基于VoIP 技術(shù)的航管內(nèi)話系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究*

張 波，茅文深，吳 偉

（1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007）

0 引言

航管內(nèi)話系統(tǒng)是一種用于空中交通管制的語音交換和通信系統(tǒng)[1-2]，主要包括無線電和電話兩類通信手段，實(shí)現(xiàn)地空和地地通話功能。

內(nèi)話系統(tǒng)主要由管制人員的操作席位終端、無線電臺(tái)和公共電話3 個(gè)功能實(shí)體組成[2]。傳統(tǒng)的內(nèi)話系統(tǒng)基于電路交換機(jī)制實(shí)現(xiàn)操作席位與無線電臺(tái)、公共電話之間的交互。以市場主流產(chǎn)品FREQUENTIES 公司的VCS3020 系統(tǒng)為例，基于此機(jī)制的VCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。航管VCS 系統(tǒng)包括主機(jī)、管制席位、監(jiān)控終端、無線接口、有線接口、錄音接口及主配線架等組件。系統(tǒng)采用兩個(gè)具有相同優(yōu)先級(jí)的交換系統(tǒng)（系統(tǒng)A 和系統(tǒng)B）同時(shí)工作，在兩個(gè)系統(tǒng)上同步傳輸完全一樣的話音信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)及控制信號(hào)，以確保整個(gè)系統(tǒng)連續(xù)工作的可靠性。

圖1 基于電路交換機(jī)制的VCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，基于電路交換結(jié)構(gòu)的內(nèi)話系統(tǒng)已非常成熟，并廣泛用于航管領(lǐng)域，有效滿足了航空管制人員的話音通信需求，但仍有提高和完善的需要，主要包括以下方面。

（1）部署便捷性：基于電路的傳統(tǒng)系統(tǒng)采用硬交換技術(shù)體制，當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)容需要增加新設(shè)備時(shí)，擴(kuò)容系統(tǒng)的規(guī)劃和布線工作量極大，工作流程繁瑣，難以滿足航管內(nèi)話系統(tǒng)擴(kuò)容、設(shè)備升級(jí)的需要。

（2）工作可靠性：傳統(tǒng)系統(tǒng)采用雙冗余電路交換方式，從而保障系統(tǒng)提高連續(xù)工作的可靠性。但是，基于電路交換的系統(tǒng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)節(jié)點(diǎn)或鏈路發(fā)生故障時(shí)依然會(huì)造成系統(tǒng)可靠性的降低，故障鏈路無法有效實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)恢復(fù)。

（3）互聯(lián)互通性：隨著技術(shù)的發(fā)展，為提高空中交通管制的有效性和準(zhǔn)確性，需要實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域內(nèi)話系統(tǒng)間的互聯(lián)互通。同時(shí)，內(nèi)話系統(tǒng)與其他航管相關(guān)系統(tǒng)（如雷達(dá)情報(bào)、氣象信息等）之間也需要互聯(lián)互通以進(jìn)行信息共享。基于電路交換方式，異構(gòu)系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通難以實(shí)現(xiàn)，無法滿足上述系統(tǒng)間的信息共享需求。

（3）維護(hù)可行：信息通信領(lǐng)域，分組交換技術(shù)已逐漸取代電路交換，成為數(shù)據(jù)傳輸通信的主要手段，支持電路交換技術(shù)的設(shè)備生產(chǎn)可能將逐漸減少，傳統(tǒng)基于電路交換的內(nèi)話系統(tǒng)的維護(hù)與升級(jí)工作將愈發(fā)困難，已是一個(gè)不可回避的問題。

分組交換技術(shù)基于IP 協(xié)議的承載和傳輸機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)、設(shè)備之間基于統(tǒng)一接口進(jìn)行信息交互[3-5]，因此基于分組交換技術(shù)構(gòu)建的話音通信系統(tǒng)可以大幅提高系統(tǒng)的部署便捷性，并有助于便捷的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的互通。同時(shí)，基于分組交換的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸路徑可以以需調(diào)整。在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，這一特性為實(shí)現(xiàn)故障的瞬時(shí)恢復(fù)提供了可能，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)工作可靠性。國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)和研究人員也對(duì)該技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，但主要是給出基本思路或?qū)ΜF(xiàn)有產(chǎn)品的分析，對(duì)于應(yīng)用后系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、設(shè)備組成、業(yè)務(wù)流程等沒有詳細(xì)說明[6-10]?；赩oIP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)航管內(nèi)話系統(tǒng)成為該領(lǐng)域主流公司新產(chǎn)品技術(shù)路線的首要選擇，有必要對(duì)基于VoIP 技術(shù)的航管內(nèi)話系統(tǒng)的技術(shù)路線、關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容展開研究。

