鐵路站場LTE系統(tǒng)QoS技術(shù)

王亮， 黃偉

（鼎橋通信技術(shù)有限公司，四川成都 610041）

1 鐵路站場業(yè)務(wù)概述

在《鐵路信息化總體規(guī)劃》中，明確提出2020年車站（場）寬帶無線覆蓋率達(dá)到60%以上。在《鐵路站場寬帶無線接入系統(tǒng)總體技術(shù)要求（暫行）》中，規(guī)定了鐵路站場（包括編組站、貨運(yùn)站、客運(yùn)站、動(dòng)車段所和集裝箱中心站等）寬帶無線接入系統(tǒng)的技術(shù)要求，明確了站場寬帶無線接入系統(tǒng)可用于承載鐵路站場列檢、貨檢、調(diào)車、車號(hào)、客貨運(yùn)等語音、數(shù)據(jù)、圖像通信業(yè)務(wù)［1-3］。

鐵路站場是車站進(jìn)行各種技術(shù)作業(yè)的場地，站場無線通信系統(tǒng)是鐵路車站運(yùn)輸安全及調(diào)度指揮的重要支撐。鐵路站場采用LTE 寬帶無線接入系統(tǒng)后，由于承載業(yè)務(wù)多樣化，并且各種業(yè)務(wù)的要求差異化較大，亟須一套完整的業(yè)務(wù)保障機(jī)制來確保各種業(yè)務(wù)能夠正常進(jìn)行。根據(jù)鐵路站場業(yè)務(wù)分析，提出一套鐵路站場業(yè)務(wù)保障機(jī)制，以滿足鐵路站場的作業(yè)要求。

鐵路站場不同業(yè)務(wù)對(duì)優(yōu)先級(jí)和時(shí)延等要求各不相同，以我國某大型編組站為例，其典型鐵路站場業(yè)務(wù)要求見表1。

從表中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)看，鐵路站場業(yè)務(wù)類型多樣復(fù)雜，業(yè)務(wù)特點(diǎn)和業(yè)務(wù)要求各不相同，這些業(yè)務(wù)承載在LTE寬帶接入系統(tǒng)上，需要有完備的業(yè)務(wù)保障解決方案來保障各項(xiàng)站場業(yè)務(wù)正常進(jìn)行［4］。

2 LTE系統(tǒng)QoS業(yè)務(wù)保障原理

鐵路站場業(yè)務(wù)承載在LTE 系統(tǒng)后，需要根據(jù)LTE的QoS 策略進(jìn)行適配才能滿足鐵路站場的業(yè)務(wù)要求。LTE 可靠性技術(shù)主要包括基于服務(wù)質(zhì)量等級(jí)（QCI）的業(yè)務(wù)保障和基于用戶簽約服務(wù)標(biāo)識(shí)（SPID）的業(yè)務(wù)保障［5-6］。

表1 典型鐵路站場業(yè)務(wù)要求

在LTE系統(tǒng)中，QoS控制的基本單元是承載。用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流以該基本單元在網(wǎng)絡(luò)側(cè)實(shí)施QoS控制。映射到同一個(gè)承載的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流將得到同樣的QoS 保障，如調(diào)度策略、無線承載策略等。

3GPP TS23.203 最初定義了一套標(biāo)準(zhǔn)的從1 到9 的QCI，對(duì)不同業(yè)務(wù)進(jìn)行QoS 保障，R13 版本增加了QCI65、QCI66、QCI69、QCI70，用于一鍵通（PTT）業(yè)務(wù)。R14 版本增加了QCI75 和QCI79，用于車對(duì)外界信息交換（V2X）業(yè)務(wù)［7-10］。

在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中，如果同一個(gè)eNodeB 下不同用戶的QCI 相同，但用戶間的優(yōu)先級(jí)不同，此時(shí)，基于QCI 的業(yè)務(wù)保障并不能保障高優(yōu)先級(jí)用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，需要通過SPID 來進(jìn)行用戶識(shí)別，并傳遞到基站（eNodeB），eNodeB 根據(jù)SPID 不同的用戶進(jìn)行不同的調(diào)度優(yōu)先級(jí)匹配。

SPID 是運(yùn)營商為終端（UE）在歸屬地用戶簽約服務(wù)器（HSS）數(shù)據(jù)庫中注冊(cè)的1 個(gè)1～256 范圍內(nèi)的策略索引，eNodeB可以根據(jù)該索引對(duì)特定UE的業(yè)務(wù)行為作出特殊處理，以便按照UE 的業(yè)務(wù)特點(diǎn)更好地提供有針對(duì)性的服務(wù)。SPID在網(wǎng)絡(luò)中的傳遞流程見圖1。

圖1 SPID配置流程

通過SPID將具有相同特征的UE進(jìn)行歸類分組，使eNodeB能夠?qū)Σ煌纸M的UE靈活定制差異化的調(diào)度策略，從而提升不同分組UE的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

