SCHMID 語(yǔ)音通信交換系統(tǒng)席位環(huán)路優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

［李自義］

1 引言

空中交通管制語(yǔ)音交換系統(tǒng)（air traffic control voice communication switching system），又稱空管內(nèi)話系統(tǒng)，是航空運(yùn)輸中最主要、最基本的保障手段，直接關(guān)系到航空運(yùn)輸安全性和可靠性。內(nèi)話系統(tǒng)通過(guò)對(duì)有線通信、無(wú)線通信等資源的有機(jī)集成，為管制人員提供統(tǒng)一、便捷的操作手段，使其可以在一個(gè)界面上對(duì)需要使用的頻率或者電話進(jìn)行選擇，減少管制員設(shè)備終端數(shù)量，提高工作效率，能夠有效保障飛行員、管制部門、機(jī)場(chǎng)保障部門、場(chǎng)面車輛之間地空話音通信。SCHMID 內(nèi)話系統(tǒng)是目前空管系統(tǒng)使用主流內(nèi)話系統(tǒng)之一，其席位采用了環(huán)路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)環(huán)路上某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或中斷時(shí)環(huán)路上的其他席位可以正常使用。內(nèi)話環(huán)路的設(shè)計(jì)對(duì)后期設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)以及環(huán)路故障時(shí)對(duì)管制的影響等兩方面起著重要的作用，本文從多個(gè)維度綜合考慮影響環(huán)路的設(shè)計(jì)各種因素，提出了內(nèi)話環(huán)路設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案，這對(duì)空管系統(tǒng)SCHMID 內(nèi)話系統(tǒng)建設(shè)時(shí)具有一定的參考價(jià)值，同時(shí)便于設(shè)備保障人員的后期維護(hù)。

2 SCHMID 內(nèi)話系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與技術(shù)原理

2.1 SCHMID 內(nèi)話系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

SCHMID ICS200/60 型內(nèi)話系統(tǒng)，使用了基于標(biāo)準(zhǔn)E1 2.048 Mbit/s PCM 總線的時(shí)分交換技術(shù)[1]，依靠強(qiáng)大的微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器，用軟件實(shí)現(xiàn)的最佳信號(hào)選擇和自動(dòng)發(fā)射機(jī)跟隨等頻率管理功能，大大減輕了管制部門的工作量，有效地提高了空中/地面通信的工作效率和安全性。SCHMID 系統(tǒng)由中央交換處理子系統(tǒng)、外部接口、席位、監(jiān)控維護(hù)子系統(tǒng)等設(shè)備組成，中央交換處理子系統(tǒng)是系統(tǒng)核心模塊，提供數(shù)據(jù)交換功能；外部接口單元是系統(tǒng)和外部數(shù)據(jù)交換的接口；席位單元是供管制員使用的終端設(shè)備；監(jiān)控單元對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控、維護(hù)和配置。外部接口單元通過(guò)2 Mbit/s E1 總線與服務(wù)器組相連，管制員席位通過(guò)雙2 Mbit/s E1 環(huán)路與服務(wù)器組相連，管理終端通過(guò)以太網(wǎng)LAN 與服務(wù)器組相連，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

圖1 SCHMID 內(nèi)話系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 E1 時(shí)隙與幀結(jié)構(gòu)

SCHMID 內(nèi)話系統(tǒng)是基于E1 時(shí)隙交換的語(yǔ)音通信系統(tǒng)，E1 系統(tǒng)是PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy，準(zhǔn)同步數(shù)字體系）體系中包含一種主要的通信系統(tǒng)，ITU-T建議的E1 系統(tǒng)主要應(yīng)用于歐洲，中國(guó)也采用E1 系統(tǒng)。E1 系統(tǒng)（30/32 路PCM 通信系統(tǒng)）是一個(gè)時(shí)分復(fù)用傳輸系統(tǒng)，每個(gè)用戶占用一個(gè)指定的時(shí)隙，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行通話。30/32 路PCM 通信系統(tǒng)基于G.711 語(yǔ)音編碼協(xié)議，抽樣周期為8 000 次/秒，采用A 律13 折線非均勻量化8 位編碼，單路語(yǔ)音信號(hào)的速率為64 Kbit/s。多路語(yǔ)音信號(hào)成幀時(shí)，每一秒鐘包括8 000 個(gè)幀，每一幀包括32個(gè)時(shí)隙（Time Slot：TS），其中30 個(gè)時(shí)隙用來(lái)傳輸話音，TS0 為同步時(shí)隙，TS16 用來(lái)傳輸信令。標(biāo)準(zhǔn)的E1 系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)符合ITU-T G.704 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如圖2 所示。

