朔黄重载铁路TD-LTE系统QoS评价标准研究

向志华

(中铁二院工程集团有限责任公司, 成都 610031)

朔黄重载铁路TD-LTE系统QoS评价标准研究

向志华

(中铁二院工程集团有限责任公司, 成都 610031)

朔黄铁路LTE宽带移动通信系统是一个只有PS域的IP数据移动承载网络，在对QoS的评价方法上与GSM-R存在诸多不同之处。朔黄铁路LTE系统是全球第一个承载铁路安全业务和非安全业务的LTE系统，缺乏一个完整的QoS标准来评价系统的质量。文章建立了分层模型，将重载铁路LTE系统分为应用业务系统、LTE移动承载网、有线传输承载网三层，根据三个分层的不同特点，基于3GPP、ITU-T等规范标准，合理分配各层指标，确定了适合重载铁路的LTE系统QoS评价体系。评价体系包括网络覆盖指标、网络不同业务的QoS指标、网络基本性能指标、LTE网络QoS指标要求、应用业务系统指标等内容。经过朔黄铁路LTE工程的验证，证明本评价指标研究结果适应重载铁路业务需求，可以作为重载铁路LTE系统的评价标准。

重载铁路; LTE; QoS; 研究

朔黄铁路是一条煤炭运输重载铁路，采用大功率机车、大轴重货车和多机车重联等技术实现万吨直至两万吨以上重载列车开行，大幅度提高煤炭运输能力。根据重载运输的需求，朔黄铁路建设了基于LTE技术的宽带移动通信系统，承载机车无线重联、可控列尾等安全业务，以及集群调度语音通信、通用数据传输和图像传输等非安全业务。

LTE(Long Term Evolution, 长期演进)是由3GPP(第三代合作伙伴计划)推出的4G移动通信国际标准。LTE标准支持FDD(频分双工)和TDD(时分双工)模式，即FD-LTE和TD-LTE模式。朔黄铁路采用的是TD-LTE模式。LTE系统是一个只有PS域(分组域)的IP数据移动承载网，但具有丰富的服务质量(QoS)管理功能，为多种不同优先级业务在一个平台传输提供了可能性。

针对不同业务的特点和需求，LTE系统需要为不同业务提供不同等级的服务指标。铁路LTE系统承载的业务和GSM-R系统类似，在朔黄重载铁路LTE项目中，参考了GSM-R系统的评价体系，同时根据LTE系统的特点对QoS评价标准进行了研究。

1 QoS评价思路

在朔黄重载铁路LTE系统中，各种数据业务，包括语音和图像通信等所有业务都只是利用LTE作为承载平台，每个业务的指标与有线传输承载网、LTE移动承载网和应用业务系统的QoS相关。因此，朔黄铁路LTE系统的QoS评价体系应遵从层次化的原则，采用分层模型来讨论下层为上层提供的QoS，如图1所示。

图1 QoS分层模型图

在整个分层模型中，QoS指标应以LTE承载网为核心，有线传输承载网指标应根据LTE的要求和有线传输的规范来制定，应用业务系统的指标应根据LTE能提供的QoS和应用业务系统自身需求来制定。

由于LTE为国际标准，朔黄铁路LTE承载网提供的QoS指标主要应根据国际标准、朔黄试验段测试指标和公网相关标准指标来制定，而不应仅局限于现有业务的需求，只有这样才可能满足以后LTE在铁路应用的标准化和未来业务的需求。

2 QoS指标研究方法

对朔黄铁路TD-LTE系统QoS指标研究应主要基于以下几点来开展。

2.1 对国际标准的研究

3GPP对LTE整个架构和体系都进行了标准化，并提出了相关指标的要求。同时， LTE作为一个业务应用的IP数据承载平台，ITU-T对IP网络承载语音等业务也有相关的指标规定。

2.2 对工信部及公网运营商标准的追踪和研究

工信部对LTE正在制定相关设备技术要求等设备规范，但还没有对QoS指标方面制定规范。但中国移动在全国范围进行了大规模的试验局建设，并开始着手对LTE网络进行企业验收标准的制定。

2.3 对朔黄铁路试验段测试数据的研究

在全线LTE工程建设前，朔黄铁路在小觉至西柏坡建设了试验段，成功开通并组织进行了三次大规模的现场试验，积累了一定的测试数据。

朔黄铁路LTE系统QoS指标的制定应以国际标准为基石，以朔黄铁路试验段的测试数据为参考依据，并同时追踪对比中国移动的验收标准和测试指标(中国移动同样采用了TD-LTE模式)。

由于朔黄铁路LTE系统在铁路应用的开创性，QoS指标的制定会随着研究的不断深入，数据的不断积累而逐步完善和修正。

3 国际标准对指标的要求

(1)3GPP TR 25.913中提出了对LTE相关时延的要求

①控制平面时延：从睡眠状态到激活状态迁移时间小于50 ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100 ms，状态迁移方式如图2所示。