3 鐵路站場業(yè)務(wù)保障解決方案

3.1 方案實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際鐵路站場業(yè)務(wù)部署過程中，可根據(jù)QCI 和SPID 業(yè)務(wù)保障機(jī)制實(shí)現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)保障流程，具體實(shí)現(xiàn)方案如下：

當(dāng)收到核心網(wǎng)下發(fā)的業(yè)務(wù)建立請(qǐng)求或切換請(qǐng)求時(shí)，從中獲得對(duì)應(yīng)的QCI、保障速率（GBR）、最大保障速率（MBR）、聚合最大比特速率（AMBR）和分配保留優(yōu)先級(jí)（ARP）等相關(guān)參數(shù)，然后通過準(zhǔn)入控制來進(jìn)行業(yè)務(wù)初始QoS的保證。

如果業(yè)務(wù)準(zhǔn)入成功，則按照相關(guān)無線承載參數(shù)建立對(duì)應(yīng)的無線承載，該無線承載參數(shù)按照QCI 進(jìn)行配置，以此滿足不同類型業(yè)務(wù)的QoS需求。

已準(zhǔn)入成功業(yè)務(wù)的QoS保證主要體現(xiàn)在調(diào)度優(yōu)先級(jí)保障，在調(diào)度優(yōu)先級(jí)計(jì)算時(shí)考慮以下因素：

（1）信令調(diào)度：絕對(duì)優(yōu)先級(jí)高。

（2）語音調(diào)度：語音調(diào)度的優(yōu)先級(jí)低于信令，高于GBR和非保障速率（Non-GBR）。

（3）GBR 業(yè)務(wù)的GBR 保證：對(duì)于GBR 業(yè)務(wù)，eNodeB 會(huì)測量GBR 業(yè)務(wù)的實(shí)際速率，如果實(shí)際速率低于GBR 時(shí)，此時(shí)GBR 業(yè)務(wù)的優(yōu)先將絕對(duì)優(yōu)先于Non-GBR業(yè)務(wù)。

（4）Non-GBR 業(yè)務(wù)的最小保障速率（min_GBR）保證：為防止Non-GBR 的“餓死”情況，會(huì)對(duì)Non-GBR 設(shè)置1 個(gè)min-GBR，對(duì)于Non-GBR 的min-GBR 保證類似于GBR業(yè)務(wù)的GBR保證。

（5）GBR 業(yè)務(wù)的時(shí)延保證：當(dāng)GBR 業(yè)務(wù)的首包時(shí)延接近最大允許時(shí)延時(shí)，會(huì)提升該連接的優(yōu)先級(jí)，以保證GBR 業(yè)務(wù)的時(shí)延。GBR 之前的優(yōu)先級(jí)計(jì)算需要考慮不同GBR QCI的優(yōu)先級(jí)。

對(duì)于相同QCI 業(yè)務(wù)，如果該業(yè)務(wù)所屬用戶的SPID不同，則在計(jì)算該用戶調(diào)度優(yōu)先級(jí)時(shí)，增加SPID 的加權(quán)因子，從而實(shí)現(xiàn)同等QCI 下，不同SPID 用戶調(diào)度優(yōu)先級(jí)不同。根據(jù)鐵路站場的業(yè)務(wù)特點(diǎn)及要求，制定相關(guān)QoS參數(shù)以保障相關(guān)業(yè)務(wù)（見表2）：

（1）測機(jī)信號(hào)和信令用于列車操控，優(yōu)先級(jí)最高，通過QCI=5 來承載，其中兩者之間信令優(yōu)先級(jí)又相對(duì)較高，因此，對(duì)信令用戶配置SPID，以保障信令用戶的調(diào)度優(yōu)先級(jí)。

（2）群組語音用戶用于語音通信，優(yōu)先級(jí)為次高，通過QCI=1來承載。

（3）視頻監(jiān)控、勾確認(rèn)、勾計(jì)劃、領(lǐng)車視頻對(duì)時(shí)延和速率要求高，因此通過QCI=4 GBR 來進(jìn)行時(shí)延和速率保障；其中領(lǐng)車視頻優(yōu)先級(jí)又相對(duì)較高，通過SPID來識(shí)別保障。

表2 鐵路站場業(yè)務(wù)保障策略

（4）圖片上傳、工單下發(fā)、作業(yè)確認(rèn)對(duì)速率和時(shí)延要求低，通過QCI=9 Non-GBR來承載。

3.2 實(shí)施效果

以我國某大型鐵路站場為例，由于部署的業(yè)務(wù)類型較多，業(yè)務(wù)負(fù)荷較重，上行PRB 利用率已經(jīng)達(dá)到100%，在此網(wǎng)絡(luò)高負(fù)荷場景下，由于之前缺少對(duì)業(yè)務(wù)和用戶統(tǒng)一進(jìn)行QCI 和SPID 規(guī)劃以及相關(guān)優(yōu)先級(jí)保障機(jī)制，導(dǎo)致信令和語音等相關(guān)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)無法保障，不同業(yè)務(wù)的時(shí)延、吞吐率、掉話率、時(shí)延抖動(dòng)均不滿足業(yè)務(wù)QoS要求，頻繁出現(xiàn)信號(hào)中斷異常停車、視頻卡頓花屏、語音丟字等情況。