1 技術(shù)路線選擇

VoIP是一種在IP網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)話音通信的技術(shù)，基于分組化、數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)話音數(shù)據(jù)的傳輸[3-4]。主要研究方向和關(guān)鍵技術(shù)有信令、編解碼技術(shù)、傳輸控制以及服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）保證等[4]。主導(dǎo)技術(shù)路線包括有ITU-U 提出的基于H.323（基于包交換的多媒體通信系統(tǒng)建議標(biāo)準(zhǔn)）的方案和IETF 提出的基于會(huì)話初始化協(xié)議（Session Initiation Protocol，SIP）的方案。

目前，H.323 協(xié)議和SIP 協(xié)議是實(shí)現(xiàn)VoIP 系統(tǒng)的兩種主流技術(shù)體系。本文所述的基于VoIP 的航管內(nèi)話系統(tǒng)將從上述兩種協(xié)議中選擇一種作為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線。

1.1 基于H.323 協(xié)議的VoIP 技術(shù)介紹

H.323 協(xié)議由ITU-T 制定，在無QoS 保障的分組網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行多媒體通信所需的技術(shù)要求[11]。H.323協(xié)議不僅支持語音通信，而且支持多種視頻業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。目前，該協(xié)議主要用于IP 電話系統(tǒng)。

基于H.323 協(xié)議的IP 電話系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示[11]。系統(tǒng)包括IP 電話骨干網(wǎng)絡(luò)和IP 電話本地網(wǎng)絡(luò)。IP 電話骨干網(wǎng)絡(luò)由IP 網(wǎng)（業(yè)務(wù)承載網(wǎng)）、IP 電話網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)管系統(tǒng)、IP 電話網(wǎng)管理層面以及電路交換網(wǎng)接入部分組成。

基于H.323 協(xié)議的IP 電話系統(tǒng)一般由網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)守等設(shè)備組成。其中，網(wǎng)關(guān)是IP 電話網(wǎng)的接入設(shè)備，為用戶提供IP 電話業(yè)務(wù)，完成信令轉(zhuǎn)換和媒體轉(zhuǎn)換；網(wǎng)守是IP 電話網(wǎng)的管理設(shè)備，提供地址解析、接入認(rèn)證、帶寬管理和資源管理等功能。

圖2 基于H.323 的IP 電話系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 基于SIP 和RTP 協(xié)議的VoIP 技術(shù)介紹

SIP 稱為會(huì)話啟動(dòng)協(xié)議，是由因特網(wǎng)工程任務(wù)組IETF 于1999 年提出的一個(gè)基于IP 網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)多媒體實(shí)時(shí)通信應(yīng)用的一種信令協(xié)議[7]。它的主要功能包括用戶定位、用戶能力、用戶可達(dá)性、呼叫建立和呼叫處理。

SIP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)模型采用了IP 網(wǎng)絡(luò)常用的客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。SIP 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示[12]，包括兩類基本的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體——SIP 用戶代理和SIP 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。用戶代理部署在終端中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，用于處理系統(tǒng)呼叫控制相關(guān)的信令。

圖3 基于SIP 的IP 電話系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 H.323 和SIP 的比較

盡管H.323 和SIP 協(xié)議支持的控制功能和業(yè)務(wù)類型相同，但在協(xié)議的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、復(fù)雜性、可擴(kuò)展性等方面也存在一些區(qū)別。

1.3.1 結(jié)構(gòu)與組成

H.323 是ITU-T 提出的，用于在分組網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)音視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)[11]，主要內(nèi)容包括呼叫信令與控制、多媒體數(shù)據(jù)傳輸與控制、會(huì)議帶寬控制。主要設(shè)備組成有多點(diǎn)控制單元（Multi Control Unit，MCU）、多點(diǎn)控制器（Multi Control，MC）、多點(diǎn)處理器（Multi Process，MP）、網(wǎng)關(guān)以及網(wǎng)守。基于H.323 的系統(tǒng)采用了集中式和層次式的控制方式，并基于分組交換方式進(jìn)行傳輸。

