朱東飛 李 想 張 楊

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司,400030,武漢; 2.上海自儀泰雷茲交通自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司,201206,上海; 3.武漢智慧地鐵科技有限公司，430074,上海//第一作者,副總工程師)

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CBTC應(yīng)用環(huán)境下TD-LTE承載網(wǎng)絡(luò)的QoS (服務(wù)質(zhì)量)增強(qiáng)措施研究

朱東飛1李 想2張 楊3

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司,400030,武漢; 2.上海自儀泰雷茲交通自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司,201206,上海; 3.武漢智慧地鐵科技有限公司，430074,上海//第一作者,副總工程師)

從減少同頻干擾和鄰頻干擾、增加頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率、提高系統(tǒng)通用性和可靠性等技術(shù)優(yōu)勢(shì)出發(fā),分析了TD-LTE (分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn))技術(shù)應(yīng)用于CBTC (基于通信的列車自動(dòng)控制)系統(tǒng)的可行性與必要性。簡(jiǎn)要介紹了基于TD-LTE承載網(wǎng)絡(luò)的CBTC系統(tǒng)框架,并分別從控制平面和業(yè)務(wù)平面對(duì)該框架的QoS (服務(wù)質(zhì)量)機(jī)制進(jìn)行了論述。針對(duì)CBTC系統(tǒng)的實(shí)施提出LTE (長(zhǎng)期演進(jìn))系統(tǒng)核心網(wǎng)(EPC)冗余、LTE基站冗余與終端設(shè)備(CPE)冗余備份等措施,保障TD-LTE承載網(wǎng)絡(luò)的QoS等級(jí)。

TD-LTE技術(shù); CBTC系統(tǒng); QoS機(jī)制; 冗余備份

First-author′s address Wuhan Rail Transit Group Co.,Ltd.,400030,Wuhan,China

1 基于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的CBTC系統(tǒng)

1.1 TD-LTE技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

TD-LTE (分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn))技術(shù)是第三代移動(dòng)通信技術(shù)的進(jìn)一步演進(jìn),引入了OFDM (正交頻分復(fù)用)和MIMO(多輸入多輸出)等空口增強(qiáng)技術(shù),增加了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率。軌道交通行業(yè)可供劃分使用的LTE (長(zhǎng)期演進(jìn))頻段為1 785—1 805 MHz[1]。TD-LTE專用網(wǎng)絡(luò)為CBTC (基于通信的列車自動(dòng)控制)系統(tǒng)、車載CCTV (閉路電視監(jiān)控)系統(tǒng)和語(yǔ)音視頻綜合調(diào)度系統(tǒng)提供通道,與傳統(tǒng)通信應(yīng)用方案相比,主要有以下優(yōu)勢(shì):

(1) 使用專用頻段,不存在外部系統(tǒng)的頻率干擾;

(2) 采用無(wú)縫切換算法、遠(yuǎn)距離覆蓋等措施,滿足高移動(dòng)性需求,能保證列車以200 km/h速度運(yùn)行時(shí)其延時(shí)小于50 ms;

(3) 具有較高的通用性和市場(chǎng)基礎(chǔ),可以延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用周期,得到更好的投資收益比;

(4) TD-LTE能對(duì)不同的業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)區(qū)分(對(duì)業(yè)務(wù)、維護(hù)、告警等數(shù)據(jù)流進(jìn)行分級(jí)),分配與之相匹配的QoS (服務(wù)質(zhì)量)等級(jí)。

1.2 TD-LTE技術(shù)應(yīng)用于CBTC系統(tǒng)

TD-LTE技術(shù)應(yīng)用于CBTC系統(tǒng)的框架如圖 1所示,主要由中心控制系統(tǒng)、基站覆蓋子系統(tǒng)和列車子系統(tǒng)組成。

中心控制系統(tǒng)包括LTE控制中心和業(yè)務(wù)中心。LTE控制中心涵蓋EPC (核心網(wǎng))設(shè)備和LTE網(wǎng)管系統(tǒng),業(yè)務(wù)系統(tǒng)為中心已有系統(tǒng),包括CBTC控制中心、PIS (乘客信息服務(wù)系統(tǒng))服務(wù)器、CCTV車載監(jiān)視系統(tǒng)服務(wù)器等設(shè)備,這些設(shè)備均接入控制中心交換機(jī),與EPC設(shè)備建立通信。

