朔黃鐵路LTE通信網(wǎng)絡(luò)QoS控制策略

張 斌

LTE（長期演進網(wǎng)絡(luò)）是由3GPP組織制定的通用無線網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)前最新的寬帶無線傳輸網(wǎng)，具有端到端的QoS（服務(wù)質(zhì)量）保障能力，可以對各種業(yè)務(wù)配置不同的QCI（標(biāo)度值）和ARP（分配和保留優(yōu)先級）來提供差異化的服務(wù)。朔黃鐵路是雙線電氣化重載鐵路，2014年LTE無線通信網(wǎng)絡(luò)建成，不僅承載鐵路通信數(shù)據(jù)，還要承載視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，是一個綜合業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)。

1 朔黃鐵路數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求

1．實時安全數(shù)據(jù)，主要是機車無線重聯(lián)、可控列尾業(yè)務(wù)。機車無線重聯(lián)操控應(yīng)用層業(yè)務(wù)包為69Byte，每200ms一個包，速率為345Byte／s?？煽亓形驳膽?yīng)用層業(yè)務(wù)包30Byte，每200ms一個包。安全數(shù)據(jù)的速率大概為5kb／s，在帶寬規(guī)劃時按32kb／s預(yù)算。安全數(shù)據(jù)對于包時延 （PDB）和丟包率 （PLR）要求非常高。

2．非實時文本數(shù)據(jù)，主要是調(diào)度命令、無線車次號校驗。調(diào)度命令應(yīng)用層數(shù)據(jù)包平均600Byte，進路預(yù)告發(fā)送周期10～15min，調(diào)度命令是事件觸發(fā)。車次號應(yīng)用層數(shù)據(jù)包約100字節(jié)，大約30s發(fā)送一次。這些數(shù)據(jù)按照上行0．8kb／s，下行0．4kb／s進行預(yù)算。

3．語音業(yè)務(wù)，主要是調(diào)度通信和其他鐵路公務(wù)通信，手持終端、CIR（車載通信終端）之間的語音調(diào)度通信。語音數(shù)據(jù)為點呼、組呼、組播等車地語音通信數(shù)據(jù)，單個用戶預(yù)算為30kb／s。

4．?dāng)?shù)據(jù)圖像信息，主要是車－地移動視頻監(jiān)控。視頻監(jiān)控攝像頭采集的數(shù)據(jù)和手機視頻數(shù)據(jù)，每路視頻 （標(biāo)清）信號按照上、下行各512kb／s帶寬進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。

由于這些業(yè)務(wù)在優(yōu)先級、可靠性方面的要求不同，網(wǎng)絡(luò)需要提供不同的保障措施，保證安全數(shù)據(jù)的時延和可靠性。當(dāng)資源受限時，首先保證無線重聯(lián)操控業(yè)務(wù)、可控列尾業(yè)務(wù)和緊急呼叫業(yè)務(wù)的資源；其次，保證車載臺CIR的調(diào)度命令、車次號校核和語音通話的資源；再次，保證手持臺語音通話的資源；最后是視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)。朔黃鐵路的業(yè)務(wù)優(yōu)先級需求場景比較復(fù)雜，既有單終端、單業(yè)務(wù)場景，也存在單終端、多業(yè)務(wù)、多優(yōu)先級場景。

2 QoS控制過程

2．1 LTE網(wǎng)絡(luò)QoS三要素

2．1．1 QCI

QCI是QoS分類標(biāo)識，3GPP組織對公網(wǎng)定義了1～9標(biāo)準(zhǔn)值，對應(yīng)不同的QoS質(zhì)量要求。其中，1～4標(biāo)準(zhǔn)是需要帶寬保證的業(yè)務(wù)，需要中間各網(wǎng)元使用自身手段來保證業(yè)務(wù)可以分配到固定帶寬；5～9標(biāo)準(zhǔn)不需要進行帶寬保障，業(yè)務(wù)符合“突發(fā)”傳送的帶寬模型 （如網(wǎng)頁瀏覽），或者用戶并不關(guān)心流量到來是否均勻 （如ftp下載），雖然不需要保證帶寬，但對時延要求非常高。

