朔黃重載鐵路TD-LTE系統(tǒng)QoS評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究

向志華

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031)

朔黃重載鐵路TD-LTE系統(tǒng)QoS評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究

向志華

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031)

朔黃鐵路LTE寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)是一個(gè)只有PS域的IP數(shù)據(jù)移動(dòng)承載網(wǎng)絡(luò)，在對(duì)QoS的評(píng)價(jià)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(gè)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(gè)完整的QoS標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)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(dòng)承載網(wǎng)、有線(xiàn)傳輸承載網(wǎng)三層，根據(jù)三個(gè)分層的不同特點(diǎn)，基于3GPP、ITU-T等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，合理分配各層指標(biāo)，確定了適合重載鐵路的LTE系統(tǒng)QoS評(píng)價(jià)體系。評(píng)價(jià)體系包括網(wǎng)絡(luò)覆蓋指標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)不同業(yè)務(wù)的QoS指標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)基本性能指標(biāo)、LTE網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)要求、應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)指標(biāo)等內(nèi)容。經(jīng)過(guò)朔黃鐵路LTE工程的驗(yàn)證，證明本評(píng)價(jià)指標(biāo)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

重載鐵路; LTE; QoS; 研究

朔黃鐵路是一條煤炭運(yùn)輸重載鐵路，采用大功率機(jī)車(chē)、大軸重貨車(chē)和多機(jī)車(chē)重聯(lián)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)噸直至兩萬(wàn)噸以上重載列車(chē)開(kāi)行，大幅度提高煤炭運(yùn)輸能力。根據(jù)重載運(yùn)輸?shù)男枨螅伏S鐵路建設(shè)了基于LTE技術(shù)的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，承載機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)重聯(lián)、可控列尾等安全業(yè)務(wù)，以及集群調(diào)度語(yǔ)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(zhǎng)期演進(jìn))是由3GPP(第三代合作伙伴計(jì)劃)推出的4G移動(dòng)通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。LTE標(biāo)準(zhǔn)支持FDD(頻分雙工)和TDD(時(shí)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(gè)只有PS域(分組域)的IP數(shù)據(jù)移動(dòng)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(jí)業(yè)務(wù)在一個(gè)平臺(tái)傳輸提供了可能性。

針對(duì)不同業(yè)務(wù)的特點(diǎn)和需求，LTE系統(tǒng)需要為不同業(yè)務(wù)提供不同等級(jí)的服務(wù)指標(biāo)。鐵路LTE系統(tǒng)承載的業(yè)務(wù)和GSM-R系統(tǒng)類(lèi)似，在朔黃重載鐵路LTE項(xiàng)目中，參考了GSM-R系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系，同時(shí)根據(jù)LTE系統(tǒng)的特點(diǎn)對(duì)QoS評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。

1 QoS評(píng)價(jià)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(yǔ)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(tái)，每個(gè)業(yè)務(wù)的指標(biāo)與有線(xiàn)傳輸承載網(wǎng)、LTE移動(dòng)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(píng)價(jià)體系應(yīng)遵從層次化的原則，采用分層模型來(lái)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(gè)分層模型中，QoS指標(biāo)應(yīng)以L(fǎng)TE承載網(wǎng)為核心，有線(xiàn)傳輸承載網(wǎng)指標(biāo)應(yīng)根據(jù)LTE的要求和有線(xiàn)傳輸?shù)囊?guī)范來(lái)制定，應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)的指標(biāo)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(lái)制定。

由于LTE為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，朔黃鐵路LTE承載網(wǎng)提供的QoS指標(biāo)主要應(yīng)根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、朔黃試驗(yàn)段測(cè)試指標(biāo)和公網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)來(lái)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(mǎn)足以后LTE在鐵路應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化和未來(lái)業(yè)務(wù)的需求。

2 QoS指標(biāo)研究方法

對(duì)朔黃鐵路TD-LTE系統(tǒng)QoS指標(biāo)研究應(yīng)主要基于以下幾點(diǎn)來(lái)開(kāi)展。

2.1 對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的研究

3GPP對(duì)LTE整個(gè)架構(gòu)和體系都進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，并提出了相關(guān)指標(biāo)的要求。同時(shí)， LTE作為一個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用的IP數(shù)據(jù)承載平臺(tái)，ITU-T對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)承載語(yǔ)音等業(yè)務(wù)也有相關(guān)的指標(biāo)規(guī)定。

2.2 對(duì)工信部及公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商標(biāo)準(zhǔn)的追蹤和研究

工信部對(duì)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(méi)有對(duì)QoS指標(biāo)方面制定規(guī)范。但中國(guó)移動(dòng)在全國(guó)范圍進(jìn)行了大規(guī)模的試驗(yàn)局建設(shè)，并開(kāi)始著手對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行企業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的制定。

2.3 對(duì)朔黃鐵路試驗(yàn)段測(cè)試數(shù)據(jù)的研究

在全線(xiàn)LTE工程建設(shè)前，朔黃鐵路在小覺(jué)至西柏坡建設(shè)了試驗(yàn)段，成功開(kāi)通并組織進(jìn)行了三次大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，積累了一定的測(cè)試數(shù)據(jù)。

朔黃鐵路LTE系統(tǒng)QoS指標(biāo)的制定應(yīng)以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為基石，以朔黃鐵路試驗(yàn)段的測(cè)試數(shù)據(jù)為參考依據(jù)，并同時(shí)追蹤對(duì)比中國(guó)移動(dòng)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試指標(biāo)(中國(guó)移動(dòng)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(kāi)創(chuàng)性，QoS指標(biāo)的制定會(huì)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)指標(biāo)的要求

