民航空管雷达数据网技术及其进展

1引言 研究与设计

民航空管雷达数据网技术及其进展 黄炜

(电子科技大学成都610054)

本文讨论了我国空管雷达数据全国联网建设的必要性,可行性,和需要解决的关键技术问题.

在分析雷达数据通信特点的基础上,结合我国国情,重点探讨了通信技术,治理模式的选择,网络

层次结构及性能指标,空管雷达数据网与ATN,IP网的关系等.本文探讨的民航专网技术问题,有 一

些也是全国各类行业性数据专网,VPN设计的共性问题. 关键诲妻据罔虚拟专圈≯空篱_lj航空电信网

美国和西欧早在十连年前就开始建设空管雷达数据网,并

信设备,初步建成了语音,电报通信网,可是关于重要的空管雷 达数据,至今还只能在小范围内传送和利用,没有实现全国联 网,与发达国家差距较大.随着中国加入m,对外交往扩大, 不仅飞机密度会成倍增加,而且对空管信息通信能力和治理水 平都提出了新的要求.因此,解决空管雷达数据联网问题,对改 善民航治理,提高飞行平安保障能力,提高运输效率和经济效益 都具有重要的意义.

要建设一个全国空管雷达数据传输网,必需第一解决的问 题是:依照空管雷达数据的特点,选择适当的通信技术,并对网 络的治理模式,层次结构及早做出统一计划.要避免设备,技

术,数据格式互不兼容,造成投资浪费. 2中国民航空管通信网现状

中国民航在空中交通管制的保障能力上,在京,沪,穗大三 角航线,从过去程序管制的150飞行距离,在雷达监控下缩 短到75,在北京,珠海,广州局部实现了和国际接轨的雷达

部许诺飞行密度高,而其它区域飞行密度的提高受到限制,迫切 需要实现空管雷达数据全国联网.

改革开放以来,民航空管设备,通信设备和雷达设备进展较 快.目前已拥有80多个空管雷达,38套管制中心设施,在 8000m以上航线已实现雷达覆盖.通信在x.25网络的基础上, 已将16个重要节点升级为帧中继节点,利用NCXFRS800互换

通信卫星地面站和97座数据通信地面站,组成了民航卫星数据 通信网.该网络在全国125个机场建有TES卫星站,在95个机 场建有PES卫星站,提供话音端口1200多个,数据端口1600 多个.购买了一个鑫诺一号卫星转发器,作为C波段卫星通信 网的空间段资源.

因此,从民航的空管设备,雷达设备和通信设备三方面条件 来看,已具有了成立全国空管雷达数据网的大体条件. 3空管雷达数据网

(1)ATN标准

ATN是一个全世界范围内的航空电信网.ATN中,任意两个 终端用户必需通过子网互连,整体的ATN是由机上电子设备子 网络,地体面网络和地倥子网络三种形式的子网络彼此连接组

求.ATN的优势是:整体化的航空电信网在设计和治理上都有 统一的标准,从而使得不同国家,不同航空公司,不同空管系统

都能实现信息互通和共享. (2)ATN与IP网的关系

地面航空部门已大体装备了局域网,并普遍利用TCP/IP协 议接入广域网.可是,ATN网络不是采纳TCP/IP协议,而是在第 四层采纳TP4协议,第三层采纳CLNP协议.

由于ATN的地面通信不用移动通信,改用固定IP网传送 ATN数据是超级经济的.为了解决ATN与IP结合这一问题,已 蔼= 研究与设计

经研制出TP4/TCP网关,原理结构如图1所示. A:rNTP4/TCPTCP, 终端系统网关终端系统 机载应用地面应用 软件协同工作功能软件 TP4TP4TCPGTWAPI CICIIPIP

子网络子网络子网络子网络 图1TP4/I'CP网关

(3)我国空管雷达数据网建设与ATN的关系

为了和国际接轨,我国民航已经决定将现有通信系统向 ATN过渡,因此在设计空管雷达数据网时必需考虑与ATN的关 系:考虑有两种方案:

方案一:若是民航打算在全国专门快建成ATN,那么空管雷达

达将取得的数据送人数据链路处置机进行处置,该处置机接入 空管中心局域网,通过ATN网关进入空管雷达数据网. 方案二:若是ATN要在全国普及还要推延几年,空管雷达 数据网可先于ATN建设,ATN启动后再慢慢转换到ATN. 随着能适应移动网络需要的I1~,6的成熟,TP4协议也有提

前退出历史舞台的可能.若是真的显现这种转折,我国晚几年 介入ATN或许还能减少本钱.