圖2 30/32 路PCM 通信系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

每一幀包括32 個(gè)時(shí)隙，而真正用來(lái)傳送話音信息的是30 路，把每16 幀叫作一個(gè)復(fù)幀。第0 幀（FO）的TS16 用作復(fù)幀同步，其它每一幀的TS16 傳送兩個(gè)話音通道的信令，每16 幀輪流傳送一次，可傳輸完所有30 個(gè)話路的信令。E1 信號(hào)1 個(gè)信道1 個(gè)時(shí)隙為8 bit，1 個(gè)信道1 秒鐘為8 000 s*8 bit=64 kbit/s，32 個(gè)信道1 秒鐘為64 kbps*32=2.048 Mbit/s。

2.3 SCHMID 內(nèi)話系統(tǒng)時(shí)隙分配機(jī)制

在SCHMID 內(nèi)話系統(tǒng)中，外部接口單元與服務(wù)器組相連的2 Mbit/s E1 的時(shí)隙分配方式為固定時(shí)隙分配，在接口機(jī)框添加板卡時(shí)通過(guò)軟件配置確定板卡中的業(yè)務(wù)所占的時(shí)隙。內(nèi)話席位通過(guò)冗余的雙2 Mbit/s E1 與雙服務(wù)器分別相連，內(nèi)話席位環(huán)路接口遵守G.703/G.704ITU_T 標(biāo)準(zhǔn)，按照PCM30/32 的定義，時(shí)隙0 被用于同步，時(shí)隙16用于隨路信令CAS，其他30 個(gè)時(shí)隙用于語(yǔ)音通信，兩個(gè)E1 線路總共60 個(gè)信道中，一個(gè)信道被用于數(shù)據(jù)傳輸，其他59 個(gè)用于話音傳輸[3]。數(shù)據(jù)傳輸信道使用64 Kbit/s 多點(diǎn)HDLC，用于配置數(shù)據(jù)下發(fā)、操作信息和狀態(tài)信息傳輸，協(xié)議符合主從原則，并通過(guò)通信服務(wù)器進(jìn)行管理。在內(nèi)話席位環(huán)狀連接的情況下，每一個(gè)內(nèi)話席位環(huán)最多能有50個(gè)席位，每個(gè)環(huán)至多支持59 個(gè)語(yǔ)音通道，環(huán)路時(shí)隙按照靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配相結(jié)合的方式進(jìn)行分配時(shí)隙的，即在環(huán)路中所有席位“Radio Page”中的無(wú)線信道分配固定的時(shí)隙，其他的時(shí)隙可動(dòng)態(tài)的分配給從“Radio Add Page”頁(yè)面中新添加到“Radio Page”的無(wú)線信道或新建立的電話通信。分配給無(wú)線信道的時(shí)隙通常被環(huán)上的所有席位共同使用，只占用環(huán)路中的1 個(gè)時(shí)隙。

3 內(nèi)話席位環(huán)路設(shè)計(jì)因素和原則

3.1 內(nèi)話席位環(huán)路設(shè)計(jì)需要考慮的因素

內(nèi)話席位環(huán)路的設(shè)計(jì)取決于席位數(shù)量、席位的位置分布、席位使用的無(wú)線通道數(shù)量、席位有線通信的話務(wù)量、系統(tǒng)的服務(wù)器資源、管制席位功能冗余等各種因素。

在內(nèi)話席位數(shù)量方面，席位配置根據(jù)《MHT4028.1-2021 民用航空空中交通管制服務(wù)地空通信設(shè)備配置第1部分：語(yǔ)音通信》規(guī)定，管制席位和備份席位應(yīng)配置兩套主用內(nèi)話系統(tǒng)席位設(shè)備[4]，在一個(gè)物理管制席位上兩套內(nèi)話席位中，一套內(nèi)話席位設(shè)備主要用于地空通信，指揮飛機(jī)，另外一套內(nèi)話席位設(shè)備主要用于地地通信，與其他管制區(qū)或航空公司進(jìn)行航班移交和電話協(xié)調(diào)，以進(jìn)近1 號(hào)扇區(qū)為例，主用內(nèi)話系統(tǒng)席位設(shè)置APP01A 和APP01B，APP01A 用于對(duì)空指揮，APP01B 用于電話協(xié)調(diào)。