圖1 基于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的CBTC系統(tǒng)組成框圖

基站覆蓋子系統(tǒng)負(fù)責(zé)LTE無(wú)線信號(hào)在軌道上的無(wú)縫覆蓋,保證無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度和質(zhì)量,從而確保CPE (終端設(shè)備)設(shè)備具備有效的無(wú)線通道,保障各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的及時(shí)、準(zhǔn)確傳輸?；靖采w子系統(tǒng)包括LTE基站、車站交換機(jī)、天線等。

列車子系統(tǒng)包括車載LTE系統(tǒng)和車載業(yè)務(wù)系統(tǒng)。車載LTE系統(tǒng)包括車載CPE和車載交換機(jī)。車載業(yè)務(wù)系統(tǒng)為列車已有系統(tǒng),包括車載CCTV設(shè)備、車載PIS設(shè)備、車載CBTC設(shè)備等。車載CPE設(shè)備實(shí)現(xiàn)路由器、網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)管理功能,負(fù)責(zé)將以太網(wǎng)端的數(shù)據(jù)收集起來(lái),無(wú)縫轉(zhuǎn)發(fā)到LTE無(wú)線側(cè),同時(shí)將LTE系統(tǒng)無(wú)線側(cè)下發(fā)的數(shù)據(jù)正確轉(zhuǎn)發(fā)到車載設(shè)備。

2 TD-LTE承載網(wǎng)絡(luò)端到端QoS機(jī)制

在TD-LTE的體系中,QoS控制的基本粒度是承載。LTE協(xié)議框架中的QoS機(jī)制考慮到未來(lái)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)高速、突發(fā)的特點(diǎn),為了有效提高用戶體驗(yàn),真正實(shí)現(xiàn)用戶的永遠(yuǎn)在線,引入了默認(rèn)承載的概念,同時(shí)也取消了專用信道,采用了共享信道的機(jī)制,使用了靈活的動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制。這些使得TD-LTE體系能夠有效地保證無(wú)縫的用戶體驗(yàn)[2]。

如圖2所示,EPS (演進(jìn)分組系統(tǒng))承載業(yè)務(wù)與外部承載業(yè)務(wù)共同支撐端到端業(yè)務(wù),其不僅能夠提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳送,還提供了業(yè)務(wù)QoS相關(guān)信息映射以及業(yè)務(wù)流復(fù)用等功能。具體來(lái)說(shuō),LTE體系的QoS功能包括:根據(jù)請(qǐng)求的QoS實(shí)現(xiàn)eNB (LTE中基站名稱)與用戶終端(UE)間承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元人傳輸;IP頭壓縮;用戶平面加密;UE提供映射及復(fù)用信息;根據(jù)請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)MME (移動(dòng)性管理實(shí)體)與eNB之間的承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元的傳輸;提供端到端IP業(yè)務(wù)匯聚的QoS保證。

圖2 TD-LTE網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)QoS承載架構(gòu)

結(jié)合圖 2描述LTE中QoS承載的建立過(guò)程為:當(dāng)UE發(fā)起1個(gè)新的業(yè)務(wù)請(qǐng)求時(shí),位于EPC的PCRF (策略與計(jì)費(fèi)規(guī)則功能)就會(huì)根據(jù)新業(yè)務(wù)的QoS需求產(chǎn)生1個(gè)PCC (策略計(jì)費(fèi)控制)消息,這個(gè)消息描述了該業(yè)務(wù)流的特性,如與QoS有關(guān)的位速率、業(yè)務(wù)等級(jí)等。之后,1個(gè)SDF (標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)格式文件)需要經(jīng)過(guò)位于P-GW (PDN GateWay,PDN (分組數(shù)據(jù)網(wǎng))網(wǎng)關(guān))的DL-TFT (下行業(yè)務(wù)流模板),并經(jīng)由其中的包過(guò)濾器映射到某一個(gè)EPS承載關(guān)聯(lián)的集合。S-GW (服務(wù)網(wǎng)關(guān))從PCRF中獲取此SDF描述消息,并且以每個(gè)業(yè)務(wù)等級(jí)為單位對(duì)S5/S8承載和S1承載的關(guān)系進(jìn)行對(duì)應(yīng)。同樣,無(wú)線承載通過(guò)綁定S1承載實(shí)現(xiàn)到S1承載的一一映射。由此,通過(guò)級(jí)聯(lián)S5/S8承載、S1承載和無(wú)線承載[3],建立了UE和外部PDN之間的IP連接,實(shí)現(xiàn)了具有特定QoS等級(jí)的SDF數(shù)據(jù)的傳輸。

