電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)多業(yè)務(wù)QoS保障機(jī)制研究

姜靜

摘要：針對(duì)電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)承載多種配用電業(yè)務(wù)的QoS要求，本文研究了電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)多業(yè)務(wù)承載需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合電力業(yè)務(wù)需求與LTE的QoS機(jī)制，提出了一種電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)多業(yè)務(wù)QoS保障機(jī)制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的合理分配，在提供業(yè)務(wù)可靠QoS保障的同時(shí)獲得最大系統(tǒng)容量。

關(guān)鍵詞：電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng) LTE 多業(yè)務(wù) QoS

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）12-0035-01

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，電力通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)重點(diǎn)逐漸向終端通信接入網(wǎng)傾斜。能源互聯(lián)網(wǎng)成為未來(lái)趨勢(shì)，接入網(wǎng)業(yè)務(wù)呈現(xiàn)出大帶寬、移動(dòng)性、交互性、靈活接入等特點(diǎn)，要求接入網(wǎng)具備高實(shí)時(shí)、高可靠、高安全等特性。4G LTE系統(tǒng)靈活的帶寬配置，扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，相比傳統(tǒng)光纖更適合分布較為分散的電力終端，尤其是滿足移動(dòng)業(yè)務(wù)終端的通信需求，相比無(wú)線公網(wǎng)用戶(hù)少，業(yè)務(wù)專(zhuān)，易于監(jiān)控，正適應(yīng)接入網(wǎng)在“多手段、多功能、全業(yè)務(wù)、全覆蓋”建設(shè)目標(biāo)。因此，隨著多種業(yè)務(wù)的大量接入，如何保障重要業(yè)務(wù)不受延遲或丟棄，網(wǎng)絡(luò)資源合理分配，就需要研究一種基于電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)的端到端的QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）保障機(jī)制。

目前，4G LTE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)業(yè)務(wù)的QoS的定義和級(jí)別劃分都有明確的規(guī)定。但是這種劃分和相應(yīng)的保障機(jī)制沒(méi)有結(jié)合電力業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，沒(méi)有考慮到每種業(yè)務(wù)的具體需求[1-2]。因此，本文在建立業(yè)務(wù)性能指標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系基礎(chǔ)上，提出針對(duì)電力業(yè)務(wù)的QoS參數(shù)映射表，用多維度指標(biāo)對(duì)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，分配保留級(jí)別進(jìn)行量化和規(guī)范，進(jìn)而提出適用于電力終端接入網(wǎng)的業(yè)務(wù)QoS保障機(jī)制。

1 LTE QoS體系和保障策略

LTE系統(tǒng)（Long Term Evolution）由演進(jìn)型分組核心網(wǎng)（EPC）、演進(jìn)型基站（eNodeB）和用戶(hù)設(shè)備（UE）三部分組成。其中，EPC負(fù)責(zé)核心網(wǎng)部分，eNodeB負(fù)責(zé)接入網(wǎng)部分，也稱(chēng)E-UTRAN（演進(jìn)UMTS地面無(wú)線接入網(wǎng)），UE指用戶(hù)終端設(shè)備，EPC和E-UTRAN合稱(chēng)為EPS[3]。與3G傳統(tǒng)的無(wú)線通信系統(tǒng)相比，LTE接入網(wǎng)絡(luò)更加扁平化，因此LTE系統(tǒng)的QoS體系更簡(jiǎn)單化，QoS協(xié)商僅在核心網(wǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)，即核心網(wǎng)設(shè)備根據(jù)終端請(qǐng)求建立業(yè)務(wù)的QoS參數(shù)，結(jié)合核心網(wǎng)側(cè)用戶(hù)的簽約數(shù)據(jù)以及QoS控制策略，給出最終的QoS參數(shù)，并開(kāi)始建立對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)。對(duì)于核心網(wǎng)給出的QoS參數(shù)，eNB和終端要么接受，要么拒絕，無(wú)法像3G網(wǎng)絡(luò)一樣能再次進(jìn)行協(xié)商[4]。

2 LTE QoS控制對(duì)象

LTE系統(tǒng)中，EPS中只有數(shù)據(jù)（PS域）業(yè)務(wù)，用戶(hù)與網(wǎng)絡(luò)間必須先建立EPS承載（Bearer） 之后，才能在承載之上使用各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。每種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)流，稱(chēng)為一個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流SDF，它可以用一個(gè)IP五元組來(lái)表示（源、目的IP地址、源、目的端口、協(xié)議等），這個(gè)五元組稱(chēng)為T(mén)FT（traffic flow template）過(guò)濾器。

