城市軌道交通LTE-M服務(wù)質(zhì)量測(cè)試方法

趙俁鈞 戴源廷 魏志恒

摘 要：LTE-M作為新一代城市軌道交通通信系統(tǒng)，首先保障CBTC業(yè)務(wù)安全可靠傳輸，并具有綜合承載PIS，CCTV等業(yè)務(wù)的能力，已經(jīng)在我國(guó)城市軌道交通通信中廣泛應(yīng)用。文章介紹了對(duì)于LTE-M服務(wù)質(zhì)量的測(cè)試方法，并針對(duì)測(cè)試終端有可能的影響，提出通過(guò)采集分析網(wǎng)絡(luò)端接口數(shù)據(jù)的方法，利用實(shí)際網(wǎng)絡(luò)本身真實(shí)業(yè)務(wù)進(jìn)行測(cè)試，作為傳統(tǒng)測(cè)試方法的一種補(bǔ)充和配合，以求盡可能真實(shí)全面地測(cè)試LTE-M網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：LTE-M;測(cè)試終端;網(wǎng)絡(luò)接口;服務(wù)質(zhì)量

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)城市軌道交通建設(shè)增長(zhǎng)迅猛，新建線(xiàn)路均采用基于通信的列車(chē)運(yùn)行控制（Communications Based Train control，CBTC）系統(tǒng)。車(chē)地通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳輸列車(chē)控制信息和列車(chē)狀態(tài)信息是CBTC系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)也是城市軌道交通安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。城市軌道交通的基于第四代移動(dòng)通信技術(shù)的城市軌道交通綜合業(yè)務(wù)承載的TD-LTE系統(tǒng)（Long Term Evolution for Metro，LTE-M），首先要保障CBTC業(yè)務(wù)安全可靠傳輸，并具有綜合承載PIS，CCTV等業(yè)務(wù)的能力。綜上，LTE-M承載城市軌道交通的各種業(yè)務(wù)，已經(jīng)逐漸在我國(guó)城市軌道交通領(lǐng)域開(kāi)始展開(kāi)應(yīng)用，一種合理且更有效的測(cè)量方法能為L(zhǎng)TE-M的建設(shè)和運(yùn)維提供有效的技術(shù)保障。

1?LTE-M系統(tǒng)架構(gòu)

LTE-M系統(tǒng)在城市軌道交通車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信綜合承載過(guò)程中，要滿(mǎn)足信息傳輸實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)穩(wěn)定性、并保障對(duì)應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量（Qos），系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示，主要包括：（1）數(shù)據(jù)終端：固定臺(tái)、車(chē)載臺(tái)、手持臺(tái)等。（2）eNB包含基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）和射頻拉遠(yuǎn)單元（Remote Radio Unit，RRU）。? （3）LTE核心網(wǎng)包含：控制面的移動(dòng)性管理實(shí)體（Mobility Management Entity，MME）、用戶(hù)面的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)（PDN gateway，PGW）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（Serving Gateway，SGW）、歸屬簽約服務(wù)器（Home Subscriber Server，HSS）。（4）業(yè)務(wù)系統(tǒng)：CBTC，PIS，CCTV 等系統(tǒng)。（5）運(yùn)營(yíng)與支撐子系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)等。

2 ? LTE-M服務(wù)測(cè)量?jī)?nèi)容

在LTE-M系統(tǒng)中，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的測(cè)試，主要分為：場(chǎng)強(qiáng)覆蓋、傳輸性能相關(guān)和承載業(yè)務(wù)幾類(lèi)。根據(jù)承載的不同業(yè)務(wù)的重要性，有不同網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量要求，優(yōu)先級(jí)劃分如表1所示。