用戶業(yè)務(wù)建立時，核心網(wǎng)并不需要將資源類型、優(yōu)先級、可靠性、丟包率等全部參數(shù)傳遞到無線側(cè)，而是將QCI數(shù)值傳遞到E－UTRAN （演進的UMTS陸地?zé)o線接入網(wǎng)）。這樣，使用同樣的QCI、eNodeB （基站）、S－GW （服務(wù)網(wǎng)關(guān)）、PGW （PDN網(wǎng)關(guān)）等各網(wǎng)元，就可以按照相同的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行QoS，減少網(wǎng)元間的參數(shù)傳遞。各網(wǎng)元在QoS執(zhí)行過程中，是采用有線還是無線、是電路還是分組、是隊列還是令牌，均由自己來定。

2．1．2 ARP

ARP用來控制承載 （主要是空口）建立、修改優(yōu)先級。如果說QCI用來標(biāo)識數(shù)據(jù)包在某個承載上轉(zhuǎn)發(fā)的質(zhì)量，那么ARP就是用來控制該承載能否建立，保持搶占和被搶占的 “準(zhǔn)入”優(yōu)先級。

優(yōu)先級表示創(chuàng)建承載的時刻無可用資源時搶占其他已經(jīng)建立的承載，以及承載創(chuàng)建后是否可以被其他新建承載搶占。搶占能力表示創(chuàng)建或者修改承載時，如果資源不足，能否搶占低優(yōu)先級的資源。

被搶占屬性表示資源不足時，該承載資源能否被其他更高優(yōu)先級的新建或者修改承載所搶占。只在 “搶占能力”設(shè)為 “能搶占”，或 “被搶占屬性”設(shè)為 “能被搶占”時，ARP才有用。數(shù)值小的優(yōu)先，可以搶占優(yōu)先級數(shù)值更大的承載。

ARP值都會在建立E－RAB（無線接入承載）時由S－GW發(fā)給eNodeB，由eNodeB根據(jù)用戶的優(yōu)先級，采取相應(yīng)的資源分配動作。

2．1．3 帶寬

保證比特率 （GBR）：表示為承載提供保證的帶寬。

最大比特率 （MBR）：表示為承載能夠提供的最大帶寬，但無法確保。

業(yè)務(wù)接入平均最小速率 （APN－AMBR）：用戶一個APN中的PDN連接中，所有不保證帶寬的non－GBR承載可以使用的最大帶寬。上行、下行APN－AMBR由用戶 （UE）和P－GW進行控制。

用戶接入平均最小速率 （UE－AMBR）：一個UE終端所創(chuàng)建的所有non－GBR承載的聚合最大比特率，指一個用戶的所有非GBR承載帶寬總和的最大值。上、下行的UE－AMBR的控制由eNodeB執(zhí)行。

LTE是端到端的QoS保障，通過端到端的業(yè)務(wù)承載向下映射，端到端的QCI參數(shù)映射到底層各段的QoS參數(shù)，主要是無線接入側(cè)和中間轉(zhuǎn)發(fā)的業(yè)務(wù)優(yōu)先級。例如，空口的調(diào)度優(yōu)先級、IP傳輸層的DSCP（差分服務(wù)代碼點）等。

業(yè)務(wù)報文在發(fā)送給數(shù)據(jù)通信承載網(wǎng)絡(luò)前，給報文的IP DSCP、VLAN Pri（基群速率借口）或MPLS EXP（多協(xié)議標(biāo)簽交換漏洞）優(yōu)先級進行標(biāo)記，這樣，數(shù)據(jù)通信承載網(wǎng)絡(luò)上每個層次的設(shè)備，都能在自己處理的協(xié)議層次上找到數(shù)據(jù)包的質(zhì)量等級依據(jù)，執(zhí)行有差別的流量監(jiān)管、擁塞管理、擁塞避免、流量整形等帶寬控制動作，對高優(yōu)先級的報文使用更有保障的隊列、擁塞避免機制等高優(yōu)先級QoS措施。

2．2 QoS控制過程

2．2．1 QoS專有承載

LTE系統(tǒng)中QoS控制的基本粒度是承載（Bearer），即相同承載上的所有數(shù)據(jù)流量，將獲得相同的QoS保障，不同類型的承載提供不同的QoS保障。

一個QoS承載是UE與分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān) （PGW）之間的邏輯電路。在初始附著的過程中，按照用戶簽約的默認QoS等級建立一個默認承載，即每個UE至少有一個激活的承載存在，從而保證用戶在開始業(yè)務(wù)時具有更短的時延。默認承載的QoS參數(shù)，既可以來自從歸屬用戶服務(wù)器 （HSS）中獲取的簽約數(shù)據(jù)，也可以通過PCRF交互，或者基于本地配置來改變這些值。

