SCHMID 语音通信交换系统席位环路优化设计方案

［李自义］

1 引言

空中交通管制语音交换系统（air traffic control voice communication switching system），又称空管内话系统，是航空运输中最主要、最基本的保障手段，直接关系到航空运输安全性和可靠性。内话系统通过对有线通信、无线通信等资源的有机集成，为管制人员提供统一、便捷的操作手段，使其可以在一个界面上对需要使用的频率或者电话进行选择，减少管制员设备终端数量，提高工作效率，能够有效保障飞行员、管制部门、机场保障部门、场面车辆之间地空话音通信。SCHMID 内话系统是目前空管系统使用主流内话系统之一，其席位采用了环路的拓扑结构，当环路上某一节点出现故障或中断时环路上的其他席位可以正常使用。内话环路的设计对后期设备的运行维护以及环路故障时对管制的影响等两方面起着重要的作用，本文从多个维度综合考虑影响环路的设计各种因素，提出了内话环路设计的优化方案，这对空管系统SCHMID 内话系统建设时具有一定的参考价值，同时便于设备保障人员的后期维护。

2 SCHMID 内话系统结构与技术原理

2.1 SCHMID 内话系统结构

SCHMID ICS200/60 型内话系统，使用了基于标准E1 2.048 Mbit/s PCM 总线的时分交换技术[1]，依靠强大的微处理器和数字信号处理器，用软件实现的最佳信号选择和自动发射机跟随等频率管理功能，大大减轻了管制部门的工作量，有效地提高了空中/地面通信的工作效率和安全性。SCHMID 系统由中央交换处理子系统、外部接口、席位、监控维护子系统等设备组成，中央交换处理子系统是系统核心模块，提供数据交换功能；外部接口单元是系统和外部数据交换的接口；席位单元是供管制员使用的终端设备；监控单元对系统进行监控、维护和配置。外部接口单元通过2 Mbit/s E1 总线与服务器组相连，管制员席位通过双2 Mbit/s E1 环路与服务器组相连，管理终端通过以太网LAN 与服务器组相连，系统结构如图1 所示[2]。

图1 SCHMID 内话系统结构

2.2 E1 时隙与帧结构

SCHMID 内话系统是基于E1 时隙交换的语音通信系统，E1 系统是PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy，准同步数字体系）体系中包含一种主要的通信系统，ITU-T建议的E1 系统主要应用于欧洲，中国也采用E1 系统。E1 系统（30/32 路PCM 通信系统）是一个时分复用传输系统，每个用户占用一个指定的时隙，在规定的时间内，进行通话。30/32 路PCM 通信系统基于G.711 语音编码协议，抽样周期为8 000 次/秒，采用A 律13 折线非均匀量化8 位编码，单路语音信号的速率为64 Kbit/s。多路语音信号成帧时，每一秒钟包括8 000 个帧，每一帧包括32个时隙（Time Slot：TS），其中30 个时隙用来传输话音，TS0 为同步时隙，TS16 用来传输信令。标准的E1 系统的帧结构符合ITU-T G.704 标准规范，如图2 所示。

图2 30/32 路PCM 通信系统帧结构

每一帧包括32 个时隙，而真正用来传送话音信息的是30 路，把每16 帧叫作一个复帧。第0 帧（FO）的TS16 用作复帧同步，其它每一帧的TS16 传送两个话音通道的信令，每16 帧轮流传送一次，可传输完所有30 个话路的信令。E1 信号1 个信道1 个时隙为8 bit，1 个信道1 秒钟为8 000 s*8 bit=64 kbit/s，32 个信道1 秒钟为64 kbps*32=2.048 Mbit/s。

2.3 SCHMID 内话系统时隙分配机制

在SCHMID 内话系统中，外部接口单元与服务器组相连的2 Mbit/s E1 的时隙分配方式为固定时隙分配，在接口机框添加板卡时通过软件配置确定板卡中的业务所占的时隙。内话席位通过冗余的双2 Mbit/s E1 与双服务器分别相连，内话席位环路接口遵守G.703/G.704ITU_T 标准，按照PCM30/32 的定义，时隙0 被用于同步，时隙16用于随路信令CAS，其他30 个时隙用于语音通信，两个E1 线路总共60 个信道中，一个信道被用于数据传输，其他59 个用于话音传输[3]。数据传输信道使用64 Kbit/s 多点HDLC，用于配置数据下发、操作信息和状态信息传输，协议符合主从原则，并通过通信服务器进行管理。在内话席位环状连接的情况下，每一个内话席位环最多能有50个席位，每个环至多支持59 个语音通道，环路时隙按照静态分配和动态分配相结合的方式进行分配时隙的，即在环路中所有席位“Radio Page”中的无线信道分配固定的时隙，其他的时隙可动态的分配给从“Radio Add Page”页面中新添加到“Radio Page”的无线信道或新建立的电话通信。分配给无线信道的时隙通常被环上的所有席位共同使用，只占用环路中的1 个时隙。