對(duì)該站場業(yè)務(wù)統(tǒng)一規(guī)劃并部署了相關(guān)QoS 保障方案，驗(yàn)證方案是否有效。測試時(shí)間選擇該站場業(yè)務(wù)忙時(shí)，選擇負(fù)載最重的1個(gè)小區(qū)，實(shí)施優(yōu)化方案前后，分別進(jìn)行8 組測試，每組進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)測試10 次，每次業(yè)務(wù)測試時(shí)長2 min，10 次測試結(jié)果取平均值作為該組測試結(jié)果。

（1）在該站場現(xiàn)有業(yè)務(wù)場景下，進(jìn)行多組測機(jī)信號(hào)、心跳、視頻監(jiān)控的時(shí)延測試，實(shí)施前后測試結(jié)果見圖2。

圖2 實(shí)施前后時(shí)延測試結(jié)果

測機(jī)信號(hào)在優(yōu)化前時(shí)延為2～6 s，不滿足測機(jī)信號(hào)2 s 以內(nèi)的要求，經(jīng)常出現(xiàn)故障停車問題；優(yōu)化后，由于基站增加了測試信號(hào)承載在QCI=5 上的業(yè)務(wù)保障機(jī)制，調(diào)度優(yōu)先級(jí)高，時(shí)延均在2 s 內(nèi)，滿足業(yè)務(wù)要求，不再出現(xiàn)異常停車問題。

心跳信號(hào)在優(yōu)化前時(shí)延為3～7 s，不滿足測機(jī)信號(hào)4 s 以內(nèi)的要求，經(jīng)常出現(xiàn)心跳丟失導(dǎo)致業(yè)務(wù)異常的問題；優(yōu)化后，由于基站增加了心跳信號(hào)承載在QCI=4上的業(yè)務(wù)保障機(jī)制，調(diào)度優(yōu)先級(jí)較高，時(shí)延均在4 s內(nèi)，滿足業(yè)務(wù)要求，不再出現(xiàn)由于心跳時(shí)延大導(dǎo)致業(yè)務(wù)異常的問題。

（2）在該站場現(xiàn)有業(yè)務(wù)場景下，進(jìn)行2 路720P 領(lǐng)車視頻和3 路720P 視頻監(jiān)控多組測試，實(shí)施前后吞吐量測試結(jié)果見圖3。

圖3 實(shí)施前后吞吐量測試結(jié)果

領(lǐng)車視頻在優(yōu)化前總吞吐量為1～4 Mb/s，領(lǐng)車視頻花屏卡頓嚴(yán)重，作業(yè)人員無法通過視頻進(jìn)行相關(guān)車輛操作；優(yōu)化后，由于基站增加了領(lǐng)車視頻的SPID 業(yè)務(wù)保障機(jī)制，吞吐量可以保障在5 Mb/s 以上，視頻清晰無卡頓，滿足業(yè)務(wù)要求。

視頻監(jiān)控在優(yōu)化前總吞吐量為1～6 Mb/s，視頻監(jiān)控花屏卡頓嚴(yán)重；優(yōu)化后，由于基站增加了視頻監(jiān)控承載在QCI=4 上的業(yè)務(wù)保障機(jī)制，調(diào)度優(yōu)先級(jí)較高，吞吐量可以保障在6 Mb/s 以上，視頻清晰無卡頓，滿足業(yè)務(wù)要求。

（3）在該站場現(xiàn)有業(yè)務(wù)場景下，進(jìn)行語音丟包率多組測試，實(shí)施前后語音丟包率測試結(jié)果見圖4。

圖4 實(shí)施前后語音丟包率測試結(jié)果

集群語音在優(yōu)化前丟包率較高，現(xiàn)場業(yè)務(wù)人員反饋經(jīng)常出現(xiàn)語音丟字問題；優(yōu)化后，由于基站增加了語音承載在QCI=1 上的業(yè)務(wù)保障機(jī)制，調(diào)度優(yōu)先級(jí)較高，語音丟包率降低到0.5%以下，不再出現(xiàn)語音丟字問題，滿足業(yè)務(wù)要求。

4 結(jié)束語

鐵路站場引入LTE 寬帶接入系統(tǒng)后，面對(duì)站場業(yè)務(wù)眾多、帶寬有限的情況，需要合理設(shè)計(jì)各業(yè)務(wù)QoS。LTE系統(tǒng)QoS包含服務(wù)優(yōu)先級(jí)、吞吐率、傳輸時(shí)延、掉話率等指標(biāo)，通過合理規(guī)劃業(yè)務(wù)的QCI和用戶調(diào)度優(yōu)先級(jí)來保障系統(tǒng)每部分均提供相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量保障，從而保證系統(tǒng)整體能夠滿足服務(wù)質(zhì)量要求。