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

①控制平面時(shí)延：從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時(shí)間小于50 ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時(shí)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(hù)平面時(shí)延：指在UE IP層與E-UTRAN邊緣節(jié)點(diǎn)IP層之間的數(shù)據(jù)包的單向傳輸時(shí)間小于5 ms。

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

表1 LTE系統(tǒng)QoS指標(biāo)表

表2 IP網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)表

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

4 有線(xiàn)傳輸承載網(wǎng)

LTE網(wǎng)絡(luò)中S1接口和X2接口為長(zhǎng)途傳輸通道，如圖3所示。對(duì)有線(xiàn)傳輸承載網(wǎng)的要求主要為：X2接口需考慮移動(dòng)性和ICIC的要求，傳輸時(shí)延要求小于20 ms；S1接口主要需考慮控制面時(shí)延和用戶(hù)應(yīng)用體驗(yàn)的需求，傳輸時(shí)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(diǎn)，朔黃鐵路有線(xiàn)傳輸承載網(wǎng)的指標(biāo)應(yīng)按表3制定。

表3 有線(xiàn)傳輸承載網(wǎng)指標(biāo)

4.1 LTE移動(dòng)承載網(wǎng)

對(duì)LTE系統(tǒng)的質(zhì)量評(píng)價(jià)主要應(yīng)考慮以下幾部分。

4.1.1 網(wǎng)絡(luò)覆蓋指標(biāo)

LTE是采用OFDM無(wú)線(xiàn)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(hào)接收功率、參考信號(hào)信噪比等指標(biāo)來(lái)衡量。

4.1.2 網(wǎng)絡(luò)不同業(yè)務(wù)的QoS指標(biāo)

LTE針對(duì)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(lèi)不同等級(jí)業(yè)務(wù)，如表4所示。

表4 朔黃鐵路業(yè)務(wù)分類(lèi)表

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

圖4 服務(wù)接入點(diǎn)示意圖

對(duì)于機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)重聯(lián)等實(shí)時(shí)安全數(shù)據(jù)信息，網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)主要由傳輸時(shí)延、傳輸干擾時(shí)間、傳輸無(wú)差錯(cuò)時(shí)間、傳輸丟包率、傳輸錯(cuò)包率、移動(dòng)終端連接丟失率等指標(biāo)來(lái)衡量。

對(duì)于調(diào)度語(yǔ)音通信數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)主要由傳輸時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、傳輸丟包率、傳輸錯(cuò)包率、連接丟失率等指標(biāo)來(lái)衡量。

對(duì)于調(diào)度命令、無(wú)線(xiàn)車(chē)次號(hào)校驗(yàn)等行車(chē)指揮文本數(shù)據(jù)信息，網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)主要由傳輸時(shí)延、傳輸丟包率、傳輸錯(cuò)包率等指標(biāo)來(lái)衡量。

對(duì)于車(chē)地視頻等圖像數(shù)據(jù)信息，網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)主要由傳輸時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、傳輸丟包率、傳輸錯(cuò)包率等指標(biāo)來(lái)衡量。

對(duì)于綜合維護(hù)等普通應(yīng)用的文本數(shù)據(jù)信息，網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)主要由傳輸時(shí)延、傳輸丟包率、傳輸錯(cuò)包率等指標(biāo)來(lái)衡量。

4.1.3 網(wǎng)絡(luò)基本性能指標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)基本性能指標(biāo)主要針對(duì)網(wǎng)絡(luò)本身的信令流程，與不同業(yè)務(wù)的QoS沒(méi)有直接關(guān)系，主要由網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)附著時(shí)延、專(zhuān)用承載建立時(shí)延、控制面時(shí)延(從IDLE狀態(tài)進(jìn)入Active狀態(tài)時(shí)延)、越區(qū)切換時(shí)延、專(zhuān)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(biāo)來(lái)衡量。

4.1.4 LTE網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)要求

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

表5 LTE網(wǎng)絡(luò)QoS關(guān)鍵指標(biāo)表

4.2 應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)

對(duì)應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)，根據(jù)業(yè)務(wù)等級(jí)的不同，主要針對(duì)無(wú)線(xiàn)重聯(lián)安全數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語(yǔ)音集群業(yè)務(wù)進(jìn)行討論。表6和表7分別列舉了無(wú)線(xiàn)重聯(lián)業(yè)務(wù)和集群語(yǔ)音業(yè)務(wù)的部分關(guān)鍵指標(biāo)。

表6 無(wú)線(xiàn)重聯(lián)業(yè)務(wù)QoS關(guān)鍵指標(biāo)表

表7 集群語(yǔ)音業(yè)務(wù)系統(tǒng)QoS評(píng)價(jià)指標(biāo)

5 結(jié)束語(yǔ)

重載鐵路寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)QoS指標(biāo)與有線(xiàn)承載網(wǎng)、LTE網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)的指標(biāo)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(gè)科學(xué)的、符合需求的、條理清晰的QoS評(píng)價(jià)體系。

在重載鐵路寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)研究中，針對(duì)LTE系統(tǒng)技術(shù)特性和朔黃鐵路的業(yè)務(wù)應(yīng)用特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)際國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建立了QoS評(píng)價(jià)體系，對(duì)朔黃鐵路LTE寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究和全線(xiàn)工程化具有重要的參考作用。

從朔黃鐵路工程開(kāi)通及運(yùn)營(yíng)初期應(yīng)用情況來(lái)看，通過(guò)分層模型建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。但仍需在今后的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中不斷積累網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用和測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究，不斷修改完善，使整個(gè)評(píng)價(jià)體系更為合理。

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[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].

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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(jí)工程師。 基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2013BAG20B01)

1674—8247(2016)03—0007—04

U285.21

A