向志華

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司, 成都 610031)

朔黃重載鐵路TD-LTE系統(tǒng)QoS評價標準研究

向志華

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司, 成都 610031)

朔黃鐵路LTE寬帶移動通信系統(tǒng)是一個只有PS域的IP數(shù)據(jù)移動承載網(wǎng)絡(luò)，在對QoS的評價方法上與GSM-R存在諸多不同之處。朔黃鐵路LTE系統(tǒng)是全球第一個承載鐵路安全業(yè)務(wù)和非安全業(yè)務(wù)的LTE系統(tǒng)，缺乏一個完整的QoS標準來評價系統(tǒng)的質(zhì)量。文章建立了分層模型，將重載鐵路LTE系統(tǒng)分為應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)、LTE移動承載網(wǎng)、有線傳輸承載網(wǎng)三層，根據(jù)三個分層的不同特點，基于3GPP、ITU-T等規(guī)范標準，合理分配各層指標，確定了適合重載鐵路的LTE系統(tǒng)QoS評價體系。評價體系包括網(wǎng)絡(luò)覆蓋指標、網(wǎng)絡(luò)不同業(yè)務(wù)的QoS指標、網(wǎng)絡(luò)基本性能指標、LTE網(wǎng)絡(luò)QoS指標要求、應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)指標等內(nèi)容。經(jīng)過朔黃鐵路LTE工程的驗證，證明本評價指標研究結(jié)果適應(yīng)重載鐵路業(yè)務(wù)需求，可以作為重載鐵路LTE系統(tǒng)的評價標準。

重載鐵路; LTE; QoS; 研究

朔黃鐵路是一條煤炭運輸重載鐵路，采用大功率機車、大軸重貨車和多機車重聯(lián)等技術(shù)實現(xiàn)萬噸直至兩萬噸以上重載列車開行，大幅度提高煤炭運輸能力。根據(jù)重載運輸?shù)男枨?，朔黃鐵路建設(shè)了基于LTE技術(shù)的寬帶移動通信系統(tǒng)，承載機車無線重聯(lián)、可控列尾等安全業(yè)務(wù)，以及集群調(diào)度語音通信、通用數(shù)據(jù)傳輸和圖像傳輸?shù)确前踩珮I(yè)務(wù)。

LTE(Long Term Evolution, 長期演進)是由3GPP(第三代合作伙伴計劃)推出的4G移動通信國際標準。LTE標準支持FDD(頻分雙工)和TDD(時分雙工)模式，即FD-LTE和TD-LTE模式。朔黃鐵路采用的是TD-LTE模式。LTE系統(tǒng)是一個只有PS域(分組域)的IP數(shù)據(jù)移動承載網(wǎng)，但具有豐富的服務(wù)質(zhì)量(QoS)管理功能，為多種不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)在一個平臺傳輸提供了可能性。

針對不同業(yè)務(wù)的特點和需求，LTE系統(tǒng)需要為不同業(yè)務(wù)提供不同等級的服務(wù)指標。鐵路LTE系統(tǒng)承載的業(yè)務(wù)和GSM-R系統(tǒng)類似，在朔黃重載鐵路LTE項目中，參考了GSM-R系統(tǒng)的評價體系，同時根據(jù)LTE系統(tǒng)的特點對QoS評價標準進行了研究。

1 QoS評價思路

在朔黃重載鐵路LTE系統(tǒng)中，各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，包括語音和圖像通信等所有業(yè)務(wù)都只是利用LTE作為承載平臺，每個業(yè)務(wù)的指標與有線傳輸承載網(wǎng)、LTE移動承載網(wǎng)和應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)的QoS相關(guān)。因此，朔黃鐵路LTE系統(tǒng)的QoS評價體系應(yīng)遵從層次化的原則，采用分層模型來討論下層為上層提供的QoS，如圖1所示。

