梁軼群，郝 揚(yáng)，李岸寧，周宏偉

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部， 北京 100081； 2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081； 3.北京華鐵信息技術(shù)有限公司，北京 100081)

1 概述

隨著我國智能鐵路建設(shè)的全面推進(jìn)，各種鐵路智能應(yīng)用業(yè)務(wù)對通信泛在互聯(lián)、寬帶化的需求日益迫切。目前我國鐵路在用的第二代鐵路專用移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-R)作為窄帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，無論從承載能力還是生命周期考慮，都迫切需要向新一代寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)。隨著國家5G新基建戰(zhàn)略的部署，我國鐵路加緊了5G通信技術(shù)鐵路應(yīng)用的研究。

鐵路通信專網(wǎng)是保障鐵路運(yùn)輸安全，提高鐵路生產(chǎn)效率的重要支撐，承載了列控、自動(dòng)駕駛、調(diào)度通信、監(jiān)測等各類業(yè)務(wù)。我國鐵路在GSM-R專網(wǎng)檢測方面，形成了完備的檢測規(guī)程[1]，并研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的最高時(shí)速400 km檢測裝備。鐵路5G專網(wǎng)采用全I(xiàn)P化的架構(gòu)設(shè)計(jì)，無線測量參數(shù)和空口信令流程與GSM-R顯著不同。此外，鐵路5G專網(wǎng)承載的應(yīng)用業(yè)務(wù)更加豐富，應(yīng)用業(yè)務(wù)對5G專網(wǎng)提出了不同的承載能力需求，也對5G專網(wǎng)的檢測提出了新的要求。因此有必要開展鐵路5G專網(wǎng)場強(qiáng)、服務(wù)質(zhì)量、業(yè)務(wù)功能檢測關(guān)鍵技術(shù)方面的研究，為未來我國鐵路5G專網(wǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、工程建設(shè)、工程驗(yàn)收打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

國內(nèi)外專家學(xué)者針對相關(guān)問題進(jìn)行了研究，并取得了一些成果。劉光海等[2]通過理論分析和現(xiàn)網(wǎng)測試等方法，制定了NSA架構(gòu)5G網(wǎng)絡(luò)無線覆蓋類、速率類、時(shí)延類、移動(dòng)類、接入類及保持類指標(biāo)；FUENTES M. 等[3]根據(jù)IMT-2020指南中定義的相關(guān)KPI評估了5G的性能；工信部技術(shù)文件[4]給出了5G無線接入網(wǎng)的總體技術(shù)要求，介紹了接入性、移動(dòng)性的定義和流程；陳潔等[5]介紹了5G NSA組網(wǎng)場景下的RSRP、SINR、PING時(shí)延等關(guān)鍵評估指標(biāo)，并分析了初期網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要過程和解決辦法；李澤捷等[6]結(jié)合5G實(shí)際場景業(yè)務(wù)模型給出測試相關(guān)的容量、覆蓋、質(zhì)量三方面相關(guān)指標(biāo)的參考值；白曉楠、梁軼群[7]等提出了以LTE-R接收機(jī)和定位裝置為核心部件的LTE-R場強(qiáng)測試系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了LTE-R場強(qiáng)電平值與公里標(biāo)的二維圖形化顯示；李春鐸等[8]等介紹了在實(shí)驗(yàn)室條件下基于LTE環(huán)境對MCPTT呼叫建立延時(shí)和呼叫成功率進(jìn)行測試的情況，并分析了數(shù)據(jù)變化規(guī)律。但是目前針對鐵路5G專網(wǎng)場景的場強(qiáng)、服務(wù)質(zhì)量及業(yè)務(wù)功能檢測方面的研究較少，也未見針對性的仿真和測試。

在充分借鑒上述研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合鐵路應(yīng)用特點(diǎn)，在分析鐵路5G專網(wǎng)檢測需求的基礎(chǔ)上，從檢測體系架構(gòu)入手，分別針對場強(qiáng)覆蓋、服務(wù)質(zhì)量、業(yè)務(wù)功能等方面開展了研究，進(jìn)行了仿真和測試，并提出了利用檢測數(shù)據(jù)與網(wǎng)管、接口監(jiān)測等其他數(shù)據(jù)源關(guān)聯(lián)分析的技術(shù)應(yīng)用思路。

