王亮， 黃偉

（鼎橋通信技術(shù)有限公司，四川成都 610041）

1 鐵路站場業(yè)務(wù)概述

在《鐵路信息化總體規(guī)劃》中，明確提出2020年車站（場）寬帶無線覆蓋率達(dá)到60%以上。在《鐵路站場寬帶無線接入系統(tǒng)總體技術(shù)要求（暫行）》中，規(guī)定了鐵路站場（包括編組站、貨運站、客運站、動車段所和集裝箱中心站等）寬帶無線接入系統(tǒng)的技術(shù)要求，明確了站場寬帶無線接入系統(tǒng)可用于承載鐵路站場列檢、貨檢、調(diào)車、車號、客貨運等語音、數(shù)據(jù)、圖像通信業(yè)務(wù)［1-3］。

鐵路站場是車站進(jìn)行各種技術(shù)作業(yè)的場地，站場無線通信系統(tǒng)是鐵路車站運輸安全及調(diào)度指揮的重要支撐。鐵路站場采用LTE 寬帶無線接入系統(tǒng)后，由于承載業(yè)務(wù)多樣化，并且各種業(yè)務(wù)的要求差異化較大，亟須一套完整的業(yè)務(wù)保障機(jī)制來確保各種業(yè)務(wù)能夠正常進(jìn)行。根據(jù)鐵路站場業(yè)務(wù)分析，提出一套鐵路站場業(yè)務(wù)保障機(jī)制，以滿足鐵路站場的作業(yè)要求。

鐵路站場不同業(yè)務(wù)對優(yōu)先級和時延等要求各不相同，以我國某大型編組站為例，其典型鐵路站場業(yè)務(wù)要求見表1。

從表中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)看，鐵路站場業(yè)務(wù)類型多樣復(fù)雜，業(yè)務(wù)特點和業(yè)務(wù)要求各不相同，這些業(yè)務(wù)承載在LTE寬帶接入系統(tǒng)上，需要有完備的業(yè)務(wù)保障解決方案來保障各項站場業(yè)務(wù)正常進(jìn)行［4］。

2 LTE系統(tǒng)QoS業(yè)務(wù)保障原理

鐵路站場業(yè)務(wù)承載在LTE 系統(tǒng)后，需要根據(jù)LTE的QoS 策略進(jìn)行適配才能滿足鐵路站場的業(yè)務(wù)要求。LTE 可靠性技術(shù)主要包括基于服務(wù)質(zhì)量等級（QCI）的業(yè)務(wù)保障和基于用戶簽約服務(wù)標(biāo)識（SPID）的業(yè)務(wù)保障［5-6］。

表1 典型鐵路站場業(yè)務(wù)要求

在LTE系統(tǒng)中，QoS控制的基本單元是承載。用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流以該基本單元在網(wǎng)絡(luò)側(cè)實施QoS控制。映射到同一個承載的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流將得到同樣的QoS 保障，如調(diào)度策略、無線承載策略等。

3GPP TS23.203 最初定義了一套標(biāo)準(zhǔn)的從1 到9 的QCI，對不同業(yè)務(wù)進(jìn)行QoS 保障，R13 版本增加了QCI65、QCI66、QCI69、QCI70，用于一鍵通（PTT）業(yè)務(wù)。R14 版本增加了QCI75 和QCI79，用于車對外界信息交換（V2X）業(yè)務(wù)［7-10］。

在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中，如果同一個eNodeB 下不同用戶的QCI 相同，但用戶間的優(yōu)先級不同，此時，基于QCI 的業(yè)務(wù)保障并不能保障高優(yōu)先級用戶的業(yè)務(wù)體驗，需要通過SPID 來進(jìn)行用戶識別，并傳遞到基站（eNodeB），eNodeB 根據(jù)SPID 不同的用戶進(jìn)行不同的調(diào)度優(yōu)先級匹配。

SPID 是運營商為終端（UE）在歸屬地用戶簽約服務(wù)器（HSS）數(shù)據(jù)庫中注冊的1 個1～256 范圍內(nèi)的策略索引，eNodeB可以根據(jù)該索引對特定UE的業(yè)務(wù)行為作出特殊處理，以便按照UE 的業(yè)務(wù)特點更好地提供有針對性的服務(wù)。SPID在網(wǎng)絡(luò)中的傳遞流程見圖1。

圖1 SPID配置流程

通過SPID將具有相同特征的UE進(jìn)行歸類分組，使eNodeB能夠?qū)Σ煌纸M的UE靈活定制差異化的調(diào)度策略，從而提升不同分組UE的業(yè)務(wù)體驗。