圖1 QoS分層模型圖

在整個分層模型中，QoS指標應(yīng)以LTE承載網(wǎng)為核心，有線傳輸承載網(wǎng)指標應(yīng)根據(jù)LTE的要求和有線傳輸?shù)囊?guī)范來制定，應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)的指標應(yīng)根據(jù)LTE能提供的QoS和應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)自身需求來制定。

由于LTE為國際標準，朔黃鐵路LTE承載網(wǎng)提供的QoS指標主要應(yīng)根據(jù)國際標準、朔黃試驗段測試指標和公網(wǎng)相關(guān)標準指標來制定，而不應(yīng)僅局限于現(xiàn)有業(yè)務(wù)的需求，只有這樣才可能滿足以后LTE在鐵路應(yīng)用的標準化和未來業(yè)務(wù)的需求。

2 QoS指標研究方法

對朔黃鐵路TD-LTE系統(tǒng)QoS指標研究應(yīng)主要基于以下幾點來開展。

2.1 對國際標準的研究

3GPP對LTE整個架構(gòu)和體系都進行了標準化，并提出了相關(guān)指標的要求。同時， LTE作為一個業(yè)務(wù)應(yīng)用的IP數(shù)據(jù)承載平臺，ITU-T對IP網(wǎng)絡(luò)承載語音等業(yè)務(wù)也有相關(guān)的指標規(guī)定。

2.2 對工信部及公網(wǎng)運營商標準的追蹤和研究

工信部對LTE正在制定相關(guān)設(shè)備技術(shù)要求等設(shè)備規(guī)范，但還沒有對QoS指標方面制定規(guī)范。但中國移動在全國范圍進行了大規(guī)模的試驗局建設(shè)，并開始著手對LTE網(wǎng)絡(luò)進行企業(yè)驗收標準的制定。

2.3 對朔黃鐵路試驗段測試數(shù)據(jù)的研究

在全線LTE工程建設(shè)前，朔黃鐵路在小覺至西柏坡建設(shè)了試驗段，成功開通并組織進行了三次大規(guī)模的現(xiàn)場試驗，積累了一定的測試數(shù)據(jù)。

朔黃鐵路LTE系統(tǒng)QoS指標的制定應(yīng)以國際標準為基石，以朔黃鐵路試驗段的測試數(shù)據(jù)為參考依據(jù)，并同時追蹤對比中國移動的驗收標準和測試指標(中國移動同樣采用了TD-LTE模式)。

由于朔黃鐵路LTE系統(tǒng)在鐵路應(yīng)用的開創(chuàng)性，QoS指標的制定會隨著研究的不斷深入，數(shù)據(jù)的不斷積累而逐步完善和修正。

3 國際標準對指標的要求

(1)3GPP TR 25.913中提出了對LTE相關(guān)時延的要求

①控制平面時延：從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時間小于50 ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時間小于100 ms，狀態(tài)遷移方式如圖2所示。

圖2 控制平面狀態(tài)遷移路徑圖

②用戶平面時延：指在UE IP層與E-UTRAN邊緣節(jié)點IP層之間的數(shù)據(jù)包的單向傳輸時間小于5 ms。

(2)3GPP TS 23.203中提出了LTE針對不同業(yè)務(wù)的QoS設(shè)置和預(yù)估指標，如表1所示。

(3)ITU-T Y.1541提出了IP網(wǎng)絡(luò)中承載不同業(yè)務(wù)的QoS指標要求，如表2所示。

表1 LTE系統(tǒng)QoS指標表

表2 IP網(wǎng)絡(luò)QoS指標表

(4)ITU-T G.114提出了語音電話中對于高質(zhì)量語音可接受的單向時延(One-way transmission time)是150 ms，不可接受的單向時延是400 ms。并給出了各種語音編解碼的處理時延，其中朔黃鐵路語音集群系統(tǒng)采用的G.729編碼單向平均處理時延為35 ms。

4 有線傳輸承載網(wǎng)

LTE網(wǎng)絡(luò)中S1接口和X2接口為長途傳輸通道，如圖3所示。對有線傳輸承載網(wǎng)的要求主要為：X2接口需考慮移動性和ICIC的要求，傳輸時延要求小于20 ms；S1接口主要需考慮控制面時延和用戶應(yīng)用體驗的需求，傳輸時延一般要求小于10 ms。