2 檢測體系

2.1 鐵路5G專網(wǎng)特點(diǎn)及檢測需求分析

鐵路5G專網(wǎng)的布設(shè)特點(diǎn)、頻率資源、承載應(yīng)用業(yè)務(wù)等方面與公網(wǎng)顯著不同。

從布設(shè)特點(diǎn)來看，與公網(wǎng)面狀覆蓋不同，鐵路5G專網(wǎng)基站沿鐵路線狀覆蓋。此外，公網(wǎng)運(yùn)營商在建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)初期，采用以LTE為錨點(diǎn)的NSA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，鐵路專用移動(dòng)通信系統(tǒng)直接從GSM-R過渡到5G專網(wǎng)，將采用SA架構(gòu)的5G網(wǎng)絡(luò)。

頻率資源方面，中國移動(dòng)獲得2.6 GHz、4.9 GHz共計(jì)260 MHz帶寬資源，中國電信、中國聯(lián)通分別獲得3.5 GHz頻段100 MHz頻率資源，這也為公網(wǎng)大帶寬5G特性的發(fā)揮奠定了頻率基礎(chǔ)。國家高度重視鐵路專用通信的安全，為支持GSM-R系統(tǒng)的建設(shè)，國家分配了 900 MHz頻段 2×4 MHz帶寬資源，目前鐵路部門正在申請鐵路5G專網(wǎng)頻率資源，但由于國家頻率資源稀缺，能夠分配給鐵路5G專網(wǎng)的頻率資源有限，這也決定了鐵路5G專網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)范圍，即關(guān)系到行車安全和設(shè)備設(shè)施運(yùn)營維護(hù)由5G專網(wǎng)承載，其他低優(yōu)先級大寬帶業(yè)務(wù)由公網(wǎng)承載，公專網(wǎng)融合應(yīng)用的方式。

承載應(yīng)用業(yè)務(wù)方面，鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)種類繁多，在鐵路正線，存在列控、機(jī)車同步操控等低延時(shí)高可靠通信傳輸需求，在車站、站場等區(qū)域有列車上的檢測、監(jiān)測數(shù)據(jù)等大容量數(shù)據(jù)車地傳輸?shù)耐ㄐ艠I(yè)務(wù)。除了大帶寬、低延時(shí)的業(yè)務(wù)特征外，鐵路承載列控、自動(dòng)駕駛(ATO)等涉及到鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)安全的重要業(yè)務(wù)，因此保障這些業(yè)務(wù)在分組交換條件下如何獲得類似于電路域CSD模式的優(yōu)先級也是鐵路應(yīng)用功能層檢測需要研究的重點(diǎn)之一。

2.2 檢測架構(gòu)

綜合上述檢測需求分析，制定鐵路5G專網(wǎng)檢測架構(gòu)如圖1所示。

圖1 鐵路5G專網(wǎng)檢測架構(gòu)

檢測架構(gòu)共分為3層。5G網(wǎng)絡(luò)作為蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，與GSM、LTE等系統(tǒng)一樣，電磁環(huán)境和場強(qiáng)覆蓋是網(wǎng)絡(luò)正常工作的前提條件，相應(yīng)指標(biāo)作為物理層進(jìn)行檢測。物理層檢測基礎(chǔ)之上是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量層，該層主要從無線側(cè)對網(wǎng)絡(luò)本身提供服務(wù)的性能進(jìn)行檢查，將指標(biāo)歸納為接入性能、移動(dòng)性能、信道保持性能三類。高效、穩(wěn)定可靠地承載各種類型的鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)是鐵路5G專網(wǎng)的最終使命，鐵路業(yè)務(wù)檢測針對大帶寬、低時(shí)延、多優(yōu)先級等場景進(jìn)行檢測。

下面逐層對檢測架構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

3 場強(qiáng)覆蓋檢測

3.1 參數(shù)選擇(表1)

表1 不同RSRP、SINR值對比

5G中場強(qiáng)覆蓋檢測的關(guān)鍵指標(biāo)為RSRP和SINR，分別表征了物理層檢測的場強(qiáng)覆蓋和電磁環(huán)境。但與LTE不同，5G NR中不再采用小區(qū)特定參考信號(CRS)做測量，空口測量基于SSB和CSI-RS等物理信號，相應(yīng)的RSRP和SINR也被分為以下幾種[9]。

