朔黃重載鐵路TD-LTE系統QoS評價標準研究

向志華

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 成都 610031)

朔黃重載鐵路TD-LTE系統QoS評價標準研究

向志華

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 成都 610031)

朔黃鐵路LTE寬帶移動通信系統是一個只有PS域的IP數據移動承載網絡，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系統是全球第一個承載鐵路安全業務和非安全業務的LTE系統，缺乏一個完整的QoS標準來評價系統的質量。文章建立了分層模型，將重載鐵路LTE系統分為應用業務系統、LTE移動承載網、有線傳輸承載網三層，根據三個分層的不同特點，基于3GPP、ITU-T等規范標準，合理分配各層指標，確定了適合重載鐵路的LTE系統QoS評價體系。評價體系包括網絡覆蓋指標、網絡不同業務的QoS指標、網絡基本性能指標、LTE網絡QoS指標要求、應用業務系統指標等內容。經過朔黃鐵路LTE工程的驗證，證明本評價指標研究結果適應重載鐵路業務需求，可以作為重載鐵路LTE系統的評價標準。

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等技術實現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。根據重載運輸的需求，朔黃鐵路建設了基于LTE技術的寬帶移動通信系統，承載機車無線重聯、可控列尾等安全業務，以及集群調度語音通信、通用數據傳輸和圖像傳輸等非安全業務。

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系統是一個只有PS域(分組域)的IP數據移動承載網，但具有豐富的服務質量(QoS)管理功能，為多種不同優先級業務在一個平臺傳輸提供了可能性。

針對不同業務的特點和需求，LTE系統需要為不同業務提供不同等級的服務指標。鐵路LTE系統承載的業務和GSM-R系統類似，在朔黃重載鐵路LTE項目中，參考了GSM-R系統的評價體系，同時根據LTE系統的特點對QoS評價標準進行了研究。

1 QoS評價思路

在朔黃重載鐵路LTE系統中，各種數據業務，包括語音和圖像通信等所有業務都只是利用LTE作為承載平臺，每個業務的指標與有線傳輸承載網、LTE移動承載網和應用業務系統的QoS相關。因此，朔黃鐵路LTE系統的QoS評價體系應遵從層次化的原則，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指標應以LTE承載網為核心，有線傳輸承載網指標應根據LTE的要求和有線傳輸的規范來制定，應用業務系統的指標應根據LTE能提供的QoS和應用業務系統自身需求來制定。

由于LTE為國際標準，朔黃鐵路LTE承載網提供的QoS指標主要應根據國際標準、朔黃試驗段測試指標和公網相關標準指標來制定，而不應僅局限于現有業務的需求，只有這樣才可能滿足以后LTE在鐵路應用的標準化和未來業務的需求。

2 QoS指標研究方法

對朔黃鐵路TD-LTE系統QoS指標研究應主要基于以下幾點來開展。

2.1 對國際標準的研究

3GPP對LTE整個架構和體系都進行了標準化，并提出了相關指標的要求。同時， LTE作為一個業務應用的IP數據承載平臺，ITU-T對IP網絡承載語音等業務也有相關的指標規定。

2.2 對工信部及公網運營商標準的追蹤和研究

工信部對LTE正在制定相關設備技術要求等設備規范，但還沒有對QoS指標方面制定規范。但中國移動在全國范圍進行了大規模的試驗局建設，并開始著手對LTE網絡進行企業驗收標準的制定。

2.3 對朔黃鐵路試驗段測試數據的研究

在全線LTE工程建設前，朔黃鐵路在小覺至西柏坡建設了試驗段，成功開通并組織進行了三次大規模的現場試驗，積累了一定的測試數據。

朔黃鐵路LTE系統QoS指標的制定應以國際標準為基石，以朔黃鐵路試驗段的測試數據為參考依據，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系統在鐵路應用的開創性，QoS指標的制定會隨著研究的不斷深入，數據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相關時延的要求

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

圖2 控制平面狀態遷移路徑圖

②用戶平面時延：指在UE IP層與E-UTRAN邊緣節點IP層之間的數據包的單向傳輸時間小于5 ms。

(2)3GPP TS 23.203中提出了LTE針對不同業務的QoS設置和預估指標，如表1所示。

(3)ITU-T Y.1541提出了IP網絡中承載不同業務的QoS指標要求，如表2所示。

表1 LTE系統QoS指標表

表2 IP網絡QoS指標表

(4)ITU-T G.114提出了語音電話中對于高質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

LTE網絡中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LTE系統要求及朔黃鐵路的應用特點，朔黃鐵路有線傳輸承載網的指標應按表3制定。

表3 有線傳輸承載網指標

4.1 LTE移動承載網

對LTE系統的質量評價主要應考慮以下幾部分。

4.1.1 網絡覆蓋指標

LTE是采用OFDM無線接入技術并支持同頻組網的數據承載網絡，網絡覆蓋主要由吞吐量、參考信號接收功率、參考信號信噪比等指標來衡量。

4.1.2 網絡不同業務的QoS指標

LTE針對不同業務需求可提供不同的QoS及QoS保障策略。朔黃鐵路LTE系統主要承載了5類不同等級業務，如表4所示。

表4 朔黃鐵路業務分類表

分層模型中，可認為針對每一種不同等級業務LTE都將提供一個服務接入點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 服務接入點示意圖

對于機車無線重聯等實時安全數據信息，網絡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。

對于調度語音通信數據，網絡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。

對于調度命令、無線車次號校驗等行車指揮文本數據信息，網絡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據信息，網絡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用的文本數據信息，網絡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 網絡基本性能指標

網絡基本性能指標主要針對網絡本身的信令流程，與不同業務的QoS沒有直接關系，主要由網絡注冊時延、網絡附著時延、專用承載建立時延、控制面時延(從IDLE狀態進入Active狀態時延)、越區切換時延、專用承載建立成功率、網絡尋呼成功率、越區切換成功率等指標來衡量。

4.1.4 LTE網絡QoS指標要求

根據朔黃重載鐵路的業務需求和試驗段測試情況，制定了覆蓋指標、網絡基本性能、網絡不同等級業務QoS等詳盡指標。部分關鍵指標如圖5所示。

表5 LTE網絡QoS關鍵指標表

4.2 應用業務系統

對應用業務系統，根據業務等級的不同，主要針對無線重聯安全數據業務和語音集群業務進行討論。表6和表7分別列舉了無線重聯業務和集群語音業務的部分關鍵指標。

表6 無線重聯業務QoS關鍵指標表

表7 集群語音業務系統QoS評價指標

5 結束語

重載鐵路寬帶移動通信系統QoS指標與有線承載網、LTE網絡、應用業務系統的指標均有關系。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研究中，針對LTE系統技術特性和朔黃鐵路的業務應用特點，結合國際國內相關標準規范，建立了QoS評價體系，對朔黃鐵路LTE寬帶移動通信系統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用情況來看，通過分層模型建立的評價指標研究結果適應重載鐵路業務需求，可以作為重載鐵路LTE系統的評價標準。但仍需在今后的長期運營中不斷積累網絡運用和測試數據，進一步開展相關研究，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技術原理與系統設計[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原理與網絡規劃設計[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] 趙訓威，林輝，張明，等. 3GPP長期演進(LTE)系統架構與技術規范[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