在席位位置分布上，SCHMID 內(nèi)話席位分布于區(qū)域管制室、進(jìn)近管制室、塔臺(tái)管制室、飛行服務(wù)室、流量管理室、運(yùn)行管理中心、設(shè)備監(jiān)控機(jī)房等不同地點(diǎn)。內(nèi)話環(huán)路信號(hào)為E1 信號(hào)（接口阻抗120 歐姆），根據(jù)YDT5095《同步數(shù)字系列（SDH）長(zhǎng)途光纜傳輸工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，E1（2 Mbit/s）信號(hào)對(duì)于接口阻抗是120 歐，外護(hù)套單對(duì)/單管電纜外徑在5.0mm、單芯內(nèi)導(dǎo)體外徑0.6±0.01mm 時(shí)最大使用長(zhǎng)度為300 米。當(dāng)傳輸距離超過(guò)300 米時(shí)建議使用專門的傳輸設(shè)備進(jìn)行傳輸，如光端機(jī)、微波或SDH 光傳輸系統(tǒng)。區(qū)域管制室、進(jìn)近管制室、流量管制室、運(yùn)行管理中心距離中心機(jī)房?jī)?nèi)話系統(tǒng)服務(wù)器均不足300 米，可使用電纜直連方式；塔臺(tái)管制室和飛行服務(wù)室距航管小區(qū)超過(guò)3 公里，只能增加傳輸設(shè)備進(jìn)行E1 信號(hào)的傳輸。

在席位使用的無(wú)線通道方面，以某空管單位A 為例區(qū)域管制室共使用6 個(gè)主用頻率、2 備用頻率、2 個(gè)公共頻率和5 個(gè)短波頻率；進(jìn)近管制室共使用6 個(gè)主用頻率、3 備用頻率和2 個(gè)公共頻率；塔臺(tái)管制室共使用5 個(gè)主用頻率、2 備用頻率和1 個(gè)公共頻率。

在席位有線通信的話務(wù)量方面，除管制區(qū)內(nèi)各管制室的內(nèi)部電話協(xié)調(diào)外，區(qū)域管制室主要與周邊其他管制區(qū)、航空公司和其他空域用戶進(jìn)行電話協(xié)調(diào)；進(jìn)近管制室外部電話使用相對(duì)較少；塔臺(tái)管制室主要與機(jī)場(chǎng)、航空公司進(jìn)行電話協(xié)調(diào)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，某空管單位A 同一時(shí)間的電話通信連接不超過(guò)8 個(gè)。

在內(nèi)話系統(tǒng)的服務(wù)器資源方面，系統(tǒng)包含2 組互為熱備份的服務(wù)器，每組服務(wù)器最多可配置8 塊服務(wù)器卡，每塊服務(wù)器卡有24 個(gè)E1 接口，其中E1-1～E1-8 用于席位環(huán)路，E1-9～E1-24 用于連接外部接口單元。每塊服務(wù)器卡可提供2 個(gè)席位環(huán)路，每個(gè)環(huán)路最多可設(shè)置50 個(gè)內(nèi)話席位，系統(tǒng)席位的容量為8*2*50=800 個(gè)。但在實(shí)際建設(shè)中，服務(wù)器的配置要結(jié)合實(shí)際的席位需求和接入無(wú)線和有線資源的數(shù)量進(jìn)行配置，某空管單位A 主用內(nèi)話系統(tǒng)服務(wù)器組配置了4 塊服務(wù)器卡，可支持的最大環(huán)路數(shù)量為8 個(gè)。

管制席位功能冗余方面，在同一個(gè)席位，對(duì)空指揮席位和電話協(xié)調(diào)席位互為備用席位，可以通過(guò)席位分離功能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)管制員共用一個(gè)席位。同時(shí)根據(jù)不同管制室應(yīng)急接管方案，塔臺(tái)管制室不可用時(shí)，使用進(jìn)近管制室席位進(jìn)行指揮；進(jìn)近管制室不可用時(shí)，使用區(qū)域管制室席位進(jìn)行指揮；區(qū)域管制室不可用時(shí)，使用進(jìn)近管制室席位進(jìn)行指揮。