SS-RSRP和SS-SINR基于SSB信號，體現(xiàn)廣播和同步信道的能力，在空閑態(tài)和連接態(tài)均可測量，屬于小區(qū)級指標(biāo)，能夠反映小區(qū)的覆蓋水平。CSI-RSRP和CSI-SINR基于CSI-RS信號，體現(xiàn)業(yè)務(wù)信道能力，僅在連接態(tài)可用，屬于用戶級參數(shù)，反映為用戶提供服務(wù)的能力。此外，經(jīng)調(diào)研，5G NR測量儀表(手機(jī)終端除外。例如R&S測量接收機(jī)TSME6等)普遍支持SS-RSRP和SS-SINR參數(shù)輸出，而不支持CSI-RSRP和CSI-SINR的輸出。綜上技術(shù)合理性及可實(shí)施性角度考慮，本文選取SS-RSRP和SS-SINR作為場強(qiáng)覆蓋檢測指標(biāo)。

3.2 檢測方案

如果場強(qiáng)測量接收機(jī)連接車內(nèi)天線，其擺放位置會(huì)直接影響車內(nèi)的接收機(jī)天線與地面基站設(shè)備天線阻擋條件，并且隨著列車行進(jìn)，阻擋條件也會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)的變化。在某高鐵對CRH380車內(nèi)、車頂天線不同條件下公網(wǎng)2.6 GHz頻段接收電平進(jìn)行對比測試，如圖2、表2所示。

圖2截取電平實(shí)測圖中一個(gè)包絡(luò)，從圖2和表2可以看出，車頂天線電平平均值高，標(biāo)準(zhǔn)差較小，說明信號強(qiáng)且更加穩(wěn)定。車內(nèi)天線由于基站和終端的相對位置時(shí)刻變化，終端接收信號的角度和位置不同，導(dǎo)致存在不同的車體金屬損耗、玻璃損耗等路徑損耗，使得車內(nèi)天線不僅電平低，而且規(guī)律性差，容易出現(xiàn)突變，信號較為不穩(wěn)定。經(jīng)過處理，顯示二者相關(guān)度僅為0.103，表明在統(tǒng)計(jì)學(xué)方面幾乎沒有關(guān)聯(lián)，不能相互表征。

圖2 2.6 GHz頻段車內(nèi)、車外接收電平實(shí)測

表2 2.6 GHz頻段車內(nèi)、車外接收電平數(shù)據(jù) dBm

因此，為了檢測方法和標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，檢測架構(gòu)中的所有檢測項(xiàng)目均需要使用車頂天線進(jìn)行檢測，并嚴(yán)格控制天饋線損耗和駐波比。這與實(shí)際應(yīng)用中列控、ATO、調(diào)度通信等設(shè)備使用列車車頂天線的實(shí)際應(yīng)用條件是一致的。

考慮鐵路線狀覆蓋特點(diǎn)，GSM-R場強(qiáng)的檢測是對相鄰兩基站構(gòu)成的區(qū)間進(jìn)行最小可用接收電平的評價(jià)，而最小可用接收電平的選擇是在GSM-R接收機(jī)靈敏度-104 dBm的基礎(chǔ)上增加3 dB車載終端饋線損耗和3 dB設(shè)備老化余量，按-98 dBm計(jì)算，同時(shí)考慮高速條件下信道的惡化，對于CTCS-3級線路按-92 dBm考核[10]。而鐵路5G專網(wǎng)采用同頻組網(wǎng)，其空口資源的調(diào)度在頻域上采用子載波，時(shí)域上采用時(shí)隙進(jìn)行調(diào)度，在小區(qū)邊緣上下行吞吐量會(huì)惡化，因此小區(qū)邊緣的網(wǎng)絡(luò)性能是小區(qū)性能的短板，而邊緣的容量與SS-RSRP和SS-SINR值密切相關(guān)。鑒于此，鐵路5G專網(wǎng)場強(qiáng)的檢測應(yīng)對相鄰兩基站構(gòu)成的區(qū)間內(nèi)的SS-RSRP和SS-SINR進(jìn)行檢測，并直觀繪制出這兩個(gè)指標(biāo)與鐵路公里標(biāo)的二維曲線圖，而具體的SS-RSRP和SS-SINR指標(biāo)的要求應(yīng)結(jié)合鐵路上下行業(yè)務(wù)對帶寬的需求和小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)吞吐能力提出，小區(qū)邊緣如圖3所示。