QoS控制的基本對(duì)象是EPS承載，EPS承載與QoS保障一一對(duì)應(yīng)，不同的QoS保障需要不同類(lèi)型的EPS承載來(lái)提供。EPS承載具體可分為默認(rèn)承載和專(zhuān)用承載或GBR承載和Non-GBR承載等[5]。

（1）默認(rèn)承載：默認(rèn)承載可以簡(jiǎn)單理解為一種提供盡力而為IP連接的承載，給用戶(hù)設(shè)備提供永遠(yuǎn)在線的IP連接。默認(rèn)承載是不保證比特率的承載。（2）專(zhuān)用承載：建立在默認(rèn)承載的基礎(chǔ)上，對(duì)某些特定業(yè)務(wù)（特定的QoS傳輸需求）所使用的EPS承載。通常情況QoS要求高于默認(rèn)承載。（3）GBR承載：與保證比特速率（GBR）承載相關(guān)的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)資源，所謂GBR，是指系統(tǒng)保證承載的最小比特速率，被網(wǎng)絡(luò)“永久”分配。GBR承載一般只是在需要時(shí)才建立。（4）Non-GBR承載：與GBR承載相反，網(wǎng)絡(luò)資源不能永久分配給某個(gè)承載。Non-GBR不需要占用固定的網(wǎng)絡(luò)資源，可長(zhǎng)時(shí)間地建立。

3 LTE QoS關(guān)鍵參數(shù)

LTE系統(tǒng)提供豐富的多媒體業(yè)務(wù)如數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、圖像、視頻等，用戶(hù)的體驗(yàn)要求不經(jīng)相同，如信息要準(zhǔn)確、速度要快、語(yǔ)音要清晰、畫(huà)面要流暢，電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)需要將這些體驗(yàn)映射為各個(gè)節(jié)點(diǎn)能識(shí)別處理的技術(shù)參數(shù)即QoS參數(shù)，再根據(jù)QoS控制數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)處理，以保證用戶(hù)的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。QoS的關(guān)鍵參數(shù)有： QCI、ARP、GBR、MBR和AMBR等。其中，QCI與AMBR兩個(gè)參數(shù)是LTE系統(tǒng)新增的。

（1）QoS分類(lèi)標(biāo)識(shí)（QCI）：是一個(gè)標(biāo)度值，代表了EPS應(yīng)該為這個(gè)SDF提供的QoS特性，每個(gè)SDF僅與一個(gè)QCI相關(guān)聯(lián)。QCI 定義為1～4，對(duì)應(yīng)GBR業(yè)務(wù)，需持續(xù)相等帶寬傳送的業(yè)務(wù)，如視頻或音頻類(lèi)業(yè)務(wù)；QCI 定義為5～9，對(duì)應(yīng)Non-GBR業(yè)務(wù)，如網(wǎng)頁(yè)瀏覽、ftp下載等。所有QCI屬性均可以根據(jù)實(shí)際需求預(yù)配置到接入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（比如eNodeB）上，這些參數(shù)決定了無(wú)線側(cè)承載資源的分配[1]。

（2）分配和保留優(yōu)先級(jí)（ARP）：表示創(chuàng)建承載時(shí)的優(yōu)先等級(jí)，取值1～15，數(shù)值越小越優(yōu)先。一個(gè)承載的ARP僅在承載建立成功之前對(duì)承載的建立產(chǎn)生影響。承載建立之后再需要對(duì)承載的特性進(jìn)行改變時(shí)，應(yīng)該由QCI、GBR、MBR和AMBR等參數(shù)決定[1]。建議Non-GBR的ARP建議高于GBR的優(yōu)先。

（3）保證比特速率（GBR）&最大比特速率（MBR）： GBR是保障速率，可以理解為業(yè)務(wù)承載需要滿足的最小帶寬；MBR為最大速率，可以理解為業(yè)務(wù)承載能滿足的最大速率。MBR參數(shù)一般大于或等于GBR參數(shù)取值[1]。

（4）聚合最大比特速率（AMBR）：為盡可能提高帶寬利用率而引入，針對(duì)Non-GBR 承載中的每一個(gè)承載都能夠潛在地利用整個(gè)AMBR。AMBR 參數(shù)限制了共享這一AMBR 的所有承載能所能提供的總速率[1]。