空管雷达数据通信的特殊性问题,可归纳为\"两个特点,八 个要求\即单向传输特点,数据有关性特点,实时性要求,数据 标准格式要求,信道靠得住性要求,全天候持续要求,带宽要求,传 输距离要求,利用广播技术要求和爱惜现有投资要求. (1)单向传输特点

空管雷达数据网的信息是从各空管雷达站单向传输到各空 管雷达数据接收点,信道可选择单向传输信道以节省费用: (2)数据序列相关性特点

由于同一目标的运动轨迹是持续的,因此其数据序列前后

术可将多部雷达对同一架飞机的观测数据归并. (3)实时性要求

空管雷达数据网数据用户可分为两类:高实时性用户,需要 直接指挥飞行的各高空,中低空管制区,全国流量操纵中心,总 调度室等;低实时性用户,数据效劳中心,总局相关部门,各航空 公司和其它利用单位. :疆===

鉴于我国通信现状,建议采纳两种传输标准:关于第一类用 户,采纳低时延(许诺50300rns)的链路来传输;关于第二类用 户,采纳长时延(许诺300rns10S)的链路来传输. (4)数据的标准格式传输要求

因为我国雷达设备多为入口,造成了数据格式各不相同的 现状.为实现联网,成立全国统一的数据格式标准是超级重要 的,我国民航已经确信采纳国际统一数据格式ASTERIX. 所有利用非标准格式的数据发送者和接收者都要安装数据 格式转换设备.

(5)数据靠得住性要求

为确保靠得住性,必需有冗余信源和信道:同一目标有至少两 个雷达同时观测,实现信源的冗余备份;每一个信道都必需采纳卫 星信道或地面的备份路由充当备份信道;一台雷达的数据送入 网络中两个不同节点. (6)全天候持续可用性要求

到检修,偶然故障等不可幸免的线路中断情形,还应有进一步的 应急方案.另外,在引入Intemet访问后,必需利用防火墙等措 施,严格按VPN的标准要求进行设计和治理 (7)带宽要求

通过计算,依照一地最多同时监测500架飞机计算,数据率 50kbit/s即可知足要求.加上附加信息后,建议所有传送一路空

中继骨干网带宽为128kbit/s,可知足雷达数据网的带宽需求. (8)传输距离要求

为了实现雷达数据的全国联网,网络应覆盖全国,传输距离 要求可达几千千米.可通过IP网,卫星信道来传输远距离数据,

的空管中心. (9)利用广播技术要求 一

网(web)来实现广播,可降低本钱并能够较快实现全国联网. (10)爱惜现有的网络设备投资要求

民航近几年来已投入资金进行数据通信网建设,应尽可能 在第一时期充分利用现有设备,如帧中继,卫星通信网等,使其 发挥应有的作用.

空管雷达数据网中所有节点可分为4个层次:

第_层,全国管制中心(北京)及—个备份中心(广州或上海); 第二层,除第一层外全国各高空管制区中心(8个); 第三层.除第一,二层外全国所有空管中心,航空公司及数 据用户:

第四层,所有雷达站.

地面骨干网由第一层,第二层节点组成,采纳网状拓扑结 构,以保证路由备份.

骨干网中任一节点与临近的第三,四层节点相连,组成接入 网,采纳以骨干网节点为中心的星型拓扑结构.

第四层节点与临近的第三层节点相连,采纳以第三层节点 点的路由

理论上说,不区分接入网与骨干网,也能实现雷达数据的传

空管雷达数据网应划分骨干网,接入网,并统一接入网和骨干网 的标准:各层次可灵活采纳不同的通信手腕,只要能保证与其 它层次通信时提供符合标准的数据和接口.

(1)传输速度

民航x.25网的传输速度是64kbit/s,帧中继网的传输速度 是128kbit/s.目前民航FR,x.25,卫星通信在传输速度方面都 能知足空管雷达数据传输的要求. (2)时延

空管雷达数据通信要求较高的实时性,因此传输时延是一 个重要的性能指标. 端到端时延 D=∑Sd+∑Ⅳd+ =

2XSfX(1/V+1/(CIR+EIR)+∑Ⅳd+

式中7':距离/光速,s1=帧的长度/链路速度,『vd由节点 的帧互换和排队时延组成.测试结果说明,在轻负荷情形下约为

入速度,许诺信息速度CIR,超过信息速度EIR,帧的长度为 Sf(bit).当CIR一按时,帧的长度越小时延越小;当帧长Sr必然 时,CIR越大,时延越小.

