CBTC应用环境下TD-LTE承载网络的QoS (服务质量)增强措施研究

朱东飞 李 想 张 杨

(1.武汉地铁集团有限公司,400030,武汉; 2.上海自仪泰雷兹交通自动化系统有限公司,201206,上海; 3.武汉智慧地铁科技有限公司，430074,上海//第一作者,副总工程师)



CBTC应用环境下TD-LTE承载网络的QoS (服务质量)增强措施研究

朱东飞1李 想2张 杨3

(1.武汉地铁集团有限公司,400030,武汉; 2.上海自仪泰雷兹交通自动化系统有限公司,201206,上海; 3.武汉智慧地铁科技有限公司，430074,上海//第一作者,副总工程师)

从减少同频干扰和邻频干扰、增加频谱效率和数据传输速率、提高系统通用性和可靠性等技术优势出发,分析了TD-LTE (分时长期演进)技术应用于CBTC (基于通信的列车自动控制)系统的可行性与必要性。简要介绍了基于TD-LTE承载网络的CBTC系统框架,并分别从控制平面和业务平面对该框架的QoS (服务质量)机制进行了论述。针对CBTC系统的实施提出LTE (长期演进)系统核心网(EPC)冗余、LTE基站冗余与终端设备(CPE)冗余备份等措施,保障TD-LTE承载网络的QoS等级。

TD-LTE技术; CBTC系统; QoS机制; 冗余备份

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

1 基于TD-LTE网络的CBTC系统

1.1 TD-LTE技术的优势

TD-LTE (分时长期演进)技术是第三代移动通信技术的进一步演进,引入了OFDM (正交频分复用)和MIMO(多输入多输出)等空口增强技术,增加了频谱效率和数据传输速率。轨道交通行业可供划分使用的LTE (长期演进)频段为1 785—1 805 MHz[1]。TD-LTE专用网络为CBTC (基于通信的列车自动控制)系统、车载CCTV (闭路电视监控)系统和语音视频综合调度系统提供通道,与传统通信应用方案相比,主要有以下优势:

(1) 使用专用频段,不存在外部系统的频率干扰;

(2) 采用无缝切换算法、远距离覆盖等措施,满足高移动性需求,能保证列车以200 km/h速度运行时其延时小于50 ms;

(3) 具有较高的通用性和市场基础,可以延长系统的使用周期,得到更好的投资收益比;

(4) TD-LTE能对不同的业务进行优先级区分(对业务、维护、告警等数据流进行分级),分配与之相匹配的QoS (服务质量)等级。

1.2 TD-LTE技术应用于CBTC系统

TD-LTE技术应用于CBTC系统的框架如图 1所示,主要由中心控制系统、基站覆盖子系统和列车子系统组成。

中心控制系统包括LTE控制中心和业务中心。LTE控制中心涵盖EPC (核心网)设备和LTE网管系统,业务系统为中心已有系统,包括CBTC控制中心、PIS (乘客信息服务系统)服务器、CCTV车载监视系统服务器等设备,这些设备均接入控制中心交换机,与EPC设备建立通信。

图1 基于TD-LTE网络的CBTC系统组成框图

基站覆盖子系统负责LTE无线信号在轨道上的无缝覆盖,保证无线信号的强度和质量,从而确保CPE (终端设备)设备具备有效的无线通道,保障各类业务数据的及时、准确传输。基站覆盖子系统包括LTE基站、车站交换机、天线等。

列车子系统包括车载LTE系统和车载业务系统。车载LTE系统包括车载CPE和车载交换机。车载业务系统为列车已有系统,包括车载CCTV设备、车载PIS设备、车载CBTC设备等。车载CPE设备实现路由器、网关等网络管理功能,负责将以太网端的数据收集起来,无缝转发到LTE无线侧,同时将LTE系统无线侧下发的数据正确转发到车载设备。

2 TD-LTE承载网络端到端QoS机制

在TD-LTE的体系中,QoS控制的基本粒度是承载。LTE协议框架中的QoS机制考虑到未来数据业务高速、突发的特点,为了有效提高用户体验,真正实现用户的永远在线,引入了默认承载的概念,同时也取消了专用信道,采用了共享信道的机制,使用了灵活的动态调度机制。这些使得TD-LTE体系能够有效地保证无缝的用户体验[2]。

如图2所示,EPS (演进分组系统)承载业务与外部承载业务共同支撑端到端业务,其不仅能够提供业务数据的传送,还提供了业务QoS相关信息映射以及业务流复用等功能。具体来说,LTE体系的QoS功能包括:根据请求的QoS实现eNB (LTE中基站名称)与用户终端(UE)间承载业务数据单元人传输;IP头压缩;用户平面加密;UE提供映射及复用信息;根据请求实现MME (移动性管理实体)与eNB之间的承载业务数据单元的传输;提供端到端IP业务汇聚的QoS保证。

