铁路站场LTE系统QoS技术

王亮， 黄伟

（鼎桥通信技术有限公司，四川成都 610041）

1 铁路站场业务概述

在《铁路信息化总体规划》中，明确提出2020年车站（场）宽带无线覆盖率达到60%以上。在《铁路站场宽带无线接入系统总体技术要求（暂行）》中，规定了铁路站场（包括编组站、货运站、客运站、动车段所和集装箱中心站等）宽带无线接入系统的技术要求，明确了站场宽带无线接入系统可用于承载铁路站场列检、货检、调车、车号、客货运等语音、数据、图像通信业务［1-3］。

铁路站场是车站进行各种技术作业的场地，站场无线通信系统是铁路车站运输安全及调度指挥的重要支撑。铁路站场采用LTE 宽带无线接入系统后，由于承载业务多样化，并且各种业务的要求差异化较大，亟须一套完整的业务保障机制来确保各种业务能够正常进行。根据铁路站场业务分析，提出一套铁路站场业务保障机制，以满足铁路站场的作业要求。

铁路站场不同业务对优先级和时延等要求各不相同，以我国某大型编组站为例，其典型铁路站场业务要求见表1。

从表中业务数据看，铁路站场业务类型多样复杂，业务特点和业务要求各不相同，这些业务承载在LTE宽带接入系统上，需要有完备的业务保障解决方案来保障各项站场业务正常进行［4］。

2 LTE系统QoS业务保障原理

铁路站场业务承载在LTE 系统后，需要根据LTE的QoS 策略进行适配才能满足铁路站场的业务要求。LTE 可靠性技术主要包括基于服务质量等级（QCI）的业务保障和基于用户签约服务标识（SPID）的业务保障［5-6］。

表1 典型铁路站场业务要求

在LTE系统中，QoS控制的基本单元是承载。用户的业务数据流以该基本单元在网络侧实施QoS控制。映射到同一个承载的业务数据流将得到同样的QoS 保障，如调度策略、无线承载策略等。

3GPP TS23.203 最初定义了一套标准的从1 到9 的QCI，对不同业务进行QoS 保障，R13 版本增加了QCI65、QCI66、QCI69、QCI70，用于一键通（PTT）业务。R14 版本增加了QCI75 和QCI79，用于车对外界信息交换（V2X）业务［7-10］。

在当前网络中，如果同一个eNodeB 下不同用户的QCI 相同，但用户间的优先级不同，此时，基于QCI 的业务保障并不能保障高优先级用户的业务体验，需要通过SPID 来进行用户识别，并传递到基站（eNodeB），eNodeB 根据SPID 不同的用户进行不同的调度优先级匹配。

SPID 是运营商为终端（UE）在归属地用户签约服务器（HSS）数据库中注册的1 个1～256 范围内的策略索引，eNodeB可以根据该索引对特定UE的业务行为作出特殊处理，以便按照UE 的业务特点更好地提供有针对性的服务。SPID在网络中的传递流程见图1。

图1 SPID配置流程

通过SPID将具有相同特征的UE进行归类分组，使eNodeB能够对不同分组的UE灵活定制差异化的调度策略，从而提升不同分组UE的业务体验。

3 铁路站场业务保障解决方案

3.1 方案实现

在实际铁路站场业务部署过程中，可根据QCI 和SPID 业务保障机制实现相关业务保障流程，具体实现方案如下：

当收到核心网下发的业务建立请求或切换请求时，从中获得对应的QCI、保障速率（GBR）、最大保障速率（MBR）、聚合最大比特速率（AMBR）和分配保留优先级（ARP）等相关参数，然后通过准入控制来进行业务初始QoS的保证。

如果业务准入成功，则按照相关无线承载参数建立对应的无线承载，该无线承载参数按照QCI 进行配置，以此满足不同类型业务的QoS需求。

已准入成功业务的QoS保证主要体现在调度优先级保障，在调度优先级计算时考虑以下因素：

（1）信令调度：绝对优先级高。

（2）语音调度：语音调度的优先级低于信令，高于GBR和非保障速率（Non-GBR）。

（3）GBR 业务的GBR 保证：对于GBR 业务，eNodeB 会测量GBR 业务的实际速率，如果实际速率低于GBR 时，此时GBR 业务的优先将绝对优先于Non-GBR业务。

（4）Non-GBR 业务的最小保障速率（min_GBR）保证：为防止Non-GBR 的“饿死”情况，会对Non-GBR 设置1 个min-GBR，对于Non-GBR 的min-GBR 保证类似于GBR业务的GBR保证。

