Contrôle du trafic aérien en Europe sur le chemin de la Voix sur IP

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1 Contrôle du trafic aérien en Europe sur le chemin de la Voix sur IP Les systèmes de communication vocale seront également à l avenir indispensables pour la sécurité du transport aérien en Europe. Mais le développement fulgurant en matière de technologie fait que des voies entièrement nouvelles s ouvrent aux techniques de contrôle de la navigation aérienne, lesquelles étant soumises aux plus hautes exigences de sécurité sont testées avec circonspection. Extensibles via logiciel et capables de gérer plusieurs technologies de communication, les radios de la famille R&S Series4200 facilitent cette migration prudente. Technologie confirmée en cours d évolution Tous les vols effectués selon les règles de vol aux instruments (Instrumental Flight Rules IFR) nécessitent une liaison vocale permanente entre les pilotes et les contrôleurs aériens. Les communications vocales constituent donc l un des grands principes de fonctionnement de la navigation aérienne. La base technique à cet effet est un réseau radioélectrique qui assure une couverture nationale et indépendante de l altitude pendant toutes les phases de vol. Des stations radio équipées d émetteurs-récepteurs et des composants RF associés tels que filtres d émission / réception, coupleurs et antennes sont installées sur des sites appropriés d un point de vue radioélectrique comme par exemple les aéroports ou les cimes de montagnes. Selon les besoins opérationnels, chaque site dispose d un nombre plus ou moins important de canaux radio accompagnés des installations d appareils en quantité correspondante. Pour assurer la disponibilité d un composant du système de radiocommunication en cas de défaillance, des appareils supplémentaires sont installés en redondance. Les installations radio et les postes de travail des contrôleurs aériens (Controller Working Position CWP) sont rattachés au système de communication vocale terrestre (Voice Communication System ). Le relie de manière dynamique ou semi-permanente le poste de travail du contrôleur aérien à l équipement radio, de sorte que l aiguilleur du ciel peut travailler sur la fréquence attribuée à son secteur. L affectation d un CWP à un canal radio peut changer en fonction de 42

2 l heure du jour et du volume de trafic. D un point de vue technique et organisationnel, les secteurs peuvent également être pris en charge par des contrôleurs aériens opérant sur un autre site. La connexion des équipements et des postes des contrôleurs aériens, à savoir le lien entre les différents nœuds de commutation vocale, est effectuée via une ligne téléphonique analogique ou via des lignes de transmission numérique de 2 Mbit/s selon la norme ITU-T G.703. Les lignes de transmission pour le raccordement des stations de base sont généralement louées par les services de contrôle du trafic aérien à un opérateur de télécommunications. En Europe cependant, depuis plusieurs années déjà, de nombreux opérateurs ne proposent plus de lignes analogiques, celles-ci étant quasiment impossibles à exploiter économiquement. En outre, les systèmes de transmission numérique utilisés pendant de nombreuses années, comme le PDH (hiérarchie numérique plésiochrone) et le SDH (hiérarchie numérique synchrone), ne seront très prochainement plus disponibles pour raccorder les stations radio distantes au système de commutation téléphonique. Des alternatives sont donc nécessaires dont une pratiquement disponible : la Voix sur IP (VoIP) qui s impose en raison de son utilisation répandue et de ses nombreuses années d expérience avec cette technique dans l environnement de télécommunication classique. La VoIP tient lieu non seulement de substitut pour la technologie de transmission analogique ou le PDH mais elle apporte également de sérieux avantages. s logiciel R&S Series4200 La R&S Series4200 est la dernière génération d émetteurs-récepteurs numériques à base de logiciel pour une utilisation stationnaire dans le contrôle du trafic aérien civil et militaire. Les applications possibles vont du petit système radio de secours à quelques canaux radio seulement jusqu aux systèmes de communication à échelle nationale à plusieurs centaines de canaux. Gamme de fréquence VHF de 112 MHz à 156 MHz Gamme de fréquence UHF de 225 MHz à 400 MHz Puissance de sortie 50 W dans les gammes VHF et UHF Opération automatique normal/secours Ports de service USB pour la configuration et le téléchargement de logiciels Commande et surveillance à distance via l interface Ethernet Approprié pour la transmission de données en standard VDL mode 2 Connexion via interface E1 Voix sur IP via mise à jour logicielle VoIP : la technologie de communication de l avenir pour le contrôle du trafic aérien Les systèmes VoIP ne transmettent plus la voix sur un réseau de téléphonie commuté mais via un réseau