SIP 協(xié)議是一個(gè)對(duì)等的協(xié)議，通過增加呼叫控制信令將IP 電話應(yīng)用在分組交換網(wǎng)上，并提供相應(yīng)的QoS 保證[12-16]。SIP 協(xié)議的呼叫路由選擇和會(huì)話管理功能等網(wǎng)絡(luò)功能被均衡地分布在系統(tǒng)的所有節(jié)點(diǎn)上。SIP 協(xié)議采用“客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Service，C/S）”的體系結(jié)構(gòu)，將控制信息封裝到消息的頭域中進(jìn)行傳遞，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)呼叫的控制。

1.3.2 協(xié)議復(fù)雜性

H.323 協(xié)議不是專門為VoIP 應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)之初是為了提供以太網(wǎng)視頻會(huì)議的支持，將其沿用到VoIP 中，協(xié)議結(jié)構(gòu)和組成顯得相當(dāng)復(fù)雜。

SIP 協(xié)議是IETF 特意為VoIP 應(yīng)用開發(fā)的協(xié)議。與H.323 協(xié)議相比，它的結(jié)構(gòu)和組成顯得更簡單。節(jié)點(diǎn)設(shè)備所需內(nèi)置的功能更少，呼叫建立時(shí)間更短。

1.3.3 協(xié)議可擴(kuò)展性

SIP 協(xié)議采用消息傳遞體制，將消息放在信息包的頭域中，因此不同應(yīng)用對(duì)協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展成為可能。同時(shí)，SIP 提供了應(yīng)用系統(tǒng)間版本的協(xié)調(diào)[13-17]。此外，SIP 協(xié)議采用層次式數(shù)字差錯(cuò)代碼，包括6類基本響應(yīng)，用百位數(shù)表示響應(yīng)代碼[12-14]，增加錯(cuò)誤碼描述新的錯(cuò)誤時(shí)，不影響對(duì)前期各類應(yīng)答碼的處理，增強(qiáng)了協(xié)議的兼容性和可擴(kuò)充性。同時(shí)，SIP 協(xié)議允許刪除舊的信頭和不需要的功能[16-17]，以保證簡潔性和精確性。因此，SIP 協(xié)議具有較高的可擴(kuò)展性。

H.323 協(xié)議雖然提供了協(xié)議可擴(kuò)展機(jī)制，但是協(xié)議對(duì)添加非標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展的方式有所限制，且協(xié)議不支持終端間相互交換對(duì)方支持的擴(kuò)展信息。同時(shí)，H.323協(xié)議要求完整的后向兼容能力。隨著功能的發(fā)展增加，對(duì)應(yīng)編碼也需要隨之增加，因此擴(kuò)展性相對(duì)較差。

1.3.4 實(shí)時(shí)性

H.323 協(xié)議依賴傳輸層協(xié)議、呼叫信令信道和控制信道基于TCP 協(xié)議進(jìn)行傳輸。常規(guī)呼叫建立平均需要6～7 個(gè)往返時(shí)延，快速呼叫建立需3～4個(gè)往返時(shí)延，且不支持媒體能力的交換。SIP 協(xié)議獨(dú)立傳輸層協(xié)議，支持使用UDP 等無連接的協(xié)議進(jìn)行傳輸[13-14]，呼叫建立只需2～3 個(gè)往返時(shí)延。因此，相對(duì)H.323，SIP 協(xié)議的時(shí)間延遲更少，實(shí)時(shí)性更好。

1.4 技術(shù)路線選擇

綜上所述，H.323 和SIP 是兩個(gè)各有側(cè)重、相對(duì)完整的協(xié)議體系，相互之間沒有絕對(duì)的先進(jìn)性和優(yōu)越性。H.323 發(fā)展相對(duì)成熟，與傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)的互通性較好，但是協(xié)議復(fù)雜，私有性較強(qiáng)。SIP 協(xié)議出現(xiàn)的較晚，但是開放性和可擴(kuò)展性更好。

