TDMoIP技術(shù)在民航空管中的應(yīng)用研究

摘要：隨著民航航班量的增長(zhǎng)，空管調(diào)度資源需求及業(yè)務(wù)傳輸量也在不斷增加。文章通過研究TDMoIP技術(shù)原理及關(guān)鍵問題，探討該技術(shù)在空管中的應(yīng)用方式，驗(yàn)證能解決目前空管傳輸技術(shù)問題的過渡需求。

關(guān)鍵詞：空管；TDM；TDMoIP；VoIP

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.06.033

中圖分類號(hào)：V 35" " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）06-0-03

Abstract： With the growth of civil aviation flight volume， the demand for air traffic control scheduling resources and business transmission volume are also increasing. This article studies the principle and key issues of TDMoIP technology， discusses its application in air traffic control， and verifies that it can solve the transitional needs of current air traffic control transmission technology.

Key words： air traffic control; TDM; TDMoIP; VoIP

隨著北京大興機(jī)場(chǎng)、成都天府機(jī)場(chǎng)的投運(yùn)，各地區(qū)終端中心、區(qū)管中心的建設(shè)在緊鑼密鼓地進(jìn)行中，新的通信技術(shù)在民航網(wǎng)絡(luò)中不斷運(yùn)用，構(gòu)建安全、高效、智能、協(xié)同的空管系統(tǒng)和設(shè)備，一直是空管技術(shù)人員的追求。

1" 空管業(yè)務(wù)需求及傳輸現(xiàn)狀

甚高頻通信和自動(dòng)監(jiān)視信號(hào)是空管的核心業(yè)務(wù)，其信號(hào)的源頭均建立在空管臺(tái)站，通過傳輸技術(shù)將信號(hào)匯聚起來供管制席位使用。基于空管業(yè)務(wù)的低速率性以及信號(hào)的低誤碼率、高穩(wěn)定、高可靠性的要求，傳統(tǒng)空管傳輸采用的時(shí)分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM）技術(shù)，是將不同的信號(hào)相互隔離在不同的時(shí)間段內(nèi)，沿著同一個(gè)信道傳輸；在接收端再用某種方法，將各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的信號(hào)提取出來還原成原始信號(hào)[1]。TDM將信道劃分為不同的時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙等同于為一個(gè)固定業(yè)務(wù)提供了固定的通道，在該業(yè)務(wù)沒有信號(hào)收發(fā)時(shí)也為其保留通道，符合空管業(yè)務(wù)的需求。傳統(tǒng)的TDM設(shè)備組網(wǎng)方式如圖1所示，設(shè)備呈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)組網(wǎng)方式，不同空管臺(tái)站業(yè)務(wù)獨(dú)立承載，互不干擾。設(shè)備間的中繼鏈路一般采取租用兩家不同網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商專線的方式，形成鏈路冗余保障。近年來空管也建設(shè)了屬于自己的底層傳輸網(wǎng)絡(luò)，可提供近地空管臺(tái)站的傳輸專線鏈路。

空管甚高頻通信系統(tǒng)使用Eamp;M信令，是一種模擬通信系統(tǒng)。TDM設(shè)備采用脈沖編碼調(diào)制解調(diào)技術(shù)完成模擬語(yǔ)音信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，并傳遞E和M信令信號(hào)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)話系統(tǒng)與遙控電臺(tái)的組網(wǎng)，該方式在多年的運(yùn)用中被證明是可靠穩(wěn)定的。但由于TDM組網(wǎng)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的模式，在新建空管臺(tái)站或空管場(chǎng)所時(shí)，各地勢(shì)必要新增成對(duì)的TDM設(shè)備，這對(duì)資源是極大的浪費(fèi)。

2" 基于IP網(wǎng)絡(luò)的TDMoIP技術(shù)

高速IP網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)給通信領(lǐng)域帶來了一次革命，為了實(shí)現(xiàn)分組網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)演進(jìn)，同時(shí)又能支持傳統(tǒng)的TDM業(yè)務(wù)，業(yè)界引入了新的技術(shù)TDMoIP[2]。它基于時(shí)分復(fù)用技術(shù)和IP技術(shù)，使得E1/T1信號(hào)在IP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行“透明”傳輸，使語(yǔ)音等信號(hào)不受新技術(shù)可能帶來的影響。

2.1 壓縮及延遲

最基礎(chǔ)的TDMoIP技術(shù)就是把每一個(gè)El/T1數(shù)據(jù)幀封裝進(jìn)一個(gè)IP包里，同時(shí)在前綴增加相應(yīng)的包頭。IP的載荷長(zhǎng)度為24字節(jié)或者31字節(jié)。不管是使用TCP或者UDP+RTP方式來實(shí)現(xiàn)IP報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)，都需要在載荷前增加40字節(jié)的包頭，這大大降低了傳輸?shù)男省?/p>