de données orienté paquets basé IP. Pour cela, le signal vocal est numérisé à la source et divisé en paquets de données IP. Le réseau de données est composé de routeurs qui, à l aide de l adresse IP, prennent en charge l aiguillage (routage) des paquets de voix et des paquets de données. Arrivé à la destination, le signal numérique se trouve reconverti en signal analogique. Réductions des coûts grâce aux réseaux de voix et de données intégrées Les services de contrôle du trafic aérien utilisent déjà des grands réseaux numériques, par exemple pour la transmission des données du plan de vol et de radar. Il est donc logique à l avenir de transmettre les données et la voix sur un seul réseau, comme cela est possible avec la VoIP. Sur des sites déportés, l intégration de la voix et des données dans un réseau commun présente en outre l avantage non négligeable de réduire les coûts puisque seul un réseau unique doit être planifié, installé et exploité. Les réseaux de données qui transmettent également la voix numérique doivent répondre à certaines exigences spécifiques. En effet, ces informations doivent être transmises avec une fiabilité absolue et en temps réel. La surveillance à distance et le contrôle des radios s effectuent si disponible via une liaison numérique basée IP. A l avenir, la transmission de la voix ainsi que la surveillance à distance interviendront via la même interface IP du poste radio. Montage simple La planification technique des réseaux de données telle que décrite ci-dessus est certes plus complexe ; l installation des composants du réseau VoIP est en revanche bien plus simple. Il suffit en effet de disposer de câblages et de composants standards, tels qu ils sont déjà utilisés pour la technologie LAN actuelle. Tous les mécanismes de sécurité connus du monde numérique comme IPSec (Internet Protocol Security) et les techniques de hiérarchisation comme DiffServ (Differentiated Services, RFC 2474, RFC 2475) ou MPLS (Multi Protocol Label Switching) peuvent également être utilisés pour la transmission de la voix via VoIP. Externalisation du standard téléphonique vers le réseau IP Un autre avantage des systèmes de voix sur IP réside dans la possibilité de se passer des nœuds de commutation centraux, lesquels sont nécessaires dans un réseau téléphonique à commutation de circuits. Pour des raisons de sécurité, les PABX actuels sont installés de façon redondante, impliquant les coûts associés correspondants. Dans un réseau de données basé IP, l aiguillage ne passe plus via une unité centrale ACTUALITÉS 201/10 43

3 mais à travers des routeurs dont le nombre et la puissance dépendent des exigences et de la taille du réseau. Le routeur décide de l orientation du paquet sur la base de l adresse IP du destinataire de l information. La source de l information n a donc qu à connaître l adresse IP du partenaire de communication, laquelle est déterminée dans un plan d adressage capable de s adapter de façon dynamique aux conditions de fonctionnement. L aiguillage s effectue ainsi via plusieurs routeurs distribués dans le réseau et non plus de manière centralisée. Cela présente l avantage de pouvoir utiliser les mécanismes de redondance du réseau IP déjà existants. Implémentation de nouvelles fonctions Le fait que la VoIP permette de remplacer les méthodes de transmission devenues indisponibles et d implémenter de nouvelles fonctions dans les systèmes de communication vocale difficiles à mettre en œuvre avec la technologie de commutation de circuits, plaident en faveur de son introduction. Les Functional Airspace Blocks (FAB) prévus dans le cadre de l initiative européenne «Single European Sky» (Ciel unique européen) en sont un exemple. Plusieurs pays s unissent pour former un FAB, par exemple le FABEC (Bloc d espace aérien fonctionnel Europe Centrale) qui regroupe les pays de France, Belgique, Hollande, Luxembourg, Suisse et Allemagne. Ces FAB organisent l espace aérien de l Europe non plus en fonction des frontières nationales mais en regard d une utilisation optimisée de l espace aérien pour pouvoir gérer le trafic aérien le plus efficacement possible en termes de temps et de coûts. Infrastructure VoIP / Telephone Network Supervision Site CWP Router LAN Media Gateway maintenance configuration / Telephone WAN Recording ATS-QSIG MFC / Telephone Recording PSTN Fig. 1 Infrastructure VoIP pour utilisation dans le contrôle du trafic aérien (source : EUROCAE ED136). 44

