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基于 VOIP 的语音通信系统设计

来源:《中国高新科技》期刊    时间:2021-04-07    

  0 引言

  随着人们生活水平的提高,我国机场越来越多,航线越来越多。2019年底我国境内运输机场有238个,仅2019年一年我国机场全年旅客吞吐量就超过13亿人次,飞机起降1166万架次。在繁忙的航线中,语音通信系统的作用不可缺少,语音通信一直是空中和地面沟通的主要方式。

  当前信息时代下,信息交流的方式很多,空中和地面的交流方式也不断增加,自动化程度日益提高,但语音通信依然是其他交流方式所无法取代的。特别是遇到紧急情况时,语音通信的作用更加凸显。随着信息技术的发展,语音通信系统也在不断完善和改进,系统稳定性不断提高,为空中管制中心提供高质量、高水平的语音通信保障。文中设计了一款专门应用在空中交通管制中心的语音通信系统,为空中交通管制中心提供高质量的语音通信服务。

  1 系统需求分析

  航空体系中,空中交通管制中心是关键的机构部门,专门负责向飞行器发出各项指令,确保飞行安全。空中交通管制中心对外交流中,语音通信是一种方便、快捷、迅速的通信方式,也是一种重要方式。该语音通信系统按照欧洲ED137系列标准设计,并结合我国民航技术规范要求,对系统的功能、性能进行了设计。该系统可以与空管系统的技术监控、时统服务器和话音/数据记录设备互连,同时可与外部IP网络和外部PSTN网络互连。根据空中交通管制中心工作需要,语音通信系统应满足管制员内部通信、外部通信、无线通信的需求,完成日常工作的飞机指挥调度。

  1.1地-地语音通信功能需求

  地-地语音通信功能主要满足了语音通信系统与地面各管制机构人员之间的通信需求。比如遇到突发事件或恶劣天气,飞行情况有变化时需要及时与气象、运保、放行等地面工作人员进行协调,此时就需要通过地-地语音通信功能进行联系。空中交通管制中心和地面各管制机构人员通信时,可以通过语音通话、直通呼叫、强插通话、优先通话等功能进行交流。不同的语音通信方式有不同的含义,正常交流时可以采用语音通话、直通呼叫等。当遇到特殊情况时可以选择强插通话、优先通话等形式。航空行业本身受外界影响因素较大,地-地语音通信功能设计出多种通信方式,满足不同情况下地-地通信需求。

  1.2地-空语音通信功能需求

  在飞行过程中,同样会遇到很多突发事件,如天气影响、航空管制、飞行器故障等,这些因素都对航空飞行安全有较大的影响。空中飞行的飞行器,一直在空中交通管制中心的“视线范围”内,当遇到特殊情况,需要与地面进行沟通协调时,使用语音通信系统进行联系,这也为飞行安全奠定了良好基础。为了满足空中交通管制中心和飞行器的联系,还需要对地空语音通信功能进行设计。空中交通管制中心和飞行器的通信方式也较多,应答机、无线电等手段是飞行器和地面联系的主要方式。因此在地空语音通信功能中,需要满足电台收发、电台监听、侧音控制、无线信道延时、PTT故障保护、比选、频率耦合等功能需求,以实现空中交通管制中心和飞行器的联系。

  1.3席位通信单元设置功能需求

  空中交通管制中心在空中交通管制时,根据业务不同,有不同的席位配置,如地面、放行、起降、区调、进近等是基本的席位,每个席位配有席位通信单元。席位通信单元是空中交通管制中心和飞行器通信所使用的设备,因此系统设计中对该功能进行设计满足席位通信需求。席位通信需求中,设置了角色选择、按键配置、扬声器/耳机切换、合并/分离、短时录音回放、录音、远程录音监听、通道音量调节、铃音选择、铃音关闭、呼叫记录、状态自检等,满足席位通信中的不同通信需求。

  1.4性能需求分析

  语音通信系统除了满足功能需求外,还应满足性能需求,即功能需求以外的其他需求。该语音通信系统主要应用在空中交通管制中心中,系统应具有良好的性能,如时间性能、可用性等。