圖3 S1接口和X2接口位置圖

根據(jù)LTE系統(tǒng)要求及朔黃鐵路的應(yīng)用特點，朔黃鐵路有線傳輸承載網(wǎng)的指標應(yīng)按表3制定。

表3 有線傳輸承載網(wǎng)指標

4.1 LTE移動承載網(wǎng)

對LTE系統(tǒng)的質(zhì)量評價主要應(yīng)考慮以下幾部分。

4.1.1 網(wǎng)絡(luò)覆蓋指標

LTE是采用OFDM無線接入技術(shù)并支持同頻組網(wǎng)的數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要由吞吐量、參考信號接收功率、參考信號信噪比等指標來衡量。

4.1.2 網(wǎng)絡(luò)不同業(yè)務(wù)的QoS指標

LTE針對不同業(yè)務(wù)需求可提供不同的QoS及QoS保障策略。朔黃鐵路LTE系統(tǒng)主要承載了5類不同等級業(yè)務(wù)，如表4所示。

表4 朔黃鐵路業(yè)務(wù)分類表

分層模型中，可認為針對每一種不同等級業(yè)務(wù)LTE都將提供一個服務(wù)接入點SAP(Service Access Point)，針對每一個SAP都需要制定不同的QoS指標。SAP接入位置如圖4所示。

圖4 服務(wù)接入點示意圖

對于機車無線重聯(lián)等實時安全數(shù)據(jù)信息，網(wǎng)絡(luò)QoS指標主要由傳輸時延、傳輸干擾時間、傳輸無差錯時間、傳輸丟包率、傳輸錯包率、移動終端連接丟失率等指標來衡量。

對于調(diào)度語音通信數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)QoS指標主要由傳輸時延、時延抖動、傳輸丟包率、傳輸錯包率、連接丟失率等指標來衡量。

對于調(diào)度命令、無線車次號校驗等行車指揮文本數(shù)據(jù)信息，網(wǎng)絡(luò)QoS指標主要由傳輸時延、傳輸丟包率、傳輸錯包率等指標來衡量。

對于車地視頻等圖像數(shù)據(jù)信息，網(wǎng)絡(luò)QoS指標主要由傳輸時延、時延抖動、傳輸丟包率、傳輸錯包率等指標來衡量。

對于綜合維護等普通應(yīng)用的文本數(shù)據(jù)信息，網(wǎng)絡(luò)QoS指標主要由傳輸時延、傳輸丟包率、傳輸錯包率等指標來衡量。

4.1.3 網(wǎng)絡(luò)基本性能指標

網(wǎng)絡(luò)基本性能指標主要針對網(wǎng)絡(luò)本身的信令流程，與不同業(yè)務(wù)的QoS沒有直接關(guān)系，主要由網(wǎng)絡(luò)注冊時延、網(wǎng)絡(luò)附著時延、專用承載建立時延、控制面時延(從IDLE狀態(tài)進入Active狀態(tài)時延)、越區(qū)切換時延、專用承載建立成功率、網(wǎng)絡(luò)尋呼成功率、越區(qū)切換成功率等指標來衡量。

4.1.4 LTE網(wǎng)絡(luò)QoS指標要求

根據(jù)朔黃重載鐵路的業(yè)務(wù)需求和試驗段測試情況，制定了覆蓋指標、網(wǎng)絡(luò)基本性能、網(wǎng)絡(luò)不同等級業(yè)務(wù)QoS等詳盡指標。部分關(guān)鍵指標如圖5所示。

表5 LTE網(wǎng)絡(luò)QoS關(guān)鍵指標表

4.2 應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)

對應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)，根據(jù)業(yè)務(wù)等級的不同，主要針對無線重聯(lián)安全數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語音集群業(yè)務(wù)進行討論。表6和表7分別列舉了無線重聯(lián)業(yè)務(wù)和集群語音業(yè)務(wù)的部分關(guān)鍵指標。