圖3 小區(qū)邊緣示意

當(dāng)用戶處于小區(qū)邊緣時(shí)，傳輸速率可能達(dá)到最低值。小區(qū)邊緣速率的值為用戶速率的累積密度函數(shù)(CDF)曲線的第5個(gè)百分點(diǎn)[11]。

在某高鐵線路采用車頂天線采集公網(wǎng)運(yùn)營商N(yùn)SA架構(gòu)5G網(wǎng)絡(luò)SS-RSRP、SS-SINR與上行速率數(shù)據(jù)，關(guān)系如圖4、圖5所示。

圖4 SS-RSRP與上行速率關(guān)系

圖5 SS-SINR與上行速率關(guān)系

從圖4、圖5可以看出，上行速率隨SS-SINR、SS-RSRP的增加而上升，SS-RSRP和上行速率的擬合曲線呈二次函數(shù)形式，方程為

y=0.929 3x2+6.738 6x+386.55

(1)

式中，y為上行速率；x為SS-RSRP。

SS-SINR和上行速率的擬合曲線呈指數(shù)函數(shù)形式，方程為

y=e0.104 2x

(2)

其中，y為上行速率；x為SS-SINR。

3.3 檢測指標(biāo)分析

3GPP規(guī)范只提供了SS-RSRP、SS-SINR的定義、取樣范圍和測量參考點(diǎn)，具體算法由設(shè)備廠家自己定義。

假定鐵路5G專網(wǎng)頻率資源為2100 MHz頻段 2×10 MHz，基站采用4T4R天線配置，使用5G系統(tǒng)仿真工具對不同小區(qū)邊緣上下行速率條件下的SS-RSRP、SS-SINR值進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)見表3。

表3 鐵路5G專網(wǎng)仿真參數(shù)

仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 小區(qū)邊緣上行吞吐量與SS-SRSP、SS-SINR關(guān)系

圖7 小區(qū)邊緣下行吞吐量與SS-SINR、SS-SINR關(guān)系

4 服務(wù)質(zhì)量檢測

4.1 服務(wù)質(zhì)量檢測指標(biāo)分析

與公網(wǎng)5G網(wǎng)絡(luò)相比，鐵路5G專網(wǎng)在無線覆蓋模式、承載業(yè)務(wù)類型要求等多個(gè)方面存在明顯差異，尤其是涉及到行車的高可靠性業(yè)務(wù)，如列控、調(diào)度通信、無線重聯(lián)、可控列尾等，更要保證網(wǎng)絡(luò)的高速暢通和穩(wěn)定可靠[12]，因而需要對網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行針對性檢測，用以評價(jià)鐵路5G專網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量的整體性能。在對鐵路5G專網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行評估時(shí)，主要考慮網(wǎng)絡(luò)接入性能、網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性能和無線掉線率3個(gè)方面。

網(wǎng)絡(luò)接入性能用來衡量終端接入網(wǎng)絡(luò)的能力。對于鐵路各應(yīng)用系統(tǒng)而言，鐵路5G專網(wǎng)承載列控、調(diào)度通信等重要業(yè)務(wù)，需保證車載終端設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和成功率的要求。定義鐵路專網(wǎng)的接入性能檢測包括RRC連接建立、初始注冊和Service Request流程檢測。

網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性能表征終端在位置移動(dòng)過程中業(yè)務(wù)保持連續(xù)的能力。列車在高速移動(dòng)場景下，會(huì)在不同小區(qū)間頻繁切換。列車運(yùn)行過程中鐵路沿線地形復(fù)雜，阻擋物不斷發(fā)生變化，鐵路5G專網(wǎng)需要為列控和通信調(diào)度等設(shè)備提供在高速移動(dòng)過程中不間斷和可靠的通信能力，所以需要對移動(dòng)性進(jìn)行檢測。定義鐵路專網(wǎng)移動(dòng)性檢測包括切換、移動(dòng)注冊更新和周期注冊更新。