图2 控制平面状态迁移路径图

②用户平面时延：指在UE IP层与E-UTRAN边缘节点IP层之间的数据包的单向传输时间小于5 ms。

(2)3GPP TS 23.203中提出了LTE针对不同业务的QoS设置和预估指标，如表1所示。

(3)ITU-T Y.1541提出了IP网络中承载不同业务的QoS指标要求，如表2所示。

表1 LTE系统QoS指标表

表2 IP网络QoS指标表

(4)ITU-T G.114提出了语音电话中对于高质量语音可接受的单向时延(One-way transmission time)是150 ms，不可接受的单向时延是400 ms。并给出了各种语音编解码的处理时延，其中朔黄铁路语音集群系统采用的G.729编码单向平均处理时延为35 ms。

4 有线传输承载网

LTE网络中S1接口和X2接口为长途传输通道，如图3所示。对有线传输承载网的要求主要为：X2接口需考虑移动性和ICIC的要求，传输时延要求小于20 ms；S1接口主要需考虑控制面时延和用户应用体验的需求，传输时延一般要求小于10 ms。

图3 S1接口和X2接口位置图

根据LTE系统要求及朔黄铁路的应用特点，朔黄铁路有线传输承载网的指标应按表3制定。

表3 有线传输承载网指标

4.1 LTE移动承载网

对LTE系统的质量评价主要应考虑以下几部分。

4.1.1 网络覆盖指标

LTE是采用OFDM无线接入技术并支持同频组网的数据承载网络，网络覆盖主要由吞吐量、参考信号接收功率、参考信号信噪比等指标来衡量。

4.1.2 网络不同业务的QoS指标

LTE针对不同业务需求可提供不同的QoS及QoS保障策略。朔黄铁路LTE系统主要承载了5类不同等级业务，如表4所示。

表4 朔黄铁路业务分类表

分层模型中，可认为针对每一种不同等级业务LTE都将提供一个服务接入点SAP(Service Access Point)，针对每一个SAP都需要制定不同的QoS指标。SAP接入位置如图4所示。

图4 服务接入点示意图

对于机车无线重联等实时安全数据信息，网络QoS指标主要由传输时延、传输干扰时间、传输无差错时间、传输丢包率、传输错包率、移动终端连接丢失率等指标来衡量。

对于调度语音通信数据，网络QoS指标主要由传输时延、时延抖动、传输丢包率、传输错包率、连接丢失率等指标来衡量。

对于调度命令、无线车次号校验等行车指挥文本数据信息，网络QoS指标主要由传输时延、传输丢包率、传输错包率等指标来衡量。

对于车地视频等图像数据信息，网络QoS指标主要由传输时延、时延抖动、传输丢包率、传输错包率等指标来衡量。

对于综合维护等普通应用的文本数据信息，网络QoS指标主要由传输时延、传输丢包率、传输错包率等指标来衡量。

4.1.3 网络基本性能指标

网络基本性能指标主要针对网络本身的信令流程，与不同业务的QoS没有直接关系，主要由网络注册时延、网络附着时延、专用承载建立时延、控制面时延(从IDLE状态进入Active状态时延)、越区切换时延、专用承载建立成功率、网络寻呼成功率、越区切换成功率等指标来衡量。

4.1.4 LTE网络QoS指标要求

根据朔黄重载铁路的业务需求和试验段测试情况，制定了覆盖指标、网络基本性能、网络不同等级业务QoS等详尽指标。部分关键指标如图5所示。

表5 LTE网络QoS关键指标表

4.2 应用业务系统

对应用业务系统，根据业务等级的不同，主要针对无线重联安全数据业务和语音集群业务进行讨论。表6和表7分别列举了无线重联业务和集群语音业务的部分关键指标。

表6 无线重联业务QoS关键指标表

表7 集群语音业务系统QoS评价指标

5 结束语

重载铁路宽带移动通信系统QoS指标与有线承载网、LTE网络、应用业务系统的指标均有关系。因此，遵从层次化的原则，建立分层模型，有利于建立一个科学的、符合需求的、条理清晰的QoS评价体系。

在重载铁路宽带移动通信系统研究中，针对LTE系统技术特性和朔黄铁路的业务应用特点，结合国际国内相关标准规范，建立了QoS评价体系，对朔黄铁路LTE宽带移动通信系统的研究和全线工程化具有重要的参考作用。

从朔黄铁路工程开通及运营初期应用情况来看，通过分层模型建立的评价指标研究结果适应重载铁路业务需求，可以作为重载铁路LTE系统的评价标准。但仍需在今后的长期运营中不断积累网络运用和测试数据，进一步开展相关研究，不断修改完善，使整个评价体系更为合理。

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

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

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[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，孙韶辉.TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2010. WANG Yingming, SUN Shaohui. TD-LTE Technical Principle and System Design [M] .Beijing: Posts & Telecom Press, 2010.

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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

向志华(1971-)，男，高级工程师。 基金项目：国家科技支撑计划课题(2013BAG20B01)

1674—8247(2016)03—0007—04

U285.21

A