4 多業(yè)務(wù)LTE QoS設(shè)計(jì)

配用電業(yè)務(wù)類(lèi)型多樣，各類(lèi)業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延、帶寬等網(wǎng)絡(luò)條件的需求不同，要求LTE專(zhuān)網(wǎng)針對(duì)不同業(yè)務(wù)需求提供不同服務(wù)以保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。因此，本文針對(duì)多業(yè)務(wù)承載需求提出了一種基于LTE無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)的多級(jí)業(yè)務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制，保證網(wǎng)絡(luò)高效運(yùn)行。

5 QoS保障機(jī)制

電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)承載的配用電業(yè)務(wù)根據(jù)其功能需求可分為：控制類(lèi)業(yè)務(wù)、視頻監(jiān)控、信息監(jiān)測(cè)類(lèi)和市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)類(lèi)這幾大類(lèi)業(yè)務(wù)。其中視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)有帶寬保障的要求，業(yè)務(wù)需要承載在GBR承載上，其他業(yè)務(wù)則使用Non-GBR承載，并通過(guò)不同的QCI和ARP對(duì)業(yè)務(wù)的QoS能力進(jìn)行區(qū)分。

為保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，同一時(shí)刻多個(gè)業(yè)務(wù)請(qǐng)求接入，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)負(fù)荷高時(shí)，優(yōu)先確保優(yōu)先級(jí)高的業(yè)務(wù)得到服務(wù)，最大程度地緩解帶寬壓力。下面給出電力業(yè)務(wù)QoS保障機(jī)制。

控制類(lèi)業(yè)務(wù)：對(duì)通信安全性、時(shí)延、路由要求嚴(yán)格，通信的失效對(duì)電網(wǎng)影響嚴(yán)重。建議采用QCI=5的GBR承載，丟包率在10-6以?xún)?nèi)，有足夠的可靠性。如配電自動(dòng)化三遙、分布式電源業(yè)務(wù)。

視頻類(lèi)業(yè)務(wù)：對(duì)通信帶寬要求高。建議使用QCI=4的GBR承載，丟包率在10-6以?xún)?nèi)。GBR帶寬可根據(jù)視頻源碼率和帶寬配置。如配變視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)

信息監(jiān)測(cè)類(lèi)和市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)類(lèi)：對(duì)安全性要求較高、對(duì)時(shí)延、路由要求較寬松。建議采用QCI=9的Non-GBR承載，丟包率在10-6以?xún)?nèi)。如用電信息采集、智能家居管理業(yè)務(wù)。

6 QoS實(shí)現(xiàn)過(guò)程

核心網(wǎng)側(cè)，根據(jù)終端的業(yè)務(wù)建立請(qǐng)求，確定QoS關(guān)鍵參數(shù)，需要根據(jù)QCI來(lái)控制業(yè)務(wù)的時(shí)延，丟包以及對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)；根據(jù)GBR，MBR來(lái)控制業(yè)務(wù)速率；根據(jù)AMBR來(lái)控制非GBR的業(yè)務(wù)總速率。

接入網(wǎng)側(cè)，對(duì)于核心網(wǎng)發(fā)起的業(yè)務(wù)建立中的QoS參數(shù)，被動(dòng)選擇接受或者拒絕。終端側(cè)，在上層應(yīng)用發(fā)起業(yè)務(wù)時(shí)，將對(duì)應(yīng)的QoS參數(shù)在業(yè)務(wù)建立請(qǐng)求消息中帶給核心網(wǎng)。在業(yè)務(wù)建立時(shí)，根據(jù)核心網(wǎng)給出的QoS參數(shù)來(lái)建立對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)，并根據(jù)QOS參數(shù)中的AMBR來(lái)控制非GBR進(jìn)行總帶寬限制。

7 結(jié)語(yǔ)

本文將LTE的QoS機(jī)制與電力業(yè)務(wù)需求相結(jié)合，提供完整的QoS保障，支持9級(jí)QCI差分服務(wù)，制定符合電力需求的優(yōu)先級(jí)策略，在滿足各類(lèi)業(yè)務(wù)接入的同時(shí)，確保配電自動(dòng)化遙控業(yè)務(wù)等重要數(shù)據(jù)信息的優(yōu)先傳輸。本文通過(guò)探討電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)多業(yè)務(wù)QoS保障機(jī)制，希望能為L(zhǎng)TE電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量控制提供一點(diǎn)參考，為L(zhǎng)TE電力無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)的推廣應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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