图2 TD-LTE网络业务QoS承载架构

结合图 2描述LTE中QoS承载的建立过程为:当UE发起1个新的业务请求时,位于EPC的PCRF (策略与计费规则功能)就会根据新业务的QoS需求产生1个PCC (策略计费控制)消息,这个消息描述了该业务流的特性,如与QoS有关的位速率、业务等级等。之后,1个SDF (标准延时格式文件)需要经过位于P-GW (PDN GateWay,PDN (分组数据网)网关)的DL-TFT (下行业务流模板),并经由其中的包过滤器映射到某一个EPS承载关联的集合。S-GW (服务网关)从PCRF中获取此SDF描述消息,并且以每个业务等级为单位对S5/S8承载和S1承载的关系进行对应。同样,无线承载通过绑定S1承载实现到S1承载的一一映射。由此,通过级联S5/S8承载、S1承载和无线承载[3],建立了UE和外部PDN之间的IP连接,实现了具有特定QoS等级的SDF数据的传输。

3 CBTC系统中TD-LTE承载网络的QoS保障措施

3.1 系统冗余备份措施

基于TD-LTE网络的CBTC系统使用系统冗余设计实现业务的QoS保障,如图 3所示。主要有LTE系统EPC冗余、LTE基站冗余与CPE冗余,这些手段可以保证车地通信的CBTC信号能连续、稳定、可靠地传输。

3.1.1 LTE系统EPC冗余

核心网在组网形态上采用A、B双网覆盖原则,使用完全独立的双LTE网络系统,工作在1 785—1 805 MHz中的两个5 MHz频段,提供冗余备份。同时设计双EPC备份功能:主EPC与备用EPC外部接口完全一致,同时2个主备EPC会定期同步信息。备用EPC根据主EPC的运行状态和运行参数进行自我调整,随时做好接纳工作的准备。当主EPC发生故障时,备用EPC能迅速接管工作,担负起管理全网、传输各种业务的职责。

图3 CBTC系统冗余设计图

3.1.2 LTE基站冗余

在布网时,为了保证某台基站发生故障时,不会影响系统业务传输,如图 4所示,需要增加基站数量,减小基站间隔距离。额外增加的基站为冗余,确保无信号盲区,保证业务的正常传输。

3.1.3 LTE系统CPE冗余

车载设备由车头、车尾2套天线和CPE设备组成,车头、车尾分别包含主、备2套CPE设备,分别工作在A、B网。例如:车头A网主CPE+B网备CPE,车尾B网主CPE+A网备CPE,2套车载设备均能同时工作,互为冗余备份。CPE冗余为内部冗余,CPE主控板同时连接2个LTE-UE。2个UE模块,1个作为主UE,1个作为备用UE。正常状况下,使用主UE传输数据,当主UE发生故障时,主控板将控制切换使用备用UE继续工作。

图4 LTE基站冗余设计

3.2 LTE网络控制平面QoS保障措施

TD-LTE网络QoS机制的控制平面主要作用是感知业务类型、登记用户信息、接纳控制、资源预留、选择QoS策略、通知业务平面执行。

3.2.1 资源预留

为确保业务流的服务质量,精确的资源预留是必须的。这里的“资源”指带宽和缓冲区。一方面,一个新的业务流是否被接纳取决于是否有满足业务流需求的网络资源,如果有足够的资源,就接纳该业务并对其进行资源预留;另一方面,业务资源预留后,剩余资源需要更新,从而影响接纳控制的判断。

当业务流发起时,把包含业务流特性和需求QoS参数的报文发给网络交换设备[4],交换设备根据剩余资源和前一跳地址形成新的报文,转发给下一交换设备,直到目的节点。接收方收到报文后,根据业务特性和可用资源参数形成接收消息,沿原路发送给源端,中间的网络交换设备根据接收报文进行可用资源更新和流量分类器等参数调整。源端收到接收报文后即可发送数据包。资源预留是一个面向连接的方式,故能确保网络上业务的服务质量。结合网络管理平面,采用基于策略的管理方法,参考测量得到的信道的长期和短期统计特性,选择最优的QoS接入链路方案,达到保证QoS的目的。

3.2.2 基于测量的接纳控制

当新业务流发起时,把包含业务流特性和需求的报文发给中继节点,然后该节点将网络资源的剩余情况与业务特性及需求进行比较。若资源能满足,则接纳该业务,并预留资源,否则拒绝该业务流的计入,以提高网络资源利用率和保证业务的QoS。