3 鐵路站場業(yè)務(wù)保障解決方案

3.1 方案實現(xiàn)

在實際鐵路站場業(yè)務(wù)部署過程中，可根據(jù)QCI 和SPID 業(yè)務(wù)保障機(jī)制實現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)保障流程，具體實現(xiàn)方案如下：

當(dāng)收到核心網(wǎng)下發(fā)的業(yè)務(wù)建立請求或切換請求時，從中獲得對應(yīng)的QCI、保障速率（GBR）、最大保障速率（MBR）、聚合最大比特速率（AMBR）和分配保留優(yōu)先級（ARP）等相關(guān)參數(shù)，然后通過準(zhǔn)入控制來進(jìn)行業(yè)務(wù)初始QoS的保證。

如果業(yè)務(wù)準(zhǔn)入成功，則按照相關(guān)無線承載參數(shù)建立對應(yīng)的無線承載，該無線承載參數(shù)按照QCI 進(jìn)行配置，以此滿足不同類型業(yè)務(wù)的QoS需求。

已準(zhǔn)入成功業(yè)務(wù)的QoS保證主要體現(xiàn)在調(diào)度優(yōu)先級保障，在調(diào)度優(yōu)先級計算時考慮以下因素：

（1）信令調(diào)度：絕對優(yōu)先級高。

（2）語音調(diào)度：語音調(diào)度的優(yōu)先級低于信令，高于GBR和非保障速率（Non-GBR）。

（3）GBR 業(yè)務(wù)的GBR 保證：對于GBR 業(yè)務(wù)，eNodeB 會測量GBR 業(yè)務(wù)的實際速率，如果實際速率低于GBR 時，此時GBR 業(yè)務(wù)的優(yōu)先將絕對優(yōu)先于Non-GBR業(yè)務(wù)。

（4）Non-GBR 業(yè)務(wù)的最小保障速率（min_GBR）保證：為防止Non-GBR 的“餓死”情況，會對Non-GBR 設(shè)置1 個min-GBR，對于Non-GBR 的min-GBR 保證類似于GBR業(yè)務(wù)的GBR保證。

（5）GBR 業(yè)務(wù)的時延保證：當(dāng)GBR 業(yè)務(wù)的首包時延接近最大允許時延時，會提升該連接的優(yōu)先級，以保證GBR 業(yè)務(wù)的時延。GBR 之前的優(yōu)先級計算需要考慮不同GBR QCI的優(yōu)先級。

對于相同QCI 業(yè)務(wù)，如果該業(yè)務(wù)所屬用戶的SPID不同，則在計算該用戶調(diào)度優(yōu)先級時，增加SPID 的加權(quán)因子，從而實現(xiàn)同等QCI 下，不同SPID 用戶調(diào)度優(yōu)先級不同。根據(jù)鐵路站場的業(yè)務(wù)特點及要求，制定相關(guān)QoS參數(shù)以保障相關(guān)業(yè)務(wù)（見表2）：

（1）測機(jī)信號和信令用于列車操控，優(yōu)先級最高，通過QCI=5 來承載，其中兩者之間信令優(yōu)先級又相對較高，因此，對信令用戶配置SPID，以保障信令用戶的調(diào)度優(yōu)先級。

（2）群組語音用戶用于語音通信，優(yōu)先級為次高，通過QCI=1來承載。

（3）視頻監(jiān)控、勾確認(rèn)、勾計劃、領(lǐng)車視頻對時延和速率要求高，因此通過QCI=4 GBR 來進(jìn)行時延和速率保障；其中領(lǐng)車視頻優(yōu)先級又相對較高，通過SPID來識別保障。

表2 鐵路站場業(yè)務(wù)保障策略

（4）圖片上傳、工單下發(fā)、作業(yè)確認(rèn)對速率和時延要求低，通過QCI=9 Non-GBR來承載。

3.2 實施效果

以我國某大型鐵路站場為例，由于部署的業(yè)務(wù)類型較多，業(yè)務(wù)負(fù)荷較重，上行PRB 利用率已經(jīng)達(dá)到100%，在此網(wǎng)絡(luò)高負(fù)荷場景下，由于之前缺少對業(yè)務(wù)和用戶統(tǒng)一進(jìn)行QCI 和SPID 規(guī)劃以及相關(guān)優(yōu)先級保障機(jī)制，導(dǎo)致信令和語音等相關(guān)高優(yōu)先級業(yè)務(wù)無法保障，不同業(yè)務(wù)的時延、吞吐率、掉話率、時延抖動均不滿足業(yè)務(wù)QoS要求，頻繁出現(xiàn)信號中斷異常停車、視頻卡頓花屏、語音丟字等情況。