3 内话席位环路设计因素和原则

3.1 内话席位环路设计需要考虑的因素

内话席位环路的设计取决于席位数量、席位的位置分布、席位使用的无线通道数量、席位有线通信的话务量、系统的服务器资源、管制席位功能冗余等各种因素。

在内话席位数量方面，席位配置根据《MHT4028.1-2021 民用航空空中交通管制服务地空通信设备配置第1部分：语音通信》规定，管制席位和备份席位应配置两套主用内话系统席位设备[4]，在一个物理管制席位上两套内话席位中，一套内话席位设备主要用于地空通信，指挥飞机，另外一套内话席位设备主要用于地地通信，与其他管制区或航空公司进行航班移交和电话协调，以进近1 号扇区为例，主用内话系统席位设置APP01A 和APP01B，APP01A 用于对空指挥，APP01B 用于电话协调。

在席位位置分布上，SCHMID 内话席位分布于区域管制室、进近管制室、塔台管制室、飞行服务室、流量管理室、运行管理中心、设备监控机房等不同地点。内话环路信号为E1 信号（接口阻抗120 欧姆），根据YDT5095《同步数字系列（SDH）长途光缆传输工程设计规范》，E1（2 Mbit/s）信号对于接口阻抗是120 欧，外护套单对/单管电缆外径在5.0mm、单芯内导体外径0.6±0.01mm 时最大使用长度为300 米。当传输距离超过300 米时建议使用专门的传输设备进行传输，如光端机、微波或SDH 光传输系统。区域管制室、进近管制室、流量管制室、运行管理中心距离中心机房内话系统服务器均不足300 米，可使用电缆直连方式；塔台管制室和飞行服务室距航管小区超过3 公里，只能增加传输设备进行E1 信号的传输。

在席位使用的无线通道方面，以某空管单位A 为例区域管制室共使用6 个主用频率、2 备用频率、2 个公共频率和5 个短波频率；进近管制室共使用6 个主用频率、3 备用频率和2 个公共频率；塔台管制室共使用5 个主用频率、2 备用频率和1 个公共频率。

在席位有线通信的话务量方面，除管制区内各管制室的内部电话协调外，区域管制室主要与周边其他管制区、航空公司和其他空域用户进行电话协调；进近管制室外部电话使用相对较少；塔台管制室主要与机场、航空公司进行电话协调。经过长期的统计结果，某空管单位A 同一时间的电话通信连接不超过8 个。

在内话系统的服务器资源方面，系统包含2 组互为热备份的服务器，每组服务器最多可配置8 块服务器卡，每块服务器卡有24 个E1 接口，其中E1-1～E1-8 用于席位环路，E1-9～E1-24 用于连接外部接口单元。每块服务器卡可提供2 个席位环路，每个环路最多可设置50 个内话席位，系统席位的容量为8*2*50=800 个。但在实际建设中，服务器的配置要结合实际的席位需求和接入无线和有线资源的数量进行配置，某空管单位A 主用内话系统服务器组配置了4 块服务器卡，可支持的最大环路数量为8 个。

管制席位功能冗余方面，在同一个席位，对空指挥席位和电话协调席位互为备用席位，可以通过席位分离功能实现两个管制员共用一个席位。同时根据不同管制室应急接管方案，塔台管制室不可用时，使用进近管制室席位进行指挥；进近管制室不可用时，使用区域管制室席位进行指挥；区域管制室不可用时，使用进近管制室席位进行指挥。

3.2 内话环路设计原则

SCHMID 内话系统环路的设计是一个复杂的过程，需要考虑的因素很多，设计的目的就是为了分散风险，便于维护，环路相关线路中断或设备故障时对管制工作影响最小。为了达到这个目的，内话席位环路设计建议遵循以下原则。

（1）按照管制席位位置划分环路。各管制室与中心机房服务器的距离不同，传输方式也不同，位置相同或相近的席位配置在同一的环路上，可减少传输网络的复杂性，有利于设备维护。根据此原则可以在塔台管制室席位和飞行服务室席位各设置一个环路；区域管制室、进近管制室和流量管理室距离较近，每个管制室即可单独组成环路，又可混合组成多个环路。