4 Afin d assurer une interopérabilité suffisante, l harmonisation des équipements de communication fait partie des nombreuses conditions pour former un FAB. Aujourd hui, chaque pays a ses propres processus opérationnels et divers équipements permettant aux contrôleurs aériens de communiquer entre eux ou avec les pilotes. Les communications transnationales entre les contrôleurs s effectuent via des lignes téléphoniques. Il n est pas aisé de nos jours pour un contrôleur aérien d un pays d accéder librement à l infrastructure radio d un autre pays. Cela s avère pourtant nécessaire si les FABS doivent être mis en place car un secteur couvert par l infrastructure radio d un pays doit alors pouvoir être utilisé par un contrôleur aérien d un autre pays. Seule la technologie VoIP remplit les conditions requises pour de telles fonctions. Cette technologie offre également la possibilité d introduire de nouvelles caractéristiques qui facilitent et sécurisent la communication entre les contrôleurs aériens et les pilotes. La standardisation L organisation européenne pour l équipement de l aviation civile (EUROCAE) a créé un groupe de travail le WG67 en charge de la VoIP. Ce groupe doit, sur la base des RFC en vigueur, élaborer des standards permettant son utilisation dans le cadre du contrôle du trafic aérien. Il doit en outre créer des spécifications permettant l interconnexion de radios, et CWP en provenance de divers fabricants. Le WG67 est composé de représentants des prestataires de services de la navigation aérienne (Air Navigation Service Provider ANSP) et de l industrie. L infrastructure à standardiser a été définie dans l accord de Vienne («Vienna Agreement») (figure 1). Les exigences et les spécifications correspondantes ont été définies dans plusieurs documents [7] qui ont été adoptés fin 2008 et qui constituent depuis février 2009 des documents EUROCAE officiels. Les cahiers des charges ont été validés en avril 2008 et mars 2009 lors des essais appelés «plug-tests». Des représentants de l industrie ont à cet effet interconnecté différents appareils radio et et réalisé différents tests. Rohde& Schwarz a participé avec la famille de radios logiciels R&S Series4200 (voir encadré page 43) dans laquelle la fonctionnalité VoIP peut être installée via une mise à jour logiciel. Les tests ont démontré que les standards EUROCAE sont en principe appropriés pour la mise en œuvre de systèmes basés voix sur IP. Les résultats des tests continueront à être utilisés pour améliorer les spécifications de l interface. Dans les prochains mois, une nouvelle édition des documents ED137-1 et ED137-2 est attendue. L organisation européenne pour la sécurité de la navigation aérienne EUROCONTROL s est fixée pour tâche de soutenir, au moyen de recommandations et de lignes directrices, la migration des systèmes de communication actuels vers des systèmes de VoIP et de permettre ainsi à tous les pays européens participant à EUROCONTROL l accès à une infrastructure uniforme. En outre, les standards EUROCAE seront introduits au sein des organes correspondants de l OACI (Organisation de l aviation civile internationale), ce qui assurera leur reconnaissance au niveau mondial. La technologie Les Requests for Comments (RFC) élaborés par l Internet Engineering Task Force (IETF) constituent la base des spécifications EUROCAE. L objectif du groupe de travail WG67 fut de rester aussi proche que possible des normes existantes et de ne les étendre qu en cas de réelle nécessité de répondre aux exigences du document ED136. Les protocoles Session Initiation Protocol (SIP) RFC 3261 et Real-time Transport Protocoles Internet Appl. / Pres. Layers Web HTML File Transfer Directories Signaling & Control Network & Config. Mgmt. VoIP Session Layer HTTP FTP SMTP LDAP SIP SNMP RTP Transport Layer TCP UDP Network Layer IP (IPv4 / IPv6) Link Layer Ethernet PPP Physical Layer 10 / 100 Base T PSTN ISDN DSL Fig. 2 Sélection des protocoles utilisés habituellement dans le monde IP, représentés en modèles 7 couches selon ISO / OSI. ACTUALITÉS 201/10 45

5 Protocol (RTP) RFC 3550 constituent la base de l interface VoIP entre le / CWP et la radio. Les protocoles IP habituels, représentés par le modèle à 7 couches selon ISO / OSI, sont illustrés en figure 2. L établissement de la connexion entre les radios et la / CWP est signalisé par le SIP. Le / CWP transmet à cet effet la demande de connexion à l émetteur-récepteur correspondant et ce, ensemble avec les paramètres nécessaires à la communication, comme par exemple l utilisation des codecs vocaux. La radio soit confirme la demande de connexion, éventuellement avec des paramètres modifiés, soit la rejette en l accompagnant d une justification. Plusieurs / CWP peuvent établir une connexion active avec une radio, la connexion étant toujours initiée par le / CWP. Lorsque la connexion entre l équipement radio et le / CWP a été établie avec succès, une Real-Time-Transport-Session (RTP) est initialisée et une session séparée est établie pour chaque ayant envoyé une demande de connexion. Ces connexions transmettent les paquets de voix. Les paquets sont alors également envoyés, même si aucune voix n est à transmettre (absence de transmission RF) mais dans ce cas, sans contenu. En plus de la voix, des informations complémentaires sont transmises pour la signalisation dans l en-tête RTP. Etant donné que dans un système