對該站場業(yè)務(wù)統(tǒng)一規(guī)劃并部署了相關(guān)QoS 保障方案，驗證方案是否有效。測試時間選擇該站場業(yè)務(wù)忙時，選擇負(fù)載最重的1個小區(qū)，實施優(yōu)化方案前后，分別進(jìn)行8 組測試，每組進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)測試10 次，每次業(yè)務(wù)測試時長2 min，10 次測試結(jié)果取平均值作為該組測試結(jié)果。

（1）在該站場現(xiàn)有業(yè)務(wù)場景下，進(jìn)行多組測機(jī)信號、心跳、視頻監(jiān)控的時延測試，實施前后測試結(jié)果見圖2。

圖2 實施前后時延測試結(jié)果

測機(jī)信號在優(yōu)化前時延為2～6 s，不滿足測機(jī)信號2 s 以內(nèi)的要求，經(jīng)常出現(xiàn)故障停車問題；優(yōu)化后，由于基站增加了測試信號承載在QCI=5 上的業(yè)務(wù)保障機(jī)制，調(diào)度優(yōu)先級高，時延均在2 s 內(nèi)，滿足業(yè)務(wù)要求，不再出現(xiàn)異常停車問題。

心跳信號在優(yōu)化前時延為3～7 s，不滿足測機(jī)信號4 s 以內(nèi)的要求，經(jīng)常出現(xiàn)心跳丟失導(dǎo)致業(yè)務(wù)異常的問題；優(yōu)化后，由于基站增加了心跳信號承載在QCI=4上的業(yè)務(wù)保障機(jī)制，調(diào)度優(yōu)先級較高，時延均在4 s內(nèi)，滿足業(yè)務(wù)要求，不再出現(xiàn)由于心跳時延大導(dǎo)致業(yè)務(wù)異常的問題。

（2）在該站場現(xiàn)有業(yè)務(wù)場景下，進(jìn)行2 路720P 領(lǐng)車視頻和3 路720P 視頻監(jiān)控多組測試，實施前后吞吐量測試結(jié)果見圖3。

圖3 實施前后吞吐量測試結(jié)果

領(lǐng)車視頻在優(yōu)化前總吞吐量為1～4 Mb/s，領(lǐng)車視頻花屏卡頓嚴(yán)重，作業(yè)人員無法通過視頻進(jìn)行相關(guān)車輛操作；優(yōu)化后，由于基站增加了領(lǐng)車視頻的SPID 業(yè)務(wù)保障機(jī)制，吞吐量可以保障在5 Mb/s 以上，視頻清晰無卡頓，滿足業(yè)務(wù)要求。

視頻監(jiān)控在優(yōu)化前總吞吐量為1～6 Mb/s，視頻監(jiān)控花屏卡頓嚴(yán)重；優(yōu)化后，由于基站增加了視頻監(jiān)控承載在QCI=4 上的業(yè)務(wù)保障機(jī)制，調(diào)度優(yōu)先級較高，吞吐量可以保障在6 Mb/s 以上，視頻清晰無卡頓，滿足業(yè)務(wù)要求。

（3）在該站場現(xiàn)有業(yè)務(wù)場景下，進(jìn)行語音丟包率多組測試，實施前后語音丟包率測試結(jié)果見圖4。

圖4 實施前后語音丟包率測試結(jié)果

集群語音在優(yōu)化前丟包率較高，現(xiàn)場業(yè)務(wù)人員反饋經(jīng)常出現(xiàn)語音丟字問題；優(yōu)化后，由于基站增加了語音承載在QCI=1 上的業(yè)務(wù)保障機(jī)制，調(diào)度優(yōu)先級較高，語音丟包率降低到0.5%以下，不再出現(xiàn)語音丟字問題，滿足業(yè)務(wù)要求。

4 結(jié)束語

鐵路站場引入LTE 寬帶接入系統(tǒng)后，面對站場業(yè)務(wù)眾多、帶寬有限的情況，需要合理設(shè)計各業(yè)務(wù)QoS。LTE系統(tǒng)QoS包含服務(wù)優(yōu)先級、吞吐率、傳輸時延、掉話率等指標(biāo)，通過合理規(guī)劃業(yè)務(wù)的QCI和用戶調(diào)度優(yōu)先級來保障系統(tǒng)每部分均提供相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量保障，從而保證系統(tǒng)整體能夠滿足服務(wù)質(zhì)量要求。