這些具體的KPI指標(biāo)按不同的類(lèi)別可分為：（1）無(wú)線(xiàn)類(lèi)指標(biāo)。無(wú)線(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋由RSRP和RSRQ來(lái)衡量，其中：RSRP用來(lái)標(biāo)識(shí)系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，可以用來(lái)衡量小區(qū)覆蓋范圍，指承載小區(qū)參考信號(hào)RE上的線(xiàn)性平均功率。RSRQ用來(lái)確定實(shí)際系統(tǒng)覆蓋狀況，是小區(qū)參考信號(hào)功率相對(duì)小區(qū)所有信號(hào)功率（RSSI）的比值。

（2）呼叫類(lèi)指標(biāo)。其中：RRC連接建立成功率，用來(lái)反映小區(qū)的UE接納能力，RRC連接異常掉話(huà)反映對(duì)應(yīng)小區(qū)內(nèi)RRC連接保持性能。E-RAB建立成功率主要通過(guò)E-RAB建立成功個(gè)數(shù)與建立請(qǐng)求個(gè)數(shù)之間的比進(jìn)行表示，E-RAB建立阻塞率標(biāo)識(shí)系統(tǒng)容量導(dǎo)致的E-RAB建立失敗，E-RAB掉話(huà)率及無(wú)線(xiàn)接通率等。

（3）移動(dòng)性管理類(lèi)指標(biāo)。eNodeB內(nèi)切換成功率、X2接口切換成功率、S1接口切換成功率等。

（4）時(shí)延類(lèi)指標(biāo)。Attach時(shí)延、切換時(shí)延、用戶(hù)面時(shí)延等。

（5）系統(tǒng)資源類(lèi)指標(biāo)。流量指標(biāo)：接口流量指標(biāo)、協(xié)議層流量指標(biāo);無(wú)線(xiàn)資源利用率：PUSCH PRB利用率、PDSCH PRB利用率、PRACH資源利用率;系統(tǒng)資源利用率：尋呼擁塞率、重傳率、丟包率等。

3?測(cè)試方法

應(yīng)用LTE-M通信測(cè)試工具測(cè)量LTE-M網(wǎng)絡(luò)，參照軌道列車(chē)行進(jìn)速度，獲得關(guān)鍵服務(wù)質(zhì)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)客觀評(píng)估。

3.1? 場(chǎng)強(qiáng)覆蓋測(cè)試

無(wú)線(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋可由RSRP和RSRQ來(lái)衡量。測(cè)試使用場(chǎng)強(qiáng)接收儀測(cè)試列車(chē)移動(dòng)過(guò)程中接收功率的變化，以此獲得LTE-M網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋的具體情況，得到場(chǎng)強(qiáng)質(zhì)量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)[1]，如圖2所示。

通過(guò)路測(cè)方法測(cè)量出某區(qū)域若干RSRP和RSRQ相關(guān)數(shù)據(jù)后，通過(guò)以下覆蓋率KPI計(jì)算公式可計(jì)算出區(qū)域?qū)嶋H覆蓋率，覆蓋率定義為F=1的測(cè)試位置在測(cè)試區(qū)域所取測(cè)試點(diǎn)中的百分率。

F=RSRP≥R

RSRQ≥S

（當(dāng)RSRP≥R和RSRQ≥S都滿(mǎn)足，則F=1;否則F=0。R和S為設(shè)定閾值。）

RSRP標(biāo)識(shí)下行導(dǎo)頻信號(hào)接收功率;SINR標(biāo)識(shí)接收導(dǎo)頻信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量，即“信噪比”;計(jì)算中需先排除RSRP或者RSRQ的值遠(yuǎn)超過(guò)正常范圍的異常測(cè)試點(diǎn)。如果某一測(cè)試區(qū)域接收信號(hào)功率超出某一門(mén)限，同時(shí)信號(hào)質(zhì)量超出某一門(mén)限則表示該區(qū)域被覆蓋。

3.2? 傳輸性能測(cè)試

傳輸性能測(cè)試包括傳輸時(shí)延、丟包率和吞吐率等，時(shí)延包括了系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)延，比如各節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延，傳輸時(shí)延等;切換時(shí)延還包括控制面時(shí)延和用戶(hù)面時(shí)延;丟包率包括在動(dòng)態(tài)環(huán)境下不同列車(chē)速度下的數(shù)據(jù)丟包率;吞吐率包括在不同業(yè)務(wù)類(lèi)型不同列車(chē)速度環(huán)境下的對(duì)應(yīng)的上行吞吐率/下行吞吐率[2]，如圖3所示。