3.2 內(nèi)話環(huán)路設(shè)計(jì)原則

SCHMID 內(nèi)話系統(tǒng)環(huán)路的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要考慮的因素很多，設(shè)計(jì)的目的就是為了分散風(fēng)險(xiǎn)，便于維護(hù)，環(huán)路相關(guān)線路中斷或設(shè)備故障時(shí)對(duì)管制工作影響最小。為了達(dá)到這個(gè)目的，內(nèi)話席位環(huán)路設(shè)計(jì)建議遵循以下原則。

（1）按照管制席位位置劃分環(huán)路。各管制室與中心機(jī)房服務(wù)器的距離不同，傳輸方式也不同，位置相同或相近的席位配置在同一的環(huán)路上，可減少傳輸網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，有利于設(shè)備維護(hù)。根據(jù)此原則可以在塔臺(tái)管制室席位和飛行服務(wù)室席位各設(shè)置一個(gè)環(huán)路；區(qū)域管制室、進(jìn)近管制室和流量管理室距離較近，每個(gè)管制室即可單獨(dú)組成環(huán)路，又可混合組成多個(gè)環(huán)路。

（2）互為備份的席位配置在不同的環(huán)路上。在一個(gè)管制席位上對(duì)空指揮內(nèi)話席位和電話協(xié)調(diào)內(nèi)話席位是互為備份的，當(dāng)因一個(gè)環(huán)路故障，該環(huán)路上所有席位均不能正常使用時(shí)，可以使用本席位另一個(gè)內(nèi)話席位，確保管制工作的連續(xù)性。因此同一管制席位的兩臺(tái)內(nèi)話席位配置在不同的環(huán)路上可以避免因環(huán)路原因造成該管制席位的兩個(gè)內(nèi)話席位均不能使用的風(fēng)險(xiǎn)，提高了設(shè)備的冗余性。

（3）各環(huán)路資源應(yīng)均衡。環(huán)路資源的均衡不僅體現(xiàn)在環(huán)路席位數(shù)量上的均衡，還包括環(huán)路無(wú)線資源的均衡，其核心是確保各環(huán)路時(shí)隙數(shù)量和數(shù)據(jù)處理能力的均衡，提高系統(tǒng)的可靠性。在環(huán)路時(shí)隙方面，要進(jìn)行各環(huán)路時(shí)隙的計(jì)算，確保極端使用的情況下不會(huì)出現(xiàn)環(huán)路時(shí)隙飽和而不能正常通信的情況。極端使用的情況為環(huán)路所有席位配置的無(wú)線通路均在使用，環(huán)路所有席位均在進(jìn)行有線電話通話，計(jì)算方法為：N+MR＜59，其中N 為席位數(shù)量，MR為環(huán)路所有席位配置的無(wú)線通道之和，既包含席位“Radio Page”中的無(wú)線信道，也包含“Radio Add Page”中的無(wú)線信道，但不同席位無(wú)線通道相同的不重復(fù)計(jì)算。

（4）同一環(huán)路的左右環(huán)應(yīng)使用不同的傳輸設(shè)備和傳輸媒質(zhì)。SCHMID 內(nèi)話系統(tǒng)席位采用環(huán)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)單邊環(huán)路中斷時(shí)，環(huán)路中的席位可以正常工作。在環(huán)路遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，需要增加額外的傳輸設(shè)備，當(dāng)同一環(huán)路左、右環(huán)路均使用同一設(shè)備傳輸時(shí)，設(shè)備故障會(huì)造成左、右環(huán)路均中斷，環(huán)路所有席位均無(wú)法使用，這就使系統(tǒng)環(huán)路的冗余設(shè)計(jì)失去了意義。同時(shí)在條件允許的情況下，同一環(huán)路的左、右兩環(huán)可以使用不同的傳輸媒質(zhì)，如左環(huán)使用光纖傳輸，右環(huán)使用微波傳輸；左環(huán)使用光纖的東路由線路，右環(huán)使用光纖的西路由線路等。

（5）保持系統(tǒng)有一定的擴(kuò)展性。設(shè)計(jì)環(huán)路時(shí)要預(yù)留一定的接口資源，當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中需要增加席位或環(huán)路時(shí)進(jìn)行擴(kuò)環(huán)，確保系統(tǒng)具有一定的可擴(kuò)展性。