3 CBTC系統(tǒng)中TD-LTE承載網(wǎng)絡(luò)的QoS保障措施

3.1 系統(tǒng)冗余備份措施

基于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的CBTC系統(tǒng)使用系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的QoS保障,如圖 3所示。主要有LTE系統(tǒng)EPC冗余、LTE基站冗余與CPE冗余,這些手段可以保證車地通信的CBTC信號(hào)能連續(xù)、穩(wěn)定、可靠地傳輸。

3.1.1 LTE系統(tǒng)EPC冗余

核心網(wǎng)在組網(wǎng)形態(tài)上采用A、B雙網(wǎng)覆蓋原則,使用完全獨(dú)立的雙LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),工作在1 785—1 805 MHz中的兩個(gè)5 MHz頻段,提供冗余備份。同時(shí)設(shè)計(jì)雙EPC備份功能:主EPC與備用EPC外部接口完全一致,同時(shí)2個(gè)主備EPC會(huì)定期同步信息。備用EPC根據(jù)主EPC的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行自我調(diào)整,隨時(shí)做好接納工作的準(zhǔn)備。當(dāng)主EPC發(fā)生故障時(shí),備用EPC能迅速接管工作,擔(dān)負(fù)起管理全網(wǎng)、傳輸各種業(yè)務(wù)的職責(zé)。

圖3 CBTC系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)圖

3.1.2 LTE基站冗余

在布網(wǎng)時(shí),為了保證某臺(tái)基站發(fā)生故障時(shí),不會(huì)影響系統(tǒng)業(yè)務(wù)傳輸,如圖 4所示,需要增加基站數(shù)量,減小基站間隔距離。額外增加的基站為冗余,確保無(wú)信號(hào)盲區(qū),保證業(yè)務(wù)的正常傳輸。

3.1.3 LTE系統(tǒng)CPE冗余

車載設(shè)備由車頭、車尾2套天線和CPE設(shè)備組成,車頭、車尾分別包含主、備2套CPE設(shè)備,分別工作在A、B網(wǎng)。例如:車頭A網(wǎng)主CPE+B網(wǎng)備CPE,車尾B網(wǎng)主CPE+A網(wǎng)備CPE,2套車載設(shè)備均能同時(shí)工作,互為冗余備份。CPE冗余為內(nèi)部冗余,CPE主控板同時(shí)連接2個(gè)LTE-UE。2個(gè)UE模塊,1個(gè)作為主UE,1個(gè)作為備用UE。正常狀況下,使用主UE傳輸數(shù)據(jù),當(dāng)主UE發(fā)生故障時(shí),主控板將控制切換使用備用UE繼續(xù)工作。

圖4 LTE基站冗余設(shè)計(jì)

3.2 LTE網(wǎng)絡(luò)控制平面QoS保障措施

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)QoS機(jī)制的控制平面主要作用是感知業(yè)務(wù)類型、登記用戶信息、接納控制、資源預(yù)留、選擇QoS策略、通知業(yè)務(wù)平面執(zhí)行。

3.2.1 資源預(yù)留

為確保業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量,精確的資源預(yù)留是必須的。這里的“資源”指帶寬和緩沖區(qū)。一方面,一個(gè)新的業(yè)務(wù)流是否被接納取決于是否有滿足業(yè)務(wù)流需求的網(wǎng)絡(luò)資源,如果有足夠的資源,就接納該業(yè)務(wù)并對(duì)其進(jìn)行資源預(yù)留;另一方面,業(yè)務(wù)資源預(yù)留后,剩余資源需要更新,從而影響接納控制的判斷。