第一，可以通過將包頭進(jìn)行壓縮的方式來解決因IP包頭開銷過大產(chǎn)生的帶寬利用率不高的問題。第二，將連續(xù)的多個(gè)幀組合在一起，形成一個(gè)超長(zhǎng)幀再封裝在一個(gè)包里，相當(dāng)于增加其載荷信息量。這種包方式必然會(huì)導(dǎo)致一定的緩沖延遲，但相比VoIP系統(tǒng)的延遲來說這點(diǎn)延遲時(shí)間是微不足道的[3]。第三，可以先對(duì)TDM數(shù)據(jù)幀進(jìn)行編碼處理，再將其封裝進(jìn)IP包里。

2.2 信令轉(zhuǎn)發(fā)

TDM可分為不成幀、成幀、成復(fù)幀三種，其中，不成幀方式下時(shí)隙全為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，采用TDMoIP技術(shù)時(shí)不需要考慮其信令，可以直接進(jìn)行透明傳輸。另外兩種TDM中，帶內(nèi)信令、隨路信令和共路信令都可在TDM幀結(jié)構(gòu)內(nèi)，可被TDMoIP自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)或者從信令網(wǎng)關(guān)中獲取。

2.3 丟包和亂序

由于路徑遠(yuǎn)近以及路徑的開銷不同，IP網(wǎng)絡(luò)中的IP包并不是按照輸入端口的順序到達(dá)目的端口的。而且IP網(wǎng)絡(luò)是“盡力而為”的網(wǎng)絡(luò)，可能會(huì)因?yàn)橹欣^故障、流量超限等原因直接丟棄IP報(bào)文。針對(duì)這種情況，可在接收端前設(shè)置抖動(dòng)緩沖器，根據(jù)接收到的IP包的序號(hào)先進(jìn)行預(yù)排序，這樣可以克服因亂序造成的影響，若發(fā)現(xiàn)丟包，可通過插入填補(bǔ)等方法來進(jìn)行解決。

2.4 時(shí)鐘同步

IP網(wǎng)不帶時(shí)鐘機(jī)制，同時(shí)IP包的延時(shí)具有隨機(jī)性。接收端和發(fā)送端定時(shí)上的不一致，將會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失或者擁塞，同樣當(dāng)用戶的數(shù)據(jù)通過不同的網(wǎng)絡(luò)時(shí)難以給發(fā)送端和接收端提供一個(gè)共同的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘，因此需要在接收端恢復(fù)出和原先時(shí)鐘在頻率和相位上同步的定時(shí)信息[4]。表1列舉了常用的兩種時(shí)鐘同步技術(shù)，并對(duì)比了二者優(yōu)缺點(diǎn)。

3" TDMoIP技術(shù)在空管中的應(yīng)用

結(jié)合上述技術(shù)特點(diǎn)分析，可將TDMoIP技術(shù)應(yīng)用于空管中。

第一，使用TDMoIP設(shè)備組網(wǎng)作為底層傳輸設(shè)備，為TDM設(shè)備提供中繼鏈路。相比PDH、SDH，TDMoIP可通過二層、三層交換機(jī)或路由器來實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，且網(wǎng)絡(luò)便于擴(kuò)充，新增節(jié)點(diǎn)后對(duì)整網(wǎng)的業(yè)務(wù)不會(huì)產(chǎn)生影響，也幾乎可無限新增；IP網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的路由功能，某中繼或設(shè)備網(wǎng)元發(fā)生故障，可通過備用路由重新尋址；同時(shí)當(dāng)TDMoIP作為傳輸設(shè)備使用時(shí)，可靈活調(diào)度El/T1交叉。另外，TDMoIP可結(jié)合相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)無線微波傳輸功能，相比于傳統(tǒng)微波設(shè)備，TDMoIP可以實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，比成對(duì)使用的方式更加靈活；TDMoIP業(yè)務(wù)的時(shí)鐘信息從網(wǎng)絡(luò)上恢復(fù)得來，不存放于IP報(bào)文里，信號(hào)即使被竊取，也不能提取出完整的E1/T1數(shù)據(jù)信息，安全性能更高。

作為底層傳輸網(wǎng)絡(luò)是TDMoIP最為基礎(chǔ)的應(yīng)用，其底層傳輸網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活，易拓展且健壯性強(qiáng)，可為TDM用戶提供良好的傳輸服務(wù)，同時(shí)設(shè)備價(jià)格低廉。但其網(wǎng)絡(luò)容量、傳輸距離不能滿足網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商服務(wù)的龐大用戶群體、業(yè)務(wù)量巨大、遠(yuǎn)距傳輸?shù)男枨螅瑫r(shí)基于光通信技術(shù)廣泛發(fā)展，目前在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的底層傳輸組網(wǎng)中多采用OTN及MSTP設(shè)備。在空管中，空管臺(tái)站TDM設(shè)備大多依靠網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商底層鏈路，且當(dāng)采用TDMoIP作為底層傳輸時(shí)，并沒有解決TDM組網(wǎng)的缺陷，只是改變了底層技術(shù)方案。但空管雙鏈路冗余以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商豐富的底層鏈路調(diào)度能力完全能滿足TDM設(shè)備的鏈路保障需求。