4 內(nèi)話席位環(huán)路的優(yōu)化方案

以空管單位A 主用內(nèi)話系統(tǒng)為例，系統(tǒng)共設(shè)置70 個(gè)內(nèi)話席位，每個(gè)服務(wù)器組配置了4 塊服務(wù)器卡，最大支持8 個(gè)環(huán)路，考慮到后期擴(kuò)展只使用了6 個(gè)環(huán)路，環(huán)路詳細(xì)設(shè)置圖3 所示。

圖3 主用內(nèi)話系統(tǒng)席位環(huán)路配置圖

區(qū)域管制室、進(jìn)近管制室共有51 個(gè)席位，共設(shè)有4個(gè)環(huán)路，環(huán)路均采用E1 環(huán)路線直接與內(nèi)話系統(tǒng)服務(wù)器相連，為保證傳輸效果，E1 環(huán)路線采用雙屏蔽的7 類雙絞線。區(qū)域進(jìn)近環(huán)1 共設(shè)有12 個(gè)席位，主要為進(jìn)近管制對(duì)空指揮席位；區(qū)域進(jìn)近環(huán)2 共設(shè)有13 個(gè)席位，主要為區(qū)域管制對(duì)空指揮席位；區(qū)域進(jìn)近環(huán)3 共設(shè)有13 個(gè)席位，主要為進(jìn)近管制電話協(xié)調(diào)席位；區(qū)域進(jìn)近環(huán)4 共設(shè)有13 個(gè)席位，主要為區(qū)域管制對(duì)空指揮席位。區(qū)域進(jìn)近4 個(gè)環(huán)路的席位數(shù)量基本相同，每個(gè)環(huán)路極限使用時(shí)隙均小于環(huán)路時(shí)隙容量，不會(huì)造成通信阻塞；同時(shí)區(qū)域進(jìn)近對(duì)空指揮席位和電話協(xié)調(diào)席位均不在同一個(gè)環(huán)路上，且環(huán)路也不在同一塊服務(wù)器板卡上，確保了環(huán)路中斷和單服務(wù)器板卡故障不會(huì)對(duì)整個(gè)管制席位的工作造成影響。塔臺(tái)管制室共有14個(gè)席位，由于位置原因單獨(dú)成環(huán)，塔臺(tái)環(huán)路的左環(huán)傳輸采用2M 倒換器（SDH+微波）與服務(wù)器A 相連，SDH 和微波為熱備份，同時(shí)設(shè)有SDH 的冷備鏈路，當(dāng)2M 倒換器故障時(shí)啟用冷備鏈路；塔臺(tái)環(huán)路的右環(huán)傳輸使用瑞斯康達(dá)光端機(jī)與服務(wù)器B 相連。飛行服務(wù)室共有5 個(gè)席位，由于位置原因也單獨(dú)成環(huán)，飛服環(huán)路的左環(huán)傳輸采用SDH 與服務(wù)器A 相連，同時(shí)設(shè)有光端機(jī)的冷備鏈路，當(dāng)SDH 鏈路中斷時(shí)啟用冷備鏈路；飛服環(huán)路的右環(huán)傳輸使用瑞斯康達(dá)光端機(jī)與服務(wù)器B 相連。

5 結(jié)論

內(nèi)話系統(tǒng)主要用于民航空中交通管制員的對(duì)空指揮和管制協(xié)調(diào)，是民航空管的核心設(shè)備。隨著航班量的不斷增加，管制員對(duì)內(nèi)話系統(tǒng)的依賴越來(lái)越強(qiáng)，如何保證內(nèi)話席位的正常使用成為設(shè)備維護(hù)人員重點(diǎn)思考的問(wèn)題。SCHMID 內(nèi)話系統(tǒng)席位的環(huán)路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)保障管制的正常使用有很大的作用，本文從基于E1 的時(shí)隙交換原理，結(jié)合多年運(yùn)行的實(shí)際，綜合考慮了環(huán)路設(shè)計(jì)的各種因素，提出了內(nèi)話席位環(huán)路的優(yōu)化建議方案，大大減少了環(huán)路單點(diǎn)設(shè)備故障對(duì)管制運(yùn)行的影響，對(duì)空管各設(shè)備運(yùn)行單位具有一定的借鑒作用。