從需求決定技術(shù)的角度出發(fā)，由于航管內(nèi)話系統(tǒng)對(duì)語音數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃秃蜁r(shí)間延遲要求嚴(yán)格，同時(shí)考慮到傳統(tǒng)內(nèi)話系統(tǒng)相關(guān)終端的兼容問題，本文選擇協(xié)議結(jié)構(gòu)簡單、擴(kuò)展性更好、時(shí)間延遲較短的SIP 作為航管內(nèi)話系統(tǒng)的VoIP 解決方案。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述需求和對(duì)比，基于VoIP 的航管內(nèi)話系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)體系架構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括接入層、傳輸層、控制層和應(yīng)用層。

（1）接入層：實(shí)現(xiàn)內(nèi)部系統(tǒng)終端、電臺(tái)、管制席位等各類設(shè)備和PSTN、ATS 等外部系統(tǒng)終端的接入，其中采用網(wǎng)關(guān)方式實(shí)現(xiàn)非IP類終端的接入。網(wǎng)關(guān)類型有無線中繼網(wǎng)關(guān)、中繼網(wǎng)關(guān)以及ATS 中繼網(wǎng)關(guān)等；IP類終端通過IP協(xié)議直接接入傳輸層網(wǎng)絡(luò)。

（2）傳輸層：為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中會(huì)話控制、話音等數(shù)據(jù)的傳輸。構(gòu)建支持分組交換的環(huán)網(wǎng)，提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性保障。

（3）控制層：系統(tǒng)的核心提供接入控制、連接控制、協(xié)議處理等呼叫和控制功能，基于SIP 協(xié)議提供系統(tǒng)的呼叫處理和控制功能，基于RTP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)話音數(shù)據(jù)傳輸。

（4）應(yīng)用層：提供人機(jī)交互接口，包括電話調(diào)度、多點(diǎn)會(huì)議以及號(hào)碼簿等與話音通信相關(guān)的人機(jī)交互功能。

系統(tǒng)采用雙冗余架構(gòu)，在傳輸、控制、應(yīng)用3個(gè)層次提供平行雙冗余機(jī)制，提高系統(tǒng)的連續(xù)工作可靠性。其中，在傳輸層，系統(tǒng)的承載網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)包括至少兩個(gè)傳輸環(huán)網(wǎng)，且每個(gè)網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立運(yùn)行，并行處理；在接入層，終端同時(shí)接入上述兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，向網(wǎng)絡(luò)輸出相同數(shù)據(jù)，同時(shí)接收兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，提交終端處理以決定選用的數(shù)據(jù)；在控制層和應(yīng)用層，系統(tǒng)包括兩個(gè)處理單元，兩個(gè)處理單元并行運(yùn)行，處理相同的呼叫請(qǐng)求與交換控制，并向兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸出相同的處理反饋結(jié)果。

2.2 系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)設(shè)備組成

系統(tǒng)設(shè)備組成和交互關(guān)系如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)設(shè)備組成與交互關(guān)系

基于軟交換的航管內(nèi)話系統(tǒng)包括以下設(shè)備。

（1）語音通信系統(tǒng)主機(jī)：VCS 主機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)各終端、網(wǎng)關(guān)進(jìn)行交換控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備之間語音數(shù)據(jù)的調(diào)度交換。

（2）管制席位終端：航管人員的操作席位，提供無線、有線通話功能等。

（3）監(jiān)控管理終端：監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的終端，提供設(shè)備性能監(jiān)測(cè)、功能參數(shù)配置等功能。

（4）語音記錄儀：用于記錄系統(tǒng)運(yùn)行過程中的通話語音。

（5）無線中繼網(wǎng)關(guān)：實(shí)現(xiàn)基于IP 的VHF 無線電臺(tái)控制。

（6）媒體中繼網(wǎng)關(guān)：實(shí)現(xiàn)IP 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)終端與PSTN 系統(tǒng)終端的互通。

（7）ATS 中繼網(wǎng)關(guān)：實(shí)現(xiàn)內(nèi)話系統(tǒng)與ATS 系統(tǒng)終端的互通，包括ATS-QSIG、ATS-R2 和ATSNo.5 這3 種類型。

（8）SIP 電話：內(nèi)話系統(tǒng)中支持SIP 協(xié)議的IP電話。

2.2.2 內(nèi)話系統(tǒng)主機(jī)設(shè)計(jì)