3.3? 其他

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)還包括連接建立時(shí)延、連接建立失敗率等一些靜態(tài)指標(biāo)。尤其應(yīng)該關(guān)注的是越區(qū)切換成功率和切換時(shí)延的測(cè)試，切換性能是列車(chē)行進(jìn)過(guò)程中服務(wù)質(zhì)量的重要指標(biāo)，切換性能測(cè)試可與吞吐率測(cè)試同時(shí)進(jìn)行。

4 網(wǎng)絡(luò)接口測(cè)試方法

對(duì)于LTE-M網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的測(cè)試，以上的方法可能會(huì)因?yàn)闇y(cè)試終端本身的原因不能全面準(zhǔn)確的反映出網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。因此，文章提出一種利用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口映射，對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)的方法，在不對(duì)LTE-M系統(tǒng)產(chǎn)生影響的情況下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的準(zhǔn)確、全面的反映。具體測(cè)試如圖4所示。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口測(cè)試設(shè)備監(jiān)測(cè)LTE-M網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，LTE-M系統(tǒng)不管是從連接建立開(kāi)始還是連接斷開(kāi)，中間的所有的業(yè)務(wù)過(guò)程和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的S1接口上都有反映，可以通過(guò)對(duì)S1接口數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計(jì)來(lái)評(píng)估網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)質(zhì)量。S1接口的協(xié)議棧如圖5所示。

對(duì)于上面提出的各項(xiàng)服務(wù)質(zhì)量測(cè)試內(nèi)容，筆者可以針對(duì)S1接口控制面（S1-C）和S1接口用戶(hù)面（S1-U）進(jìn)行針對(duì)性的分析統(tǒng)計(jì)，對(duì)于不同條件下LTE-M上承載的不同業(yè)務(wù)在真實(shí)應(yīng)用的環(huán)境中進(jìn)行。這種方法：一是采用列車(chē)上已有系統(tǒng)進(jìn)行真實(shí)業(yè)務(wù)測(cè)試，可以不利用模擬業(yè)務(wù)方式進(jìn)行;二是不用頻繁進(jìn)行測(cè)試環(huán)境變化，隨時(shí)可以進(jìn)行;三是對(duì)原系統(tǒng)基本沒(méi)有影響，盡量保證了系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的準(zhǔn)確反映。

通過(guò)在S1-C接口通信信令進(jìn)行可靠地監(jiān)測(cè)并進(jìn)行解析、關(guān)聯(lián)，可以準(zhǔn)確分析統(tǒng)計(jì)出連接建立成功率、連接建立時(shí)延、斷開(kāi)（失效）率、切換等過(guò)程相關(guān)指標(biāo)[3]。其中：

（1）E-RAB建立成功率。E-RAB指用戶(hù)平面的承載，E-RAB建立成功率用E-RAB指派建立嘗試次數(shù)與E-RAB指派建立成功響應(yīng)次數(shù)間的比值來(lái)表示，可以標(biāo)識(shí)eNB或者小區(qū)接納業(yè)務(wù)的能力和系統(tǒng)負(fù)荷情況（見(jiàn)圖6）。KPI計(jì)算公式為：E-RAB建立成功率=（Attach過(guò)程中E-RAB建立成功次數(shù)+Service Request過(guò)程中E-RAB建立成功次數(shù)+承載建立過(guò)程中E-RAB建立成功次數(shù)）/（Attach過(guò)程中E-RAB請(qǐng)求建立次數(shù)+Service Request過(guò)程中E-RAB請(qǐng)求建立次數(shù)+承載建立中E-RAB請(qǐng)求建立次數(shù)）×100%。