表6 無線重聯(lián)業(yè)務(wù)QoS關(guān)鍵指標表

表7 集群語音業(yè)務(wù)系統(tǒng)QoS評價指標

5 結(jié)束語

重載鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)QoS指標與有線承載網(wǎng)、LTE網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)的指標均有關(guān)系。因此，遵從層次化的原則，建立分層模型，有利于建立一個科學(xué)的、符合需求的、條理清晰的QoS評價體系。

在重載鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)研究中，針對LTE系統(tǒng)技術(shù)特性和朔黃鐵路的業(yè)務(wù)應(yīng)用特點，結(jié)合國際國內(nèi)相關(guān)標準規(guī)范，建立了QoS評價體系，對朔黃鐵路LTE寬帶移動通信系統(tǒng)的研究和全線工程化具有重要的參考作用。

從朔黃鐵路工程開通及運營初期應(yīng)用情況來看，通過分層模型建立的評價指標研究結(jié)果適應(yīng)重載鐵路業(yè)務(wù)需求，可以作為重載鐵路LTE系統(tǒng)的評價標準。但仍需在今后的長期運營中不斷積累網(wǎng)絡(luò)運用和測試數(shù)據(jù)，進一步開展相關(guān)研究，不斷修改完善，使整個評價體系更為合理。

[1] 3GPP TS 36.401 Architeture description[S].

[2] 3GPP TS 36.211 Physical channels and modulation[S].

[3] 3GPP TR 25.913 v7.3.0 (2006-03) Requirements for evolved Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) and Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) [S].

[4] 3GPP TS 23.203 Policy and Charging Control Architecture[S].

[5] ITU-T Y.1541-2006 Network performance objectives for IP-based services[S].

[6] ITU-T G.114 One-way transmission time[S].

[7] 王映民，孫韶輝.TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2010. WANG Yingming, SUN Shaohui. TD-LTE Technical Principle and System Design [M] .Beijing: Posts & Telecom Press, 2010.

[8] 蔣遠，湯利民.TD-LTE原理與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2012. JIANG Yuan, TANG Liming. TD-LTE Principles and Network Planning Design [M]. Beijing Posts & Telecom Press, 2012.

[9] 趙訓(xùn)威，林輝，張明，等. 3GPP長期演進(LTE)系統(tǒng)架構(gòu)與技術(shù)規(guī)范[M].北京:北京人民郵電出版社，2010. ZHAO Xunwei, LIN Hui, ZHANG Ming, et.al. 3GPP LTE System Structure and Specifications [M]. Beijing Posts & Telecom Press, 2010.

Research on QoS Evaluation Standard of TD-LTE System of Shuohuang Heavy Haul Railways

XIANG Zhihua

(China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd, Chengdu 610031, China)

Shuohuang Railway LTE broadband mobile communication system is an IP data mobile bearer network with only PS domain. It has a lot of differences from GSM-R in evaluating methods of QoS. Shuohuang LTE system is the first LTE system worldwide bearing safety and non-safety businesses of railway. There has been no established QoS criterion to evaluate the quality of this system. A hierarchical model is built in the study to determine a QoS evaluating criteria of LTE system of heavy haul railway. The model is based on the standards including 3 GPP and ITU-T. It divided the LTE system of Heavy haul railway into three layers according to their individual characteristics, i.e. application service system, LTE mobile bearer network, wired transmission bearer network. The indexes utilized in the evaluating system include network coverage, Qos metrics of different network services, basic performance index of network, QoS metrics of LTE network, indexes of application service system etc. The results has already been verified by the LTE project along Shuohuang railway. This system is able to meet business requirements of heavy haul railway, and can be the evaluating criteria of the LTE system of heavy haul railway.

Heavy haul railways; LTE; QoS; Research

2015-10-30

向志華(1971-)，男，高級工程師。 基金項目：國家科技支撐計劃課題(2013BAG20B01)

1674—8247(2016)03—0007—04

U285.21

A