第二、使用TDMoIP技術(shù)實(shí)現(xiàn)類VoIP功能。VoIP是建立在IP技術(shù)上的分組化、數(shù)字化技術(shù)，對(duì)模擬語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后通過壓縮和打包處理，通過IP網(wǎng)絡(luò)將報(bào)文發(fā)送到接收端，再通過解碼解壓處理，D/A轉(zhuǎn)換為模擬語(yǔ)音。空管甚高頻通信的主要設(shè)備為局端內(nèi)話系統(tǒng)與遠(yuǎn)端遙控電臺(tái)，空管席位通過內(nèi)話系統(tǒng)控制遙控電臺(tái)發(fā)出語(yǔ)音信號(hào)，遙控電臺(tái)經(jīng)天線將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波傳送給飛行員。由圖3可知，若內(nèi)話系統(tǒng)及遙控電臺(tái)具備數(shù)模轉(zhuǎn)換、IP地址映射功能，其間通信采用全I(xiàn)P化技術(shù)，那么就稱之為理想的VoIP技術(shù)。

但在空管實(shí)踐中，目前在用的甚高頻通信系統(tǒng)大多為傳統(tǒng)設(shè)備，不直接具備VoIP功能，即使新型的VoIP甚高頻通信系統(tǒng)已在建設(shè)及測(cè)試使用，完全替代傳統(tǒng)系統(tǒng)仍需較長(zhǎng)的時(shí)間。與現(xiàn)有的TDM組網(wǎng)相比，IP網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)有很大的優(yōu)勢(shì)，能滿足空管各地間的靈活組網(wǎng)需求，減少資源浪費(fèi)，同時(shí)以太網(wǎng)接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，可與底層傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通用性對(duì)接。在IP設(shè)備中對(duì)模擬甚高頻信號(hào)應(yīng)用TDMoIP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)類VoIP功能，可實(shí)現(xiàn)IP設(shè)備對(duì)TDM設(shè)備的替代，也是一種應(yīng)用方向，可作為VoIP甚高頻通信的過渡方案。

圖4中，當(dāng)內(nèi)話系統(tǒng)和遙控電臺(tái)的Eamp;M信號(hào)到達(dá)IP網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換并隔離轉(zhuǎn)發(fā)，在網(wǎng)絡(luò)中全程為IP報(bào)文。這樣IP設(shè)備即實(shí)現(xiàn)了TDM設(shè)備的功能，且在網(wǎng)內(nèi)為甚高頻信號(hào)單獨(dú)建立固有的虛擬通道，信號(hào)間互不干擾，滿足空管業(yè)務(wù)需求。但這種方式的缺點(diǎn)是甚高頻虛擬通道會(huì)一直占用相應(yīng)帶寬，沒有實(shí)現(xiàn)VoIP的彈性帶寬占用，對(duì)傳輸資源有一定的浪費(fèi)。

第三，業(yè)務(wù)接入設(shè)備由TDM設(shè)備向TDMoIP設(shè)備轉(zhuǎn)變。目前很多廠家都開發(fā)了TDMoIP設(shè)備，這些設(shè)備不但可以提供多種業(yè)務(wù)接入板卡，滿足不同用戶的需求，同時(shí)設(shè)備間采用IP分組網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)，節(jié)約設(shè)備資源。

如圖5所示，用可支持多業(yè)務(wù)接入的TDMoIP設(shè)備來完成各類用戶的TDM接入，底層傳輸網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的MSTP網(wǎng)絡(luò)。此方法可優(yōu)化空管接入網(wǎng)絡(luò)，符合空管調(diào)度資源發(fā)展需求。需要提醒的是，在TDMoIP組網(wǎng)中要注意QoS，使用流量控制等手段對(duì)重要業(yè)務(wù)提供有力的保障，防止流量突增帶來的業(yè)務(wù)中斷影響。

在空管中，還存在很多TDM組網(wǎng)設(shè)備，雖然IP通信是目前及未來很長(zhǎng)一段時(shí)間主流的通信方式，空管在對(duì)技術(shù)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)的時(shí)候也應(yīng)兼容原有的系統(tǒng)和設(shè)備，以確保業(yè)務(wù)的安全有效性作為最高衡量標(biāo)準(zhǔn)。

4" 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的TDM組網(wǎng)技術(shù)有很大的局限性，TDMoIP技術(shù)能完美適配目前空管TDM設(shè)備向IP設(shè)備的過渡，合理運(yùn)用該技術(shù)能為下一步空管接入網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化升級(jí)打好基礎(chǔ)，為空管業(yè)務(wù)一體化發(fā)展提供有力的支撐。

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