內(nèi)話系統(tǒng)主機(jī)軟件的總體架構(gòu)如圖6 所示，包括核心線程模塊、通信接口模塊、協(xié)議棧模塊、交換控制模塊、應(yīng)用服務(wù)模塊和基礎(chǔ)支撐模塊。

圖6 內(nèi)話系統(tǒng)主機(jī)軟件總體架構(gòu)

（1）核心線程模塊：主機(jī)軟件的核心，管理、控制和協(xié)調(diào)其他模塊的運(yùn)行，響應(yīng)各模塊輸入的信息，調(diào)用對(duì)應(yīng)的功能模塊進(jìn)行處理。

（2）通信接口模塊：實(shí)現(xiàn)基于分組網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。并行接收多個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)，根據(jù)配置要求對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，包括丟棄、解包、組包恢復(fù)和上傳，恢復(fù)后的數(shù)據(jù)包上傳給核心線程模塊。主機(jī)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通信接口模塊接收核心線程模塊下發(fā)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行IP 封包操作，然后同時(shí)在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口上發(fā)送。

（3）交換控制單元：根據(jù)呼叫控制信息控制系統(tǒng)中的終端和網(wǎng)關(guān)設(shè)備，呼叫控制信息有電臺(tái)呼叫、電話會(huì)議等類型。控制的終端類型包括支持SIP 協(xié)議的IP 類終端和非IP 終端，分別由SIP 協(xié)議棧模塊和網(wǎng)關(guān)控制模塊負(fù)責(zé)相應(yīng)的控制功能。

（4）協(xié)議棧模塊：負(fù)責(zé)話音通信相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸控制，提供音頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與控制功能。

（5）應(yīng)用服務(wù)模塊：負(fù)責(zé)系統(tǒng)的呼叫控制功能，包括響應(yīng)呼叫請(qǐng)求和發(fā)送連接請(qǐng)求，并轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求響應(yīng)，共有電臺(tái)呼叫、電話呼叫和電話會(huì)議3 類應(yīng)用。

（6）基礎(chǔ)支撐模塊：負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行保障功能，提供狀態(tài)監(jiān)測(cè)、管理配置、日志記錄和數(shù)據(jù)庫訪問等功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主機(jī)運(yùn)行狀態(tài)并上傳系統(tǒng)管理終端，記錄主機(jī)操作和運(yùn)行的日志。

2.2.3 管制席位終端設(shè)計(jì)

內(nèi)話系統(tǒng)管制席位終端的軟件總體架構(gòu)如圖7所示，包括操作系統(tǒng)、板級(jí)支持模塊、網(wǎng)絡(luò)通信處理模塊、輸入監(jiān)測(cè)模塊、人機(jī)交互模塊、SIP 用戶代理模塊、SIP 協(xié)議棧模塊、RTP/RTCP 協(xié)議棧模塊、日志模塊和監(jiān)測(cè)管理配置模塊。其中，板級(jí)支持模塊包括板級(jí)支持包、網(wǎng)絡(luò)模塊驅(qū)動(dòng)和觸摸屏驅(qū)動(dòng)；輸入/輸出模塊包括PTT 開關(guān)信號(hào)輸入監(jiān)測(cè)、音頻信號(hào)輸入/輸出和視頻信號(hào)輸入/輸出3 個(gè)子功能模塊；人機(jī)交互模塊主要包括電臺(tái)監(jiān)控和電話呼叫2 個(gè)子功能模塊。

圖7 管制席位終端軟件總體架構(gòu)

（1）操作系統(tǒng)：終端的核心處理模塊負(fù)責(zé)整個(gè)終端的運(yùn)行，管理、協(xié)調(diào)其他模塊的運(yùn)行；

（2）板級(jí)支持模塊：負(fù)責(zé)終端嵌入式平臺(tái)運(yùn)行的底層支持，提供終端啟動(dòng)初始化操作、各類接口模塊、芯片的驅(qū)動(dòng)；

（3）網(wǎng)絡(luò)通信處理模塊：負(fù)責(zé)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。并行接收多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，包括丟棄、解包和組包操作，解包恢復(fù)后上傳給操作系統(tǒng)模塊；發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該模塊對(duì)操作系統(tǒng)模塊下傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行IP 封包和復(fù)制，然后在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)上并行發(fā)送。

