Η καταλληλότητα της τεχνολογίας Radio over IP σε συνδυασμό με δορυφορική μετάδοση στον έλεγχο εναέριας κυκλοφορίας

Abstract

Voice communications are an integral part of Air Traffic Control (ATC), since, without them, flight in a controlled airspace is practically impossible. In countries with complex terrain and/or large numbers of islands, like Greece, the provision of adequate radio coverage, especially at low altitudes, is extremely difficult and costly if it is based on leased line infrastructure, which is common practice. Satellite communications are a possible alternative, because they are available everywhere. At the same time, regulators worldwide are pushing forward towards the adaptation of technologies based on packet switching in ATC, recognizing their obvious advantages. The question this dissertation attempts to answer is whether it would be possible to combine packet-based networks with satellite communications (Radio over IP over satellite) to implement the voice communication path between pilots and flight controllers.The bibliographical survey has indicated that the specific subject has not been dealt with yet in operational conditions. The first step in the approach which was then followed has been to define a procedure so as to extract the requirements and validate their fulfillment from the quality of service viewpoint, since bad voice quality can mean the difference between life and death. For that purpose, the E-model, which is used to quantify voice quality in telephony networks, has been adapted to radio calls.In the sequel, and so as to prove the correctness of the approach and the suitability of the Radio over IP over satellite technology, a system has been designed, developed, installed and tested in operational conditions with the help of the Hellenic Civil Aviation Authority and under the supervision of the European Space Agency. Its innovative hardware and software architectures and particularly the functionality segmentation have been designed with special focus on the achievement of adequate quality of voice.The evaluation of the developed system and service has been especially challenging since it had to be carried out in operational conditions with no room for error, taking into consideration that a similar effort has not been attempted before. For that reason, a series of tests have been carried out prior to field testing, so as to maximize the probability of its users accepting the system. The results of the subjective evaluation executed by pilots and flight controllers have proven the correctness of the approach and the proper operation of the designed system and service.The basic contributions of this study to the literature are the validation of the adaptation of the E-model to aeronautic radio communications, the innovative hardware and software structures developed according to the desirable quality of service and the operational evaluation of the resulting system and service which has proven that the effect of delay and voice coding induced by the Radio over IP over satellite technology does not affect the ATC function, even in the most demanding circumstances, provided that a system implementing it is appropriately engineered.

Οι επικοινωνίες φωνής αποτελούν ένα αναπόσπαστο κομμάτι της λειτουργίας του Ελέγχου Εναέριας Κυκλοφορίας (ΕΕΚ). Σε χώρες με περίπλοκο ανάγλυφο και/ή εκτεταμένα νησιωτικά συμπλέγματα, όπως η Ελλάδα, η παροχή επαρκούς ραδιοκάλυψης, ιδιαίτερα σε χαμηλά ύψη, είναι εξαιρετικά δύσκολη και κοστοβόρα αν βασίζεται σε επίγεια τηλεπικοινωνιακή υποδομή μισθωμένων γραμμών, όπως είναι η συνήθης πρακτική. Οι δορυφορικές επικοινωνίες αποτελούν μία πιθανή λύση στο πρόβλημα αυτό, καθώς είναι διαθέσιμες παντού. Ταυτόχρονα, οι ρυθμιστικές αρχές σε παγκόσμιο επίπεδο προωθούν την υιοθέτηση τεχνολογιών δικτύωσης βασισμένων σε μεταγωγή πακέτων για την αεροναυτιλία, αναγνωρίζοντας τα προφανή πλεονεκτήματά τους. Το ερώτημα που η διατριβή επιχειρεί να απαντήσει είναι αν θα ήταν εφικτός ο συνδυασμός τηλεπικοινωνιών βασισμένων σε μεταγωγή πακέτων και δορυφορικών κυκλωμάτων (Radio over IP over satellite) για την υλοποίηση των επικοινωνιών μεταξύ πιλότων και ελεγκτών στην αεροναυτιλία.Η βιβλιογραφική μελέτη απέδειξε πως το συγκεκριμένο θέμα δεν έχει ερευνηθεί καθόλου σε επιχειρησιακές συνθήκες. Το πρώτο βήμα της προσέγγισης που ακολουθήθηκε ήταν ο ορισμός μίας διαδικασίας εξαγωγής απαιτήσεων και αξιολόγησης από την οπτική γωνία της ποιότητας της επικοινωνίας, καθώς αν είναι κακή, μπορεί να σημαίνει τη διαφορά μεταξύ ζωής και θανάτου. Για τον σκοπό αυτό προσαρμόστηκε το E-model, δηλαδή το μοντέλο ποσοτικοποίησης της ποιότητας φωνής που χρησιμοποιείται σε τηλεφωνικά δίκτυα, στο συγκεκριμένο περιβάλλον μετάδοσης.Κατόπιν, και προκειμένου να αποδειχθεί η ορθότητα της προσέγγισης καθώς και η καταλληλότητα της τεχνολογίας Radio over IP over satellite, σχεδιάστηκε, υλοποιήθηκε, εγκαταστάθηκε και αξιολογήθηκε επιχειρησιακά, με την βοήθεια της Υπηρεσίας Πολιτικής Αεροπορίας και υπό την επίβλεψη της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος, ένα σύστημα που εκπληροί τις απαιτήσεις που εξήχθησαν. Οι καινοτόμες αρχιτεκτονικές υλικού και λογισμικού που αναπτύχθηκαν και ιδιαίτερα ο καταμερισμός των λειτουργιών έγινε με άξονα τη διασφάλιση της ποιότητας της φωνής.Η αξιολόγηση της υπηρεσίας που αναπτύχθηκε παρουσίασε σοβαρές προκλήσεις καθώς έπρεπε να εκτελεστεί σε επιχειρησιακές συνθήκες και δεν υπήρχε χώρος για λάθη με δεδομένο πως δεν υπάρχει προηγούμενο αντίστοιχης προσέγγισης σε παγκόσμιο επίπεδο. Για τον λόγο αυτό, εκτελέστηκαν μία σειρά από λεπτομερείς μετρήσεις που διασφάλισαν την ποιότητα της επικοινωνίας προτού το σύστημα παραδοθεί στους χρήστες του, βελτιστοποιώντας με τον τρόπο αυτό τις πιθανότητες αποδοχής του. Τα αποτελέσματα της τελικής αξιολόγησης από ελεγκτές και πιλότους κρίνονται ως εξαιρετικά και αποδεικνύουν την ορθότητα των θεωρήσεων και της υλοποίησης που ακολουθήθηκε.Η βασική συνεισφορά της παρούσας μελέτης στο ερευνητικό πεδίο είναι η επαλήθευση της προσαρμογής του E-model στις ραδιο-επικοινωνίες που χρησιμοποιούνται στην αεροναυτιλία, οι καινοτόμες δομές υλικού και λογισμικού που σχεδιάστηκαν βάσει των απαιτήσεων στη ποιότητα φωνής και η επιχειρησιακή αξιολόγηση του συστήματος που επιβεβαίωσε πως η επίδραση της καθυστέρησης και της κωδικοποίησης φωνής δεν επηρρεάζει την εκτέλεση του ΕΕΚ, ακόμη και στις πιο απαιτητικές συνθήκες.