如果默認承載不能滿足業(yè)務(wù)的QoS需求，則會創(chuàng)建一個專有承載。專有承載可以是網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起創(chuàng)建的，也可以是終端觸發(fā)建立。若在承載建立或修改過程中，與QoS承載相關(guān)聯(lián)的保證比特率（GBR）對應(yīng)的專有網(wǎng)絡(luò)資源被恒定地分配，這個QoS承載就屬于GBR承載；否則，這個承載就屬于Non－GBR承載。專有承載可以是GBR承載或者Non－GBR承載，而默認承載只能是Non－GBR承載。

APN－AMBR 在 UE 和 P－GW上控制，一個PDN連接是針對1個特定的APN，一個PDN連接一定是匯聚在一個UE和同一個P－GW 上。

UE－AMBR由eNodeB負責(zé)控制，一個UE在同一時刻的全部承載都在一個eNodeB上。

QCI是LTE網(wǎng)絡(luò)QoS控制的主線，在LTE網(wǎng)元間傳遞。所有承 載 網(wǎng) 絡(luò) IP／MPLS／VLAN 等QoS的控制，在邊界設(shè)備上完成映射。

2．2．2 QoS承載建立過程

UE上有眾多的應(yīng)用程序，和外部網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包可能是不同業(yè)務(wù)等級的數(shù)據(jù)流。在上行和下行轉(zhuǎn)發(fā)時，UE和P－GW必須有能力將不同QoS要求的數(shù)據(jù)流分流到不同的承載上去。

業(yè)務(wù)流模板 （TFT）是業(yè)務(wù)和承載之間關(guān)聯(lián)的紐帶，是在承載建立時創(chuàng)建的。UE有上行TFT（UL－TFT）做上行UE到網(wǎng)絡(luò)側(cè)方向業(yè)務(wù)流向承載的映射，P－GW有下行TFT （DL－TFT）做業(yè)務(wù)流向承載的映射。

以上行QoS承載為例，說明其建立過程與實現(xiàn)原理，如圖1所示。首先，UE通過UL－TFT將一個上行SDF（服務(wù)數(shù)據(jù)流）綁定成QoS承載，若在UL－TFT中包含多個上行分組數(shù)據(jù)包過濾器，則多個SDF將可以復(fù)用相同的QoS承載。隨后依順序，UE通過創(chuàng)建SDF與無線承載之間的綁定，實現(xiàn)UL－TFT與無線承載之間的映射；eNodeB通過創(chuàng)建無線承載與S1承載之間的綁定，實現(xiàn)無線承載與S1承載之間的映射；S－GW （服務(wù)網(wǎng)關(guān)）通過創(chuàng)建S1承載與S5／S8承載之間的綁定，實現(xiàn)S1承載與S5／S8承載之間的映射；最終，QoS承載數(shù)據(jù)通過無線承載、S1承載及S5／S8承載的級聯(lián)，實現(xiàn)了UE對外部PDN網(wǎng)絡(luò)之間PDN連接業(yè)務(wù)的支持。

在TCP／IP網(wǎng)絡(luò)中，識別一個業(yè)務(wù)流 （會話）是五元組，包括協(xié)議類型、源地址和源端口、目的地址和目的端口5個要素。

UE和P－GW也是通過類似的數(shù)據(jù)流匹配要素的手段來識別業(yè)務(wù)，再將業(yè)務(wù)分流到不同的TFT。UE和P－GW上會創(chuàng)建包過濾器，這些包過濾器再與不同的TFT關(guān)聯(lián)，來實現(xiàn)業(yè)務(wù)和TFT的關(guān)聯(lián)，進而將業(yè)務(wù)和承載相關(guān)聯(lián)。

圖1 基于GTP協(xié)議上行QoS承載

在創(chuàng)建專有承載、TFT時，發(fā)起方會同時攜帶包過濾器的信息。UE和P－GW就會創(chuàng)建該包過濾器，并與此TFT關(guān)聯(lián)，TFT再與承載管理，完成業(yè)務(wù)到承載的映射。LTE網(wǎng)絡(luò)中也定義了新增、刪除、修改包過濾器的流程。一個TFT可以關(guān)聯(lián)多個包過濾器。這樣，P－GW和UE就知道哪些業(yè)務(wù)流關(guān)聯(lián)到哪個TFT。通過包過濾器到TFTBearer ID的映射，UE和P－GW就有能力將不同的業(yè)務(wù)映射到不同的承載上，對業(yè)務(wù)進行不同的QoS控制。