（4）輸入/輸出模塊：負(fù)責(zé)終端PTT、音視頻信號(hào)的輸入、輸出和信號(hào)的邏輯控制。

（5）編解碼模塊：負(fù)責(zé)模擬信號(hào)的采樣、數(shù)字信號(hào)的恢復(fù)以及數(shù)字信號(hào)的編解碼處理。該模塊對(duì)邏輯控制模塊轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)進(jìn)行采樣和編碼，對(duì)操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解碼和數(shù)模轉(zhuǎn)換恢復(fù)后，傳送給邏輯控制模塊進(jìn)行輸出控制。

（6）RTP/RTCP 協(xié)議棧模塊：負(fù)責(zé)提供音頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與控制功能。

（7）SIP 用戶代理/SIP 協(xié)議棧：負(fù)責(zé)基于SIP的軟交換呼叫控制功能。

（8）人機(jī)交互模塊：負(fù)責(zé)人機(jī)交互與操作功能，包括電臺(tái)的監(jiān)聽與選擇控制和有線電話的呼叫與接聽控制子功能。

2.2.4 監(jiān)控管理終端設(shè)計(jì)

內(nèi)話系統(tǒng)的監(jiān)控管理終端軟件總體架構(gòu)如圖8所示，包括程序主線程、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、應(yīng)用服務(wù)模塊、人機(jī)交互模塊和基礎(chǔ)支撐模塊。其中，應(yīng)用服務(wù)模塊由狀態(tài)監(jiān)測(cè)、性能監(jiān)測(cè)、異常告警和配置管理4 個(gè)子功能模塊組成?；A(chǔ)支撐模塊由數(shù)據(jù)庫訪問模塊和日志記錄模塊組成。

圖8 監(jiān)控管理終端軟件總體架構(gòu)

2.2.5 無線中繼網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

內(nèi)話系統(tǒng)中的無線中繼網(wǎng)關(guān)軟件總體架構(gòu)如圖9 所示，包括操作系統(tǒng)、板級(jí)支持、網(wǎng)絡(luò)通信、SIP終端、RTP/RTCP 協(xié)議棧、音頻編解碼、VHF 電臺(tái)I/O 控制、管理和日志記錄9 個(gè)核心子功能模塊。其中，板級(jí)支持模塊包括BSP、網(wǎng)絡(luò)模塊驅(qū)動(dòng)和串口驅(qū)動(dòng)等子功能模塊；SIP 終端模塊包括SIP 用戶代理和SIP 協(xié)議棧模塊；VHF 電臺(tái)I/O 控制模塊包括控制信號(hào)、音頻信號(hào)的I/O 控制和邏輯控制子功能模塊；管理模塊包括監(jiān)測(cè)配置模塊和WEB、Talnet 以及Console 管理接口模塊。

（1）操作系統(tǒng)：終端的核心處理模塊，負(fù)責(zé)整個(gè)終端的運(yùn)行，管理、協(xié)調(diào)其他模塊的運(yùn)行。

（2）板級(jí)支持模塊：負(fù)責(zé)終端嵌入式平臺(tái)運(yùn)行的底層支持，提供終端啟動(dòng)初始化操作、各類接口模塊以及芯片的驅(qū)動(dòng)。

（3）網(wǎng)絡(luò)通信處理模塊：負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。并行接收多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，包括丟棄、解包和組包操作，解包恢復(fù)后上傳給操作系統(tǒng)模塊；發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該模塊對(duì)操作系統(tǒng)模塊下傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行IP 封包和復(fù)制，然后在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)上并行發(fā)送。

（4）VHF 電臺(tái)輸入/輸出模塊：負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)與VHF 電臺(tái)之間控制信號(hào)、音頻信號(hào)的輸入、輸出邏輯控制。

（5）編解碼模塊：負(fù)責(zé)模擬信號(hào)的采樣、數(shù)字信號(hào)的恢復(fù)以及數(shù)字信號(hào)的編解碼處理。該模塊對(duì)邏輯控制模塊轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)進(jìn)行采樣和編碼，對(duì)操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解碼和數(shù)模轉(zhuǎn)換恢復(fù)后，傳送給邏輯控制模塊進(jìn)行輸出控制。