会话级QoS准入控制阶段的功能实体包括UE、IMS (IP多媒体子系统)呼叫、资源配置实体(含SPR (用户属性存储器)、P-CSCF (代理会话控制功能)、PDF (策略决策功能))、控制器QoS队列组、信道状态监测模块和信道QoS队列组。在UE发起业务时,IMS呼叫和资源配置实体通过自身SPR库中反应出的用户级别,UE发出的SIP/SDP (会话初始协议/会话描述协议)消息中包含的用户业务QoS要求,信道状态监测模块在设定的时间窗内测得的队列长度(一阶统计特性)、发送速率(二阶统计特性)等QoS传输资源使用和可用情况,由PDF实体做出是否可满足当前呼叫请求的业务QoS决策。如果是则由PEF执行面向QoS准入接纳策略执行体,根据得到的该业务的信道(由哪个无线信道承载)动态创建和信道QoS队列组相对应的控制器QoS队列组,并通知UE可以开始业务平面的分组传输。

采用基于测量的会话级准入接纳控制算法,通过对每一个时间窗口T内信道状况的测量,计算信道中队列长度的平均值,以此为参考,决定下一个时间窗口T内新申请的业务流接纳与否。窗口T的大小反映了接纳控制算法对历史记忆的长度,T越小,通过测量计算所得的网络负载值和实际负载值越接近,资源利用率越高,接纳流的数目越多,但可能导致服务质量降低;T越大,接纳控制算法越保守,资源利用率越低,接纳流的数目减少,但服务质量容易得到满足。为了选择一个合适的时间窗口T。基于模糊控制的理论,对时间窗口T的选取进行动态控制。这样就可以有效地提高链路利用率,给系统提供更优的服务质量。

3.3 LTE网络业务平面QoS保障措施

TD-LTE核心网络主要采取平面分流、分类保障、流量监控等措施,为用户提供服务质量保障。全网划分为若干个保障等级,根据业务和用户类型预先分配带宽。采用技术上比较成熟的基于DiffServ模型、资源预留协议(RSVP)进行QoS保障。

基于DiffServ模型的网络QoS控制模型,采用MPLS(多协议标签交换)作为交换技术。MPLS是下一代IP承载网的核心技术。作为一种三层交换技术,MPLS将网络层的路由机制与链路层的标记交换机制结合在一起。在MPLS网络入口处,标记边缘路由器(LER)依据转发等价类(FEC)给每一个分组分配一个固定长度的标记。

核心承载网的QoS保证机制主要有MPLS流量工程、基于MPLS的QoS服务模型(IntServ和DiffServ)及区分服务感知的流量工程(DS-TE)技术,其中MPLS流量工程利用均衡策略分配网络资源。MPLS网络中的QoS机制可归纳为IntServ和DiffServ 2种模型架构。IntServ模型在MPLS网络中采用RSVP建立具备QoS保证的端到端LSP (分层服务提供程序),沿途的每个网络设备均需记录每个业务流的状态信息,以提供相应的资源预留。转发优先级控制可满足QoS业务在丢包、时延和抖动方面的要求。对非实时业务和无连接的转发业务,优先级级别(包括规划优先级和丢弃优先级)由边缘路由器标记在IP包头中。CFNR (呼叫无应答前转)可指示路由器设定或更改其IP DiffServ PHB的配置。对实时业务和面向连接的转发业务,优先级级别由边缘路由器标记在MPLS标签中。

4 结语

采用TD-LTE技术作为CBTC系统的主要承载网络具备干扰因素小、传输带宽高、可靠性高等特点,已经成为轨道交通车地通信系统的主流技术。本文首先对CBTC系统中TD-LTE承载网络的QoS保障机制进行了研究,分别从控制层面和业务层面提出针对LTE承载的QoS改进措施。进一步通过系统冗余部署策略,如EPC冗余、LTE基站冗余和CPE冗余,进一步提升CBTC系统无线承载网络的稳定性和可靠性。

[1] 中华人民共和国工业和信息化部.关于重新发布1 785—1 805 MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知:无[2015]65号[S].北京:中华人民共和国工业和信息化部,2015.

[2] 查敦林,郭晓东,孙知信.LTE/SAE的QoS研究[J].计算机技术与发展,2010(11):250-253.

[3] 杜加懂,孙姬,陈丽坤.UMTS及EPC网络QoS机制的研究[J].电信网技术,2010(12):1-6.

[4] 黄韬,张智江.EPS系统的QoS机制[J].中兴通讯技术,2008(6):45-49.

[5] 范亚芹,张丽翠,孙晓丽.RSVP在VoIP网络中QoS上的应用[J].吉林大学学报,2004(22):119-122.

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)