現的是呼叫并發的程度，在忙時呼叫很少的時候與實際的呼叫并發數有很大的出入，但在忙時呼叫很多的時候與并發數就會非常接近，兩者之間通過呼損公式有著明確的數學關系。就空管語音交換來說，話源數有限且分布線束容量大于話源數，適用貝努里分布計算兩者的數學關系，貝努里分布公式：

（1）

N：話源數，x：分布線束同時占用的線路數，A：平均流入話務量（Erl）。

②BHCA

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

③CAPS

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

三者的關系通過以下三個公式體現：

總話務量=用戶數×單用戶話務量 （2）

網絡系統的BHCA=單用戶忙時話務量×3600/系統平均呼叫時長 （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呼叫模型取值，數據由統計得出，就空管語音交換來說，用戶就是所謂的席位和話機。終端數量有限，話務量統計簡單，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；T：用戶每次呼叫平均占用時間（秒/次）；

K：集中系數，忙時話務量對全日話務量的比。

對于網絡帶寬的計算，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）×（平均每消息包的比特數+每個消息包的網絡開銷比特數） （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，這里說明信令協議以ED-137聲名的SIP協議規則為準。

語音帶寬=CAPS×系統平均呼叫時長×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+數據鏈路層開銷）*8*每秒產生的包數 （8）

公式由兩部分組成，其中語音有效載荷由編碼方式決定的。空管語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）要求都很高的業務。EUROCAE規定對網絡承載業務的MOS標準要求都不能低于4，經過理論及實際的驗證，G.711是匹配低延時和高QoS的最佳編碼協議，因為它作為模數轉換的基本協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ED-138中的提供的數據，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絡開銷的計算，根據ED-137標準IP/UDP/RTP包頭長度規定為48Bytes（IPv6是60Bytes，EUROCAE推薦IPv6），包數以10ms，20ms或30ms打包周期的倒數區分計算，鏈路層開銷根據使用的協議有所不同，所以只需確定鏈路層的協議即可得到相應的具體數值，以華東上海地區為例，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）*并發網絡用戶數就可以得到語音交換業務實際網絡帶寬需求。對于實際空管VoIP應用網絡來說，不僅僅局限于語音交換業務，帶寬需要綜合考慮，根據ED-137相關規定，所有空管語音交換VoIP應用基于SIP+RTP協議實現，SIP負責會話建立，RTP實現語音傳輸，因此其語音傳輸的帶寬是作為網內的SIP用戶參與計算的。實際上，對于網絡中非語音類型的網絡帶寬計算，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，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

本文針對華東地區空管語音交換業務的VoIP應用需求提出了一套相關網絡帶寬需求的計算方法。首先根據當前網絡使用情況統計得出相應話務量、BHCA（設備呼叫處理能力）等衡量網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，提出相關業務的網絡帶寬的需求。同時通過對空管語音交換業務話務量的統計得到相關的經驗呼叫模型，從而將網內SIP用戶的網絡帶寬需求計算方法拓展至整個華東地區不同空管業務的網絡帶寬需求計算中，為空管業務的網絡更新建設提供科學依據。

參考文獻

[1]EUROCAE ED-136_Operational_and_Technical_Requirements [E].2009.

[2]EUROCAE ED-137_Interoperability_Standards_for_VoIP_ATM_Co

mponents_Part_1：Radio [E].2009.

[3]EUROCAE ED-137_Interoperability_Standards_for_VoIP_ATM_Co

mponents_Part_2： Telephone [E].2009.

[4]EUROCAE ED-137B_Interoperability_Standards_for_VoIP_ATM_Co

mponents_Vol 1：Radio [E].2012.

[5]EUROCAE ED-138_Network_Requirements_and_Performances_Part

_1：Network Specification [E].2009.

[6]EUROCAE ED-138_Network_Requirements_and_Performances_Part

_2：Network Design Guideline [E].2009.

[7]神州數碼（中國）有限公司 中國民航數據通信網工程實施方案[E].

[8]Jonathon Davidson， Deploying Cisco Voice over IP Solution [M].ciscopress.com， 2002.