4集中与散布两种数据治理模式的选择 散布治理的优势是: ?

各空管中心能及时取得数据; ?

需要长距离传输的数据少; ?

骨干网上的数据流量小,降低了本钱: 其缺点是: ?

不便进行统一的治理; .

对远程数据的了解困难,无法进行大范围的雷达管制: 美国在位于华盛顿周围的马里兰州成立了\"地空数据中 心\采纳集中治理的优势是: 一皇堡堂鳖鲤 ?

能及时了解全国的情形,便于统一治理; ?

网络结构相对简单. 其缺点是: ?

骨干网的带宽要求高,本钱高; ?

数据都要通过中转,增加了时延.

我国通信费用比美国高而飞行流量小于美国,因此分摊到 每张机票的通信本钱远大于美国,目前完全采纳集中治理不够 经济.可是,全采纳散布治理模式又不能达到改善大范围空中 交通治理的目的.因此,建议先采纳散布与集中相结合的方案, 要点是:关于实时性要求高的本区,临近区空管指挥应用,采纳 散布治理模式;关于全国管制中心所需数据,采纳集中治理模 式;关于实时性要求不高的部份远程应用,采纳集中治理模式. 这种模式比较符合我国当前实际,以后随着通信的进步和费用 的降低,再慢慢向集中模式过渡. 5民航数据通信目前已采纳技术的分析

利用民航现有通信设备可否在短时间内实现空管雷达数据的 联网,究竟应采纳何种技术,这些问题都需要在分析对照的基础 上作出回答. (1)帧中继技术

帧中继采纳虚电路技术,仅完成物理层和链路层的核心功

件保证了传输不易犯错,即便有少量错误也可由高智能化终端

网络中发送多路广播的方式是\"多路广播帧中继\"效劳. 其不足的地方是:很难知足以后带宽进展的需求. (2)ATM技术

ATM技术是一种高速度,低延迟的多路复用和互换技术, 由于采纳53字节的固定信元互换,ATM既具有分组互换的可 调带宽的优势,又具有电路互换低时延的优势. 其不足的地方是:互换机的本钱较高. (3)x,25技术

接入链路可不做修改地利用.传送速度64kbit/s,作为接入网信 道,可知足带宽需要.

x.25网作为骨干网技术已经淘汰,可是可效劳于雷达数据 网的接入网.

(4)三种地面通信技术的一样比较

民航现有三种地面通信技术的比较如表1所示.

经建成帧中继网络,除增加备用路由外,不需要增加专门大投资, =:匿== 研究与设计

就能够取得明显成效.同时应看到,更先进的网络技术已经登场 因此最好是发挥现有设备作用,而再也不增加帧中继设备: 划,信息发布等多种功能.中央效劳器对数据进行分析,预测,

表1民航三种地面通信技术的比较

(5)卫星通信

用民航卫星通信系统的同步卫星信道传送数据,当通信距 离超过800km以上时,卫星通信的优势随距离的增加而加大 雷达数据通信要求地面信道应有备份,卫星信道可充当备 份之一:另外,用卫星可方便地实现广播功能用卫星传送的缺 点是时延较长,单跳最大时延280ms. 6以后空管雷达数据网 (1)网络通信技术进展趋势

随着光纤技术的进展,基于DWDM的光传输网将成为网络 的要紧基础.接入采纳SDH等技术,最终实现光纤到户. 通信技术的效劳目标将转移到Intemet用户,IP用户和 数字移动用户.由于TCP/IP是唯一可为\"三网合一\"中三大网共

同同意的协议,IPv6最有可能成为以后一段时刻的主导上层协 议:因此空管数据通信可慢慢向IP网过渡.先把靠得住性,实时性 要求不高的业务转到IP网上,以后随着网络性能的提高再把重 要的业务转移到IP网上来. (2)行业专网设计中的技术决策

我国正在建设的各类行业专网,如民航,铁路,税务,银行,公 安等,在设计中普遍碰到的一个问题确实是选择什么通信技术更 好:咱们要分析通信技术进展的趋势,做到经济,适用,符合技术