de VoIP de nombreuses informations supplémentaires doivent être transmises ensemble avec la voix pour les applications ATM, l en-tête RTP standard a été élargi. Cet «Extended RTP Header» transmet les signaux Push-To-Talk (PTT) et Squelch (SQ) correspondants. L émetteur est activé à l aide du signal PTT et le signal SQ indique l ouverture du silencieux du récepteur. Des signaux représentant la qualité de réception sont en outre transmis, permettant au / CWP de choisir parmi plusieurs récepteurs le meilleur signal pour communiquer avec le contrôleur aérien. La surveillance (keep-alive) de la liaison entre la radio et la constitue une fonction importante implémentée dans le Extended RTP Header. En effet, la réception correcte de l information vocale est surveillée des deux côtés. Si aucune information vocale n est transmise, des signaux «keep-alive» inclus dans le «Extended RTP Header» sont envoyés et leur réception correcte est surveillée. La tolérance aux interruptions et perturbations peut être contrôlée grâce aux «keepalive-timer» réglables. Dans la plupart des cas, les émetteurs et les récepteurs sont placés sur des sites différents, de sorte qu ils ne s influencent pas mutuellement en termes de performances radioélectriques. C est la raison pour laquelle les et les CWP établissent des sessions SIP / RTP indépendantes pour chacun des émetteurs et des récepteurs. Les flux audio correspondants sont ensuite regroupés dans le pour injecter le signal de réception et d émission du même canal radio dans le casque du contrôleur aérien. Les différentes phases d établissement de la connexion VoIP entre un et l émetteur et le récepteur d un canal radio sont illustrées en figure 3. Implémentation de la VoIP dans la R&S Series4200 La R&S Series4200 est la dernière génération d équipements radio VHF / UHF pour le contrôle du trafic aérien, en service depuis environ quatre ans. Le dernier développement de cette famille d équipements radio offre, outre une interface numérique supplémentaire selon ITU-T G.703, une puissance de processeur considérablement augmentée ainsi qu une plus grande mémoire. Ainsi, outre pour des liaisons analogiques telles qu elles sont encore majoritairement utilisées aujourd hui, ces équipements sont également prévus pour une connexion numérique au système de commutation Etablissement de connexion Phase 1 Phase 2 initiate SIP communication with each remote radio site RX without voice packet with voice packet RX WAN WAN TX without voice packet with voice packet TX Fig. 3 Etablissement de connexion entre et émetteur-récepteur d un canal radio au moyen de SIP et RTP (source : EUROCAE). 46

6 GB4000V et GB4000T avec Series4200 via VoIP LAN / WAN Remote control VoIP via SIP / RTP (EUROCAE ED137-1) GB 4000T GB 4000V Fig. 4 Mise en œuvre d un système de communication via VoIP. téléphonique. L interface LAN déjà existante pour la surveillance à distance est utilisée pour la liaison VoIP. Toutes les radios de la R&S Series4200 déjà équipées du processeur plus puissant peuvent être mises à niveau par logiciel pour la VoIP. Elles offrent ainsi un niveau de sécurité d investissement et de planification élevé étant donné qu elles pourront ultérieurement être intégrées dans un futur nouveau système VoIP. Pour les petits systèmes équipés d un ou de plusieurs postes de contrôleur aérien, Rohde&Schwarz propose des éléments supplémentaires permettant une communication vocale apte à la VoIP : la Audio Unit R&S GB4000V et le Control unit R&S GB4000T. Ces éléments facilitent la réalisation de systèmes de communication basés VoIP, lesquels sont nécessaires par exemple dans une tour de contrôle ou pour le contrôle de l aire de manœuvre. Une telle application est illustrée en figure 4. Conclusion Depuis plusieurs années déjà, la voix sur IP a fait ses preuves dans le secteur des télécommunications traditionnelles. Avec quelques modifications qui ont été spécifiées par l EUROCAE avec la participation de représentants des services de contrôle du trafic aérien et de l industrie, la VoIP peut désormais être utilisée dans le domaine de l ATC. Avec la R&S Series4200, un équipement radio approprié est mis à disposition permettant de développer des systèmes de communication vocale pérennes. Bernhard Maier Bibliographie [1] ED136 «VoIP ATM System Operational and Technical Requirements». [2] ED137-part1 «Interoperability Standards for VoIP ATM Components ; radio interface». [3] ED137-part2 «Interoperability Standards for VoIP ATM Components ; telephone interface». [4] ED137-part3 «Interoperability Standards for VoIP ATM Components recording interface». [5] ED137-part4 «Interoperability Standards for VoIP ATM Components ; supervision». [6] ED138-part1 «Network Requirements and Performances for VoIP ATM Systems Part 1_Specification». [7] ED138-part2 «Network Requirements and Performances for VoIP ATM Systems Part 2_Design Guideline». ACTUALITÉS 201/10 47