無線掉線率是指業(yè)務(wù)傳輸過程中，由于干擾、弱覆蓋或其他原因?qū)е碌慕K端上下行失步，觸發(fā)重建未果或者被拒的過程。掉線會(huì)造成RRC連接丟失甚至脫網(wǎng)，導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷帶來行車安全隱患，因此有必要定義無線掉線率指標(biāo)，從信令層面對鐵路5G網(wǎng)絡(luò)無線信道保持能力進(jìn)行檢測。

4.2 SA架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)提取方法

結(jié)合4.1節(jié)描述的服務(wù)質(zhì)量檢測指標(biāo)，本節(jié)詳細(xì)分析在SA架構(gòu)下檢測指標(biāo)的提取方法。對于各個(gè)檢測指標(biāo)，結(jié)合鐵路5G專網(wǎng)信令流程，定義指標(biāo)對應(yīng)的信令檢測點(diǎn)和檢測方法。

從流程上看，RRC連接建立定義為隨機(jī)接入和RRC建立過程，提取信令RA Preamble、RRCSetupComplete作為檢測點(diǎn)。初始注冊表示UE開機(jī)完成網(wǎng)絡(luò)注冊需要的時(shí)間，鑒于隨機(jī)接入和RRC連接已單獨(dú)列出檢測指標(biāo)，這里不再重復(fù)定義，選擇Registration Request、Registration Accept消息作為檢測點(diǎn)，且Registration Request的registration type為initial registration，RRC連接建立和注冊流程見圖8。Service Request指標(biāo)表示對服務(wù)請求的響應(yīng)性能，提取Service Request、RRCReconfigurationComplete作為檢測點(diǎn)。切換有Xn切換和N2切換，從空口看其檢測指標(biāo)是一樣的，提取包含切換指示和目標(biāo)小區(qū)PCI的RRCReconfiguration、RRCReconfiguration Complete。切換流程參考圖9，為方便描述，流程圖不涉及核心網(wǎng)切換。移動(dòng)注冊更新和周期注冊更新參考初始注冊流程，區(qū)別在于移動(dòng)注冊更新Registration Request的registration type為mobility registration updating，周期注冊更新的registration type為periodic registration updating。無線掉線率指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分為2種情況。一是在業(yè)務(wù)過程中，觸發(fā)RRC重建立，記為一次掉線，重建失敗導(dǎo)致的多次連續(xù)重建，只記為一次掉線；二是在業(yè)務(wù)過程中，沒有觸發(fā)RRC重建立，終端返回RRC IDLE或脫網(wǎng)狀態(tài)[13]。

圖8 SA架構(gòu)RRC、初始注冊指標(biāo)信令提取示意

圖9 SA架構(gòu)切換指標(biāo)信令提取示意

4.3 檢測指標(biāo)分析

為了獲得真實(shí)5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的服務(wù)質(zhì)量，搭載CRH380列車對某高鐵5G公網(wǎng)進(jìn)行測試。由于初始注冊和移動(dòng)注冊更新等專網(wǎng)檢測指標(biāo)無法在NSA架構(gòu)的公網(wǎng)中獲取，所以指標(biāo)的提取沿用了LTE的附著和TAU流程，由此得到鐵路沿線5G公網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量的檢測結(jié)果，其中接入類指標(biāo)檢測結(jié)果見表4，移動(dòng)類和掉線率檢測結(jié)果見表5。

表4 接入類指標(biāo)檢測結(jié)果

表5 移動(dòng)類、掉線率指標(biāo)檢測結(jié)果

由于該高鐵沿線5G網(wǎng)絡(luò)采用NSA架構(gòu)，因而在指標(biāo)提取和檢測結(jié)果上與專網(wǎng)檢測存在差異。NSA架構(gòu)的5G網(wǎng)絡(luò)需要通過4G錨點(diǎn)來傳輸5G控制面信令，NSA架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的異系統(tǒng)測量和NR SCG(輔小區(qū)組)添加時(shí)延，會(huì)使SA網(wǎng)絡(luò)在時(shí)延方面更具優(yōu)勢[14]。鑒于目前鐵路沿線尚無5G專網(wǎng)實(shí)際環(huán)境，基于以上分析和檢測結(jié)果，初步提出了鐵路5G專網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量檢測指標(biāo)建議，待后續(xù)專網(wǎng)建成后可結(jié)合實(shí)測對指標(biāo)進(jìn)行修正。接入類指標(biāo)參考取值見表6，移動(dòng)類、掉線率指標(biāo)參考取值見表7。