随着大容量光纤通信网的建成和VPN技术的成熟,各个行业通信 网络建设的重点将要转移到接入网和VPN建设上来. (3)以后中国空管雷达数据网

中国空管雷达数据网将慢慢向IP技术,光纤技术为主的方 向进展,进展成为智能化飞机监测,指挥,调度网络?传输标准 格式采纳ASTERIXCatego~062数据格式,不仅能表示飞机位 置,还能表示速度,航向,起降机场等相关信息:全国各地数据经 IP网传到北京数据中心集中处置后,不仅可在大屏上看到全国 所有航线上的飞机位置,还可实现流量集中治理,统计,预测,计 {S

用户依照权限可取 得国内外任何地域

心能够快速处置包 含位置,速度,航 向,呼唤信号,起飞 机场,降落机场,起 飞时刻等信息的大 量数据,及时指挥

飞行,操纵流量和安排飞行打算.不仅能有效避免事故的发生,

还能大大提高运营效率.

以后雷达数据网将与ADS(基于卫星定位的自动相关监测 系统),s模式二次空管雷达等系统结合成一体,其名称也改成 \"空管监测数据网\如图2所示.其要紧特点是:实现了全国各 个高空,低空管制区和军航,民航,防空系统数据共享;实现了网 络集中治理模式;能实时综合处置ADS,一般雷达,S模式空管 雷达数据,并能了解国外飞机,机场和航线的动态. 制区中心

图2新一代民航空管监测数据图 7终止语

空管雷达数据全国联网是我国民航治理实现现代化的重要 标志,是实现全国范围雷达管制,提高空中交通治理水平的关 键.从民航雷达,空管,通信设施的条件来看,实现全国联网不 仅是必要的,而且是可行的.

我国空管雷达数据网目前应采纳集中和散布治理相结合的 模式,以后慢慢向集中治理模式过渡.骨干网应采纳网状结构,

准,其它应用采纳长时延标准.通信技术的选择,目前可考虑利 研究与设计

cdma2000lx组网及与lxEV-DO网共存的研究 赵小江张奇蒋纯赵新建z

(1.浙江省邮电计划设计研究院移动通信设计研究所杭州310014: 2.浙江工业大学省光纤通信重点实验室杭州310014) 嚼篙昙嵩器 切换问题. 酾翱蓊

1~1-'-验,而且相当做功.

目前中国联通一期工程所建设的CDMA网络是IS-95A网 络,属于移动通信中的二代技术,接下来,中国联通将要重点发

验网,能提供153.6kbit/s的峰值数据速度,和更高的话音容 量,容量增加了1.5倍.最重要的是,1x能给用户提供更宽的带 宽,用户利用lx移动网能够实现大体短消息,增值短消皂,,无线

前演进,是1xE,r-D0,能提供更高速度的数据业务包括视频流服 务等:此刻国外很多运营商和厂家都已开始lxEV-DO网络的试 21x无线网络

和IS-95系统相较1x系统支持分组数据业务,在网络结构 上关键是增加了核心网分组域,无线部份相应增加一个分组控 制功能(PcF)模块.1x无线网络的组成如图1所示,1x无线子系 统中要紧包括BTS,BSC和PCF等节点,涉及的接13有A1/A2,

和节点为:A8接口:传输BS和PCF之间的用户业务;A9接口: 传输Bs和PCF之间的信令信息;A10接口:传输PCF和PDSN 用现有帧中继互换设备.运算机模拟结果说明,帧中继网络的 时延指标可知足传输雷达数据的要求.

在设计以后空管监测数据网的时候,应符合全光,全IP网 络的整体方向,具有综合处置ADS,S模式雷达数据的能力,并 应注意处置好与ATN网络标准的关系,以利于与国际接轨. AeronauticAirTrafficControlRadarDataNetworkTechnology HuangWei

(UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu610054)

AbstractThenecessityandfeasibilityofaeronauticairtrafficcontrolradardatanetworkofChinaisputforward,andtherelatedkeytechnical

SUbjectsarediscUSsed.Westressontheselectionofcommunicationtechnologies,theselectionofthemodesofmanagement,thestructuredesign

networkisalsoconsidered,S0meoftheabovesubjectsareimportantcommonissuesforkinds

ofnationalVPNandspecialnetworks,too.

Keywordsdatanetwork,VPN,ATC,radar,ATN(收稿日期:2002—04—18) 三勇曩曼: 醴理

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