  (1)时间性能。语音通信系统为空中交通管制中心和飞行器提供通信服务,二者之间的联系关系着航行安全,因此对系统时间性能提出了较高要求,系统应在较短的时间内进行响应。本文设计的语音通信系统时间性能要求为:PTT传输延时应在50ms内,话音传输延时不应超过80ms;地-地通信建立时间应控制在100ms内;中央处理子系统切换时间控制在60ms以内。

  (2)可用性。语音通信系统主要应用在空中交通管制中心,能为空中交通管制中心和飞行器的联系提供通信服务,因此系统应具有良好的可用性。本文设计的语音通信系统可用性主要表现为:平均无故障工作时间(MTBF)不小于30000h;平均修复时间(MTTR)控制在30min内;可靠性大于99.999%。

  (3)安全性。作为空中交通管制中心和飞行器联系的主要通信方式,语音通信系统还应具有良好的安全性,每位系统用户都在其系统应用权限范围内正常应用系统,为飞行器提供准确的飞行态势,保证飞机飞行的安全性。安全性方面主要是通过用户管理功能、系统监控等功能实现。

  2 系统功能设计

  2.1系统硬件设计

  语音通信交换系统是为空中交通管制中心等大型自动化系统设计的专用通信设备。该系统采用基于VOIP技术体制的集中式网络控制与模块式分散独立相结合的体系结构,将系统内各个组成部分有机融合,具体包括:中央处理子系统(双语音服务器)、线路接口单元、席位通信单元、监控维护子系统、普通电话单机、供电系统、配线系统和网络交换机等,如图1所示。


图1  系统硬件设计

  该语音通信系统中短时录音要求席位通信单元支持2~30min的本席位通信单元话音记录。系统中铃流和信号音均符合GB3380-1982的要求,具体为:①铃流电平为交流75±15V,频率为25±3Hz;②拨号音频率为450±25Hz的连续正弦信号;③回铃音频率为450±25Hz的连续正弦信号,占空比为1s:4s;④终端遇忙音频率为450±25Hz的连续正弦信号,占空比为0.35s:0.35s;⑤中继遇忙音频率为450±25Hz的连续正弦信号,占空比为0.7s:0.7s。

  手持式麦克风采用国内国际民航空管领域广泛使用的Imtradex品牌产品,其性能参数为:①频率范围:20~16000Hz;②模式:动圈式;③灵敏度:-36dBV/Pa,1000Hz;④阻抗:2200Ω;⑤PTT控制输出:放空或接地。

  2.2系统软件设计

  本文使用C++编程语言进行系统开发,系统包含功能有系统管理、权限管理、功能管理、通信管理。采用UML建模技术进行通信管理功能设计,系统通信协议主要有:①用户侧协议,支持Q.921/Q.931、SIP、RTP等;②中继侧协议,支持PRI、SS1、SS7、SIP、RTP等信令标准;③网络协议,支持ED137B、SIP、RTP、Telnet、TFTP等协议。

  由图2可知,通信类包含Letter_agreement、Letter_agreementBLL、Letter_agreementDALL、Letter_agreementMoble,分别用于通信类界面管理、通信类业务逻辑管理、通信类数据库管理和通信类数据集管理,实现通信信息添加、查询、修改、删除等功能。


图2  系统通信类图

  2.3数据库设计

  语音交互信息使用开源MySQL、SQLite数据库进行数据存储。MySQL数据库、SQLite数据库分别用于网络数据存储和单片机数据存储,MySQL网络数据主要为用户信息表、语音信息表,SQLite单片机数据主要为语音信息表。表1为用户信息表,表2为语音信息表。


表1  用户信息表


表2 语音信息表

  3 结语

  本文所设计的语音通信系统已广泛应用到军民航各级管制中心系统、C4I指控系统、国家飞行流量监控中心、民航应急备份系统、模拟训练系统、运行保障系统等领域,在自动化管理中发挥重要作用。

作者:王 乾 (中国电子科技集团公司第二十八研究所)

本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第24期

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