（6）RTP/RTCP 協(xié)議棧模塊：負(fù)責(zé)提供音頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與控制功能。

（7）SIP 終端模塊：負(fù)責(zé)基于SIP 的軟交換呼叫控制功能。

（8）管理模塊：負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、配置等管理操作，定時(shí)收集網(wǎng)關(guān)終端運(yùn)行狀態(tài)和性能參數(shù)、下發(fā)配置命令，提供操作員對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行管理的接口。

（9）日志模塊：供其他模塊調(diào)用，記錄各模塊的操作和運(yùn)行日志。

圖9 無線中繼網(wǎng)關(guān)軟件總體架構(gòu)

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行流程設(shè)計(jì)

基于VoIP 的航管內(nèi)話系統(tǒng)通過SIP 建立各模塊之間的通信鏈路，通過RTP 協(xié)議實(shí)時(shí)傳輸音頻數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的運(yùn)行模式主要包括基于IP 的無線甚高頻（VHF 電臺(tái)通話（地空通話模式）和內(nèi)部有線電話互通（地地通話模式）兩部分，其中地空通話模式的流程如圖10 所示，包括2 個(gè)主要環(huán)節(jié)。

圖10 地空通話模式流程

基于SIP 的鏈路建立過程：系統(tǒng)各模塊啟動(dòng)后，管制席位終端基于SIP 協(xié)議通過VCS 主機(jī)向無線VHF 的收發(fā)信機(jī)發(fā)送建立鏈接的請(qǐng)求，并建立和收發(fā)信機(jī)之間的通話鏈路。

基于RTP 的數(shù)據(jù)傳輸過程：鏈路建立完成后，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，管制席位終端和無線VHF 電臺(tái)的收發(fā)信機(jī)基于RTP 協(xié)議實(shí)時(shí)傳輸PTT、SQU 和語音等數(shù)據(jù)。在無語音輸入時(shí)，席位終端和收發(fā)信機(jī)定時(shí)發(fā)送心跳數(shù)據(jù)包，確保鏈路鏈接正常。

基于軟交換的航管內(nèi)話系統(tǒng)地地通話模式的流程如圖11 所示，包括3 個(gè)主要環(huán)節(jié)。

（1）會(huì)話建立過程：兩個(gè)終端通過VCS 主機(jī)基于SIP 和SDP 請(qǐng)求建立會(huì)話、協(xié)商會(huì)話媒體，進(jìn)而建立會(huì)話連接。

（2）通話過程：終端基于RTP 實(shí)現(xiàn)雙向語音通話過程，在通話過程基于RTCP 協(xié)議實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制會(huì)話鏈路質(zhì)量。

（3）會(huì)話釋放過程：終端基于SIP 協(xié)議斷開會(huì)話連接。

圖11 地地通話模式流程

3 結(jié)語

目前，航管系統(tǒng)中支持語音通信業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)和支持基本數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立、分離，難以為以邏輯功能見長的融合業(yè)務(wù)提供支撐，且傳統(tǒng)內(nèi)話系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行可靠性、部署靈活性和系統(tǒng)互通性等方面尚未達(dá)到最優(yōu)，存在改進(jìn)的可能和需要。本文首先對(duì)航管內(nèi)話系統(tǒng)的現(xiàn)狀和需求進(jìn)行研究和分析，并在對(duì)H.323 和SIP 兩種VoIP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線進(jìn)行分析和對(duì)比的基礎(chǔ)上，提出了基于SIP協(xié)議的航管內(nèi)話系統(tǒng)VoIP 解決方案，給出了系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備組成和關(guān)鍵設(shè)備的建議性設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)符合網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)IP 化、多元化的趨勢(shì)，利用VoIP 技術(shù)的特征進(jìn)一步提高了航管內(nèi)話系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和部署靈活性，并使航管內(nèi)話系統(tǒng)和其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的互聯(lián)稱為可能，使不同區(qū)域航管內(nèi)話系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通更加便捷。需要注意的是，本文雖然給出了基于VoIP 的航管內(nèi)話系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，但在協(xié)議改進(jìn)、關(guān)鍵設(shè)備硬件設(shè)計(jì)等方面所述較少，將是今后工作的重點(diǎn)。