當(dāng)業(yè)務(wù)流發(fā)起時(shí),把包含業(yè)務(wù)流特性和需求QoS參數(shù)的報(bào)文發(fā)給網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備[4],交換設(shè)備根據(jù)剩余資源和前一跳地址形成新的報(bào)文,轉(zhuǎn)發(fā)給下一交換設(shè)備,直到目的節(jié)點(diǎn)。接收方收到報(bào)文后,根據(jù)業(yè)務(wù)特性和可用資源參數(shù)形成接收消息,沿原路發(fā)送給源端,中間的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備根據(jù)接收?qǐng)?bào)文進(jìn)行可用資源更新和流量分類器等參數(shù)調(diào)整。源端收到接收?qǐng)?bào)文后即可發(fā)送數(shù)據(jù)包。資源預(yù)留是一個(gè)面向連接的方式,故能確保網(wǎng)絡(luò)上業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)管理平面,采用基于策略的管理方法,參考測(cè)量得到的信道的長(zhǎng)期和短期統(tǒng)計(jì)特性,選擇最優(yōu)的QoS接入鏈路方案,達(dá)到保證QoS的目的。

3.2.2 基于測(cè)量的接納控制

當(dāng)新業(yè)務(wù)流發(fā)起時(shí),把包含業(yè)務(wù)流特性和需求的報(bào)文發(fā)給中繼節(jié)點(diǎn),然后該節(jié)點(diǎn)將網(wǎng)絡(luò)資源的剩余情況與業(yè)務(wù)特性及需求進(jìn)行比較。若資源能滿足,則接納該業(yè)務(wù),并預(yù)留資源,否則拒絕該業(yè)務(wù)流的計(jì)入,以提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率和保證業(yè)務(wù)的QoS。

會(huì)話級(jí)QoS準(zhǔn)入控制階段的功能實(shí)體包括UE、IMS (IP多媒體子系統(tǒng))呼叫、資源配置實(shí)體(含SPR (用戶屬性存儲(chǔ)器)、P-CSCF (代理會(huì)話控制功能)、PDF (策略決策功能))、控制器QoS隊(duì)列組、信道狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊和信道QoS隊(duì)列組。在UE發(fā)起業(yè)務(wù)時(shí),IMS呼叫和資源配置實(shí)體通過(guò)自身SPR庫(kù)中反應(yīng)出的用戶級(jí)別,UE發(fā)出的SIP/SDP (會(huì)話初始協(xié)議/會(huì)話描述協(xié)議)消息中包含的用戶業(yè)務(wù)QoS要求,信道狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊在設(shè)定的時(shí)間窗內(nèi)測(cè)得的隊(duì)列長(zhǎng)度(一階統(tǒng)計(jì)特性)、發(fā)送速率(二階統(tǒng)計(jì)特性)等QoS傳輸資源使用和可用情況,由PDF實(shí)體做出是否可滿足當(dāng)前呼叫請(qǐng)求的業(yè)務(wù)QoS決策。如果是則由PEF執(zhí)行面向QoS準(zhǔn)入接納策略執(zhí)行體,根據(jù)得到的該業(yè)務(wù)的信道(由哪個(gè)無(wú)線信道承載)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建和信道QoS隊(duì)列組相對(duì)應(yīng)的控制器QoS隊(duì)列組,并通知UE可以開始業(yè)務(wù)平面的分組傳輸。

采用基于測(cè)量的會(huì)話級(jí)準(zhǔn)入接納控制算法,通過(guò)對(duì)每一個(gè)時(shí)間窗口T內(nèi)信道狀況的測(cè)量,計(jì)算信道中隊(duì)列長(zhǎng)度的平均值,以此為參考,決定下一個(gè)時(shí)間窗口T內(nèi)新申請(qǐng)的業(yè)務(wù)流接納與否。窗口T的大小反映了接納控制算法對(duì)歷史記憶的長(zhǎng)度,T越小,通過(guò)測(cè)量計(jì)算所得的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載值和實(shí)際負(fù)載值越接近,資源利用率越高,接納流的數(shù)目越多,但可能導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量降低;T越大,接納控制算法越保守,資源利用率越低,接納流的數(shù)目減少,但服務(wù)質(zhì)量容易得到滿足。為了選擇一個(gè)合適的時(shí)間窗口T?；谀：刂频睦碚?對(duì)時(shí)間窗口T的選取進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。這樣就可以有效地提高鏈路利用率,給系統(tǒng)提供更優(yōu)的服務(wù)質(zhì)量。

