Event-based radio signaling using the Session Initiation Protocol

Abstract

Durch den ständig ansteigenden Flugverkehr ist es notwendig, Fluglotsen bei ihren Aufgaben besser zu unterstützen. Dies kann durch Integration von Datendiensten in bestehende Sprachkommunikationssysteme (VCS) erreicht werden. Die Einführung eines auf dem Internet Protokoll (IP) basierten Netzwerkes für Sprach- und Datendienste erleichtert diese Integration.<br />In dieser Dissertation werden die Anforderungen an ein VCS analysiert und drei Dienste identifiziert: Telefonie, Funk und Daten. Diese werden in weiterer Folge als voneinander unabhängige Dienste betrachtet.<br />Dadurch ist es möglich, diese Dienste von einander getrennt zu entwickeln und Produkte anderer Hersteller zu integrieren. Diese Arbeit widmet sich hauptsächlich dem Funkdienst. Dabei ergibt sich durch Analyse der Randbedingungen eine Client/Server-basierte Architektur mit folgenden Komponenten: Lotsenarbeitsplatz, Funk-Server und Funk-Gateway.<br />Da der Funkkanal half-duplex ist, muss der Fluglotse den "Push-To-Talk"-Knopf (PTT) betätigen um einen Funkspruch abzusetzen.<br />Dieses PTT-Signal muss vom Arbeitsplatz bis zum Gateway übertragen werden. Dazu werden die bestehenden VoIP-Protokolle erweitert, um die PTT-Information zu übertragen. Die verschiedenen Lösungen werden untereinander verglichen und der SIP-basierte Ansatz zur Implementierung ausgewählt.<br />Es wird ein Arbeitsplatz mit elementarer Telefonie- und Funkfunktionalität, sowie ein Funk-Server, welcher den gleichzeitigen Zugriff mehrer Lotsen auf einen Kanal verwaltet, implementiert. Die Implementierung zeigt, dass sich SIP gut eignet um PTT- und dazugehörige zusätzliche Information zu übertragen. Messungen der Signalisierungsverzögerungen zeigen jedoch, dass innerhalb der Grenzwerte nur eine geringe Anzahl von Arbeitsplätzen über Kanalaktivitäten benachrichtig werden kann. Die Limitierung entsteht hierbei durch den SIP-Stack, welcher die SIP-Transaktion zu langsam generiert. Des Weiteren müssen die vorgestellten Redundanzkonzepte implementiert und bzgl. der Verfügbarkeitsanforderungen überprüft werden.<br />

The long-term growth of air traffic requires integrated audio and data services to improve the support of air traffic controllers. The use of an IP (Internet Protocol) based network for voice and data communication will ease this integration.<br />In this thesis, the requirements for voice communication systems for air traffic control (ATC) are obtained. This leads to the specification of a service environment which supports three types of services: data services, phone services, and radio services. The services are logically separated to enable disjoined development and integration of 3rd party products. The focus and main contribution of this thesis is on the radio part. The requirements of the radio service lead to a client/server based architecture consisting of operator positions, radio servers and radio gateways.<br />As the radio communication between operators and pilots is half duplex, they have to obey the listen-before-talk procedure and request radio transmissions by pressing the push-to-talk (PTT) button. The existing VoIP related protocols are extended to transport the PTT signals.<br />Different solutions are compared amongst each other and the most promising, the Session Initiation Protocol (SIP) based approach, is chosen for the prototype implementation.<br /> As proof of concept, an operator position and a radio server are implemented. Various delay measurements are performed to verify the implementation against the delay requirements. The concept is proven in general, but implementation details have to be improved to reach the performance requirements for large systems. Furthermore, the presented redundancy concepts have to be evaluated against the high availability requirements.