2．2．3 基于SPI的網(wǎng)絡(luò)QoS控制策略

SPI（淺層數(shù)據(jù)報文檢測）是對物理層的底層數(shù)據(jù)報頭IP五元組進行檢測，根據(jù)該數(shù)據(jù)流的基本信息進行業(yè)務(wù)流識別?；赟PI的QoS控制方法一般可以針對以下2種類型進行控制。

1．基于用戶類別的策略控制。根據(jù)用戶的IMSI號段分成不同的類別，實施不同的業(yè)務(wù)控制策略。

2．基于應(yīng)用業(yè)務(wù)類型的策略控制。根據(jù)應(yīng)用的業(yè)務(wù)類型，分別實施不同的控制策略。例如FTP等業(yè)務(wù)的策略控制功能。

2．2．4 基于DSCP傳輸網(wǎng)路的QoS保障

朔黃鐵路LTE網(wǎng)路QoS應(yīng)用最關(guān)心的是傳輸網(wǎng)絡(luò) （應(yīng)用層）端到端數(shù)據(jù)的QoS保障。通過IP傳輸層的DSCP（差分服務(wù)代碼點）來保障端到端的業(yè)務(wù)承載向下映射，端到端的QCI參數(shù)映射到底層各段的QoS參數(shù)，主要是無線接入側(cè)和中間轉(zhuǎn)發(fā)的業(yè)務(wù)優(yōu)先級。

業(yè)務(wù)報文在發(fā)送給數(shù)據(jù)通信承載網(wǎng)絡(luò)前，給報文的IP DSCP、VLAN Pri（基群速率接口）或MPLS EXP（多協(xié)議標(biāo)簽交換）優(yōu)先級進行標(biāo)記，這樣，數(shù)據(jù)通信承載網(wǎng)絡(luò)每個層次上的設(shè)備，都能在自己處理的協(xié)議層次上，找到數(shù)據(jù)包的質(zhì)量等級依據(jù)，執(zhí)行有差別的流量監(jiān)管、擁塞管理、擁塞避免、流量整形等帶寬控制，對高優(yōu)先級的報文使用更有保障的隊列、擁塞避免機制等高優(yōu)先級QoS措施。

3 朔黃鐵路QoS保障策略

朔黃鐵路LTE網(wǎng)絡(luò)提供端到端的QoS保障機制，是通過設(shè)置各個業(yè)務(wù)的QCI來進行區(qū)分。QCI包括默認承載QCI和專有承載QCI 2種。各個業(yè)務(wù)對應(yīng)的QCI設(shè)置如表1所示。

除了視頻業(yè)務(wù)外，其他業(yè)務(wù)設(shè)置為GBR業(yè)務(wù)，保障最小帶寬需求。無線重聯(lián)操控業(yè)務(wù)、可控列尾業(yè)務(wù)和緊急呼叫業(yè)務(wù)的優(yōu)先級最高，在網(wǎng)絡(luò)資源緊張時，可以搶占其他業(yè)務(wù)的資源，但不能被其他業(yè)務(wù)搶占。

LTE的傳輸網(wǎng)絡(luò)采用IP傳輸，在傳輸擁塞時，根據(jù)DSCP配置值丟棄低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包，保證高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的速率和時延。表2為朔黃鐵路的QCI和DSCP的映射方案。

表1 APN和開戶速率的備選方案

表2 QCI和DSCP的映射方案

朔黃鐵路采用LTE寬帶網(wǎng)絡(luò)承載多種鐵路業(yè)務(wù)。在LTE的端到端QoS保障機制的基礎(chǔ)上，針對不同業(yè)務(wù)設(shè)置對應(yīng)的參數(shù)，對不同業(yè)務(wù)提供差異化的服務(wù)。有了這種保障機制，LTE作為承載網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮寬帶的優(yōu)勢進行綜合承載，保證安全數(shù)據(jù)以最高優(yōu)先級運行。

［1］ 3GPP TS 2 3 ．4 0 1General Packet Radio Service（GPRS）enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network（E－UTRAN）access．

［2］ 3GPP長期演進（LTE）系統(tǒng)架構(gòu)與技術(shù)規(guī)范［S］．北京：人民郵電出版社，2010．

［3］ 張穎瑩．支持多業(yè)務(wù)QOS的多小區(qū)資源分配算法［J］．無線電通信技術(shù)，2008（6）．