3.3 LTE網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)平面QoS保障措施

TD-LTE核心網(wǎng)絡(luò)主要采取平面分流、分類保障、流量監(jiān)控等措施,為用戶提供服務(wù)質(zhì)量保障。全網(wǎng)劃分為若干個(gè)保障等級(jí),根據(jù)業(yè)務(wù)和用戶類型預(yù)先分配帶寬。采用技術(shù)上比較成熟的基于DiffServ模型、資源預(yù)留協(xié)議(RSVP)進(jìn)行QoS保障。

基于DiffServ模型的網(wǎng)絡(luò)QoS控制模型,采用MPLS(多協(xié)議標(biāo)簽交換)作為交換技術(shù)。MPLS是下一代IP承載網(wǎng)的核心技術(shù)。作為一種三層交換技術(shù),MPLS將網(wǎng)絡(luò)層的路由機(jī)制與鏈路層的標(biāo)記交換機(jī)制結(jié)合在一起。在MPLS網(wǎng)絡(luò)入口處,標(biāo)記邊緣路由器(LER)依據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類(FEC)給每一個(gè)分組分配一個(gè)固定長(zhǎng)度的標(biāo)記。

核心承載網(wǎng)的QoS保證機(jī)制主要有MPLS流量工程、基于MPLS的QoS服務(wù)模型(IntServ和DiffServ)及區(qū)分服務(wù)感知的流量工程(DS-TE)技術(shù),其中MPLS流量工程利用均衡策略分配網(wǎng)絡(luò)資源。MPLS網(wǎng)絡(luò)中的QoS機(jī)制可歸納為IntServ和DiffServ 2種模型架構(gòu)。IntServ模型在MPLS網(wǎng)絡(luò)中采用RSVP建立具備QoS保證的端到端LSP (分層服務(wù)提供程序),沿途的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均需記錄每個(gè)業(yè)務(wù)流的狀態(tài)信息,以提供相應(yīng)的資源預(yù)留。轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)控制可滿足QoS業(yè)務(wù)在丟包、時(shí)延和抖動(dòng)方面的要求。對(duì)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和無(wú)連接的轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù),優(yōu)先級(jí)級(jí)別(包括規(guī)劃優(yōu)先級(jí)和丟棄優(yōu)先級(jí))由邊緣路由器標(biāo)記在IP包頭中。CFNR (呼叫無(wú)應(yīng)答前轉(zhuǎn))可指示路由器設(shè)定或更改其IP DiffServ PHB的配置。對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和面向連接的轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù),優(yōu)先級(jí)級(jí)別由邊緣路由器標(biāo)記在MPLS標(biāo)簽中。

4 結(jié)語(yǔ)

采用TD-LTE技術(shù)作為CBTC系統(tǒng)的主要承載網(wǎng)絡(luò)具備干擾因素小、傳輸帶寬高、可靠性高等特點(diǎn),已經(jīng)成為軌道交通車地通信系統(tǒng)的主流技術(shù)。本文首先對(duì)CBTC系統(tǒng)中TD-LTE承載網(wǎng)絡(luò)的QoS保障機(jī)制進(jìn)行了研究,分別從控制層面和業(yè)務(wù)層面提出針對(duì)LTE承載的QoS改進(jìn)措施。進(jìn)一步通過(guò)系統(tǒng)冗余部署策略,如EPC冗余、LTE基站冗余和CPE冗余,進(jìn)一步提升CBTC系統(tǒng)無(wú)線承載網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

[1] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.關(guān)于重新發(fā)布1 785—1 805 MHz頻段無(wú)線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知:無(wú)[2015]65號(hào)[S].北京:中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部,2015.

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QoS Guarantee Measurement for TD-LTE Bearer Network in CBTC Application Environment

ZHU Dongfei, LI Xiang, ZHANG Yang

Focusing on the technical advantages of the jamming reduction from closed frequencies,the efficiency and date transmitting rate increasing,as well as on the applicability and reliability improvement,the feasibility and necessity of applying TD-LTE technology in CBTC system are analyzed.With a brief introduction of the QoS service architecture in TD-LTE,the QoS mechanism is described from both the controlling layer and the application layer.In order to improve the quality of QoS service,feasible tactics,such as EPC redundancy,LTE base station redundancy and CPE backup and so on are proposed.

TD-LTE technology; communication based train control (CBTC) system; quality of service (QoS) mechanism; redundancy backup

U285.21

10.16037/j.1007-869x.2017.06.014

2017-04-01)