（5）GBR 业务的时延保证：当GBR 业务的首包时延接近最大允许时延时，会提升该连接的优先级，以保证GBR 业务的时延。GBR 之前的优先级计算需要考虑不同GBR QCI的优先级。

对于相同QCI 业务，如果该业务所属用户的SPID不同，则在计算该用户调度优先级时，增加SPID 的加权因子，从而实现同等QCI 下，不同SPID 用户调度优先级不同。根据铁路站场的业务特点及要求，制定相关QoS参数以保障相关业务（见表2）：

（1）测机信号和信令用于列车操控，优先级最高，通过QCI=5 来承载，其中两者之间信令优先级又相对较高，因此，对信令用户配置SPID，以保障信令用户的调度优先级。

（2）群组语音用户用于语音通信，优先级为次高，通过QCI=1来承载。

（3）视频监控、勾确认、勾计划、领车视频对时延和速率要求高，因此通过QCI=4 GBR 来进行时延和速率保障；其中领车视频优先级又相对较高，通过SPID来识别保障。

表2 铁路站场业务保障策略

（4）图片上传、工单下发、作业确认对速率和时延要求低，通过QCI=9 Non-GBR来承载。

3.2 实施效果

以我国某大型铁路站场为例，由于部署的业务类型较多，业务负荷较重，上行PRB 利用率已经达到100%，在此网络高负荷场景下，由于之前缺少对业务和用户统一进行QCI 和SPID 规划以及相关优先级保障机制，导致信令和语音等相关高优先级业务无法保障，不同业务的时延、吞吐率、掉话率、时延抖动均不满足业务QoS要求，频繁出现信号中断异常停车、视频卡顿花屏、语音丢字等情况。

对该站场业务统一规划并部署了相关QoS 保障方案，验证方案是否有效。测试时间选择该站场业务忙时，选择负载最重的1个小区，实施优化方案前后，分别进行8 组测试，每组进行相关业务测试10 次，每次业务测试时长2 min，10 次测试结果取平均值作为该组测试结果。

（1）在该站场现有业务场景下，进行多组测机信号、心跳、视频监控的时延测试，实施前后测试结果见图2。

图2 实施前后时延测试结果

测机信号在优化前时延为2～6 s，不满足测机信号2 s 以内的要求，经常出现故障停车问题；优化后，由于基站增加了测试信号承载在QCI=5 上的业务保障机制，调度优先级高，时延均在2 s 内，满足业务要求，不再出现异常停车问题。

心跳信号在优化前时延为3～7 s，不满足测机信号4 s 以内的要求，经常出现心跳丢失导致业务异常的问题；优化后，由于基站增加了心跳信号承载在QCI=4上的业务保障机制，调度优先级较高，时延均在4 s内，满足业务要求，不再出现由于心跳时延大导致业务异常的问题。

（2）在该站场现有业务场景下，进行2 路720P 领车视频和3 路720P 视频监控多组测试，实施前后吞吐量测试结果见图3。

图3 实施前后吞吐量测试结果

领车视频在优化前总吞吐量为1～4 Mb/s，领车视频花屏卡顿严重，作业人员无法通过视频进行相关车辆操作；优化后，由于基站增加了领车视频的SPID 业务保障机制，吞吐量可以保障在5 Mb/s 以上，视频清晰无卡顿，满足业务要求。

视频监控在优化前总吞吐量为1～6 Mb/s，视频监控花屏卡顿严重；优化后，由于基站增加了视频监控承载在QCI=4 上的业务保障机制，调度优先级较高，吞吐量可以保障在6 Mb/s 以上，视频清晰无卡顿，满足业务要求。

（3）在该站场现有业务场景下，进行语音丢包率多组测试，实施前后语音丢包率测试结果见图4。

图4 实施前后语音丢包率测试结果

集群语音在优化前丢包率较高，现场业务人员反馈经常出现语音丢字问题；优化后，由于基站增加了语音承载在QCI=1 上的业务保障机制，调度优先级较高，语音丢包率降低到0.5%以下，不再出现语音丢字问题，满足业务要求。

4 结束语

铁路站场引入LTE 宽带接入系统后，面对站场业务众多、带宽有限的情况，需要合理设计各业务QoS。LTE系统QoS包含服务优先级、吞吐率、传输时延、掉话率等指标，通过合理规划业务的QCI和用户调度优先级来保障系统每部分均提供相应的服务质量保障，从而保证系统整体能够满足服务质量要求。