（2）互为备份的席位配置在不同的环路上。在一个管制席位上对空指挥内话席位和电话协调内话席位是互为备份的，当因一个环路故障，该环路上所有席位均不能正常使用时，可以使用本席位另一个内话席位，确保管制工作的连续性。因此同一管制席位的两台内话席位配置在不同的环路上可以避免因环路原因造成该管制席位的两个内话席位均不能使用的风险，提高了设备的冗余性。

（3）各环路资源应均衡。环路资源的均衡不仅体现在环路席位数量上的均衡，还包括环路无线资源的均衡，其核心是确保各环路时隙数量和数据处理能力的均衡，提高系统的可靠性。在环路时隙方面，要进行各环路时隙的计算，确保极端使用的情况下不会出现环路时隙饱和而不能正常通信的情况。极端使用的情况为环路所有席位配置的无线通路均在使用，环路所有席位均在进行有线电话通话，计算方法为：N+MR＜59，其中N 为席位数量，MR为环路所有席位配置的无线通道之和，既包含席位“Radio Page”中的无线信道，也包含“Radio Add Page”中的无线信道，但不同席位无线通道相同的不重复计算。

（4）同一环路的左右环应使用不同的传输设备和传输媒质。SCHMID 内话系统席位采用环路拓扑结构，当单边环路中断时，环路中的席位可以正常工作。在环路远距离传输时，需要增加额外的传输设备，当同一环路左、右环路均使用同一设备传输时，设备故障会造成左、右环路均中断，环路所有席位均无法使用，这就使系统环路的冗余设计失去了意义。同时在条件允许的情况下，同一环路的左、右两环可以使用不同的传输媒质，如左环使用光纤传输，右环使用微波传输；左环使用光纤的东路由线路，右环使用光纤的西路由线路等。

（5）保持系统有一定的扩展性。设计环路时要预留一定的接口资源，当运行过程中需要增加席位或环路时进行扩环，确保系统具有一定的可扩展性。

4 内话席位环路的优化方案

以空管单位A 主用内话系统为例，系统共设置70 个内话席位，每个服务器组配置了4 块服务器卡，最大支持8 个环路，考虑到后期扩展只使用了6 个环路，环路详细设置图3 所示。

图3 主用内话系统席位环路配置图

区域管制室、进近管制室共有51 个席位，共设有4个环路，环路均采用E1 环路线直接与内话系统服务器相连，为保证传输效果，E1 环路线采用双屏蔽的7 类双绞线。区域进近环1 共设有12 个席位，主要为进近管制对空指挥席位；区域进近环2 共设有13 个席位，主要为区域管制对空指挥席位；区域进近环3 共设有13 个席位，主要为进近管制电话协调席位；区域进近环4 共设有13 个席位，主要为区域管制对空指挥席位。区域进近4 个环路的席位数量基本相同，每个环路极限使用时隙均小于环路时隙容量，不会造成通信阻塞；同时区域进近对空指挥席位和电话协调席位均不在同一个环路上，且环路也不在同一块服务器板卡上，确保了环路中断和单服务器板卡故障不会对整个管制席位的工作造成影响。塔台管制室共有14个席位，由于位置原因单独成环，塔台环路的左环传输采用2M 倒换器（SDH+微波）与服务器A 相连，SDH 和微波为热备份，同时设有SDH 的冷备链路，当2M 倒换器故障时启用冷备链路；塔台环路的右环传输使用瑞斯康达光端机与服务器B 相连。飞行服务室共有5 个席位，由于位置原因也单独成环，飞服环路的左环传输采用SDH 与服务器A 相连，同时设有光端机的冷备链路，当SDH 链路中断时启用冷备链路；飞服环路的右环传输使用瑞斯康达光端机与服务器B 相连。

5 结论

内话系统主要用于民航空中交通管制员的对空指挥和管制协调，是民航空管的核心设备。随着航班量的不断增加，管制员对内话系统的依赖越来越强，如何保证内话席位的正常使用成为设备维护人员重点思考的问题。SCHMID 内话系统席位的环路结构的优化设计对保障管制的正常使用有很大的作用，本文从基于E1 的时隙交换原理，结合多年运行的实际，综合考虑了环路设计的各种因素，提出了内话席位环路的优化建议方案，大大减少了环路单点设备故障对管制运行的影响，对空管各设备运行单位具有一定的借鉴作用。