（2）E-RAB建立阻塞率。E-RAB建立阻塞率反映系統(tǒng)容量導(dǎo)致的E-RAB建立失敗，可以標(biāo)識(shí)eNB或者小區(qū)的業(yè)務(wù)接納控制能力和系統(tǒng)資源負(fù)荷情況。KPI計(jì)算公式為：E-RAB阻塞率=接納拒絕的E-RAB次數(shù)/請(qǐng)求接納的E-RAB次數(shù)×100%。

（3）E-RAB掉話(huà)率。由于某些異常的原因，eNB向CN發(fā)起E-RAB請(qǐng)求，請(qǐng)求釋放一個(gè)或者多個(gè)無(wú)線(xiàn)接入承載（E-RAB）。當(dāng)UE不激活、丟失、或其它的eNB異常原因，eNB即向CN發(fā)出UE釋放請(qǐng)求，同樣會(huì)導(dǎo)致釋放UE已建立好的E-RAB。KPI計(jì)算公式為：E-RAB掉話(huà)率=異常原因eNB請(qǐng)求釋放的E-RAB次數(shù)/E-RAB建立成功次數(shù)×100%。

（4）S1接口切換成功率。S1接口作為eNB同CN之間的接口，其切換成功率標(biāo)識(shí)了eNB與其他eNB通過(guò)CN參與的UE切換成功情況，與系統(tǒng)切換處理性能和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)有關(guān)[7]（見(jiàn)圖7）。KPI計(jì)算公式為：S1接口切入成功率=S1接口切換入成功次數(shù)（本小區(qū)）/S1接口切換入嘗試次數(shù)×100%。

S1接口切出成功率=S1接口切換出成功次數(shù)/S1接口切換出嘗試次數(shù)（本小區(qū)）×100%。

（5）S1接口切換時(shí)延。S1接口切換時(shí)延標(biāo)識(shí)UE進(jìn)行LTE S1切換過(guò)程中的用戶(hù)面中斷時(shí)間，是衡量用戶(hù)感受網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[5]。KPI計(jì)算公式為：上行時(shí)延=S1切換后目標(biāo)基站收到的第一個(gè)上行數(shù)據(jù)包時(shí)間-S1切換前源基站收到的最后一個(gè)上行數(shù)據(jù)包時(shí)間。下行時(shí)延=S1切換后目標(biāo)基站發(fā)送的第一個(gè)下行數(shù)據(jù)包時(shí)間-S1切換前源基站發(fā)送的最后一個(gè)下行數(shù)據(jù)包時(shí)間。

在S1-U接口可以在不同的層次上進(jìn)行傳輸相關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，比如在傳輸層次或者在業(yè)務(wù)層次。LTE-M接口信令分析展示如圖8所示。

5?結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究分析城市軌道交通裝備技術(shù)規(guī)范，本文具體介紹LTE-M網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量基本測(cè)試方法，并引進(jìn)一種基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)S1接口分析統(tǒng)計(jì)的測(cè)試方式。通過(guò)對(duì)無(wú)線(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋、車(chē)地通信傳輸性能以及切換性能等關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)試，可以客觀評(píng)估動(dòng)態(tài)列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，也為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量評(píng)估提供可信數(shù)據(jù)依據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]顧向峰.城市軌道交通車(chē)地通信TD-LTE綜合業(yè)務(wù)承載測(cè)試分析[J].城市軌道交通研究，2016（7）：140-143.

[2]趙麟杰.鐵路LTE系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量測(cè)試與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2018（15）：40-45.

[3]郜周軍，崔雁松.LTE無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化關(guān)鍵性能指標(biāo)的分析與研究[J].中國(guó)新通信，2015（21）：89-91.

[4]黃云玲.LTE在城市軌道交通CBTC信號(hào)系統(tǒng)車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信的應(yīng)用[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2016（6）：91-94.

[5]朱東飛，洪婷.城市軌道交通車(chē)地通信綜合承載系統(tǒng)（LTE-M）性能測(cè)試與分析[J].城市軌道交通研究，2017（5）：171-175.

（編輯 姚 鑫）