表6 鐵路5G專網(wǎng)接入類指標(biāo)參考取值

表7 鐵路5G專網(wǎng)移動(dòng)類、掉線率指標(biāo)參考取值

下面采用數(shù)學(xué)方法對檢測樣本數(shù)要求進(jìn)行分析。以切換時(shí)延為例，由于很難獲得總體數(shù)據(jù)，使用測試樣本來近似估計(jì)總體。切換延時(shí)的時(shí)間基本穩(wěn)定，正常情況下基本不會(huì)出現(xiàn)大概率偏差，所以選用t-分布進(jìn)行樣本數(shù)的計(jì)算[15]。由于總體標(biāo)準(zhǔn)差σ未知，本文選擇測試樣本標(biāo)準(zhǔn)差s代替。置信區(qū)間表示為

(3)

(4)

解得

(5)

根據(jù)測試數(shù)據(jù)可知，樣本標(biāo)準(zhǔn)差為6.497 30 ms，樣本均值為14.692 3 ms。先取t*等于自由度為∞時(shí)的值[16],在選取置信概率為 95%的情況下，t*取值為1.960，代入公式(5)，解得n≈75，優(yōu)化自由度為80進(jìn)行迭代運(yùn)算，t*取值1.990，解得n≈78，即切換時(shí)延樣本數(shù)為78。

以此為通用方法，其他指標(biāo)樣本數(shù)要求也可采用相同方法進(jìn)行分析。

5 業(yè)務(wù)功能檢測

5.1 低延時(shí)類

公網(wǎng)運(yùn)營商在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測試時(shí)一般采用Ping(Packet Internet Groper)協(xié)議，通過向特定的目的主機(jī)發(fā)送 ICMP(Internet Control Message Protocol)Echo 請求報(bào)文，測試目的站是否可達(dá)并獲取指定包長的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。目前承載在分組網(wǎng)絡(luò)的鐵路業(yè)務(wù)，按傳輸協(xié)議可分為兩類，涉及到行車安全的ATO等業(yè)務(wù)采用TCP/IP傳輸協(xié)議，調(diào)度命令信息類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用UDP協(xié)議，為了體現(xiàn)業(yè)務(wù)特點(diǎn)，應(yīng)支持與業(yè)務(wù)實(shí)際數(shù)據(jù)包長度一致的基于TCP/IP或UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)檢測，通過車載UE向地面服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包，地面收到數(shù)據(jù)后直接回轉(zhuǎn)，為便于發(fā)送端檢測數(shù)據(jù)包的正確性，在檢測數(shù)據(jù)包中增加包長度字節(jié)和校驗(yàn)位。搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境對延時(shí)檢測方案進(jìn)行實(shí)測，可實(shí)現(xiàn)100 μs量級的延時(shí)檢測，滿足5G系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)檢測需求。

在某高鐵線路采用車頂天線對公網(wǎng)運(yùn)營商5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)進(jìn)行檢測，結(jié)果見表8。

表8 鐵路場景UDP端到端傳輸延時(shí)數(shù)據(jù)分析

由實(shí)測數(shù)據(jù)可知，樣本標(biāo)準(zhǔn)差為86.38 ms，樣本均值為49.78 ms，t*取值為1.96，解得n≈1 157，即Ping時(shí)延檢測所需樣本數(shù)為1 157。

5.2 大帶寬類

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬能力測試采用FTP方式，移動(dòng)側(cè)UE通過向地面FTP服務(wù)器上傳文件或者下載文件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的測試。

未來鐵路除了部署在正線的5G專網(wǎng)外，在鐵路站場等樞紐熱點(diǎn)區(qū)域會(huì)考慮建設(shè)毫米波等通信系統(tǒng)作為補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)車地大容量數(shù)據(jù)傳輸。這種情況下網(wǎng)絡(luò)的吞吐能力超過了硬盤的讀取速率，采用FTP這種方式不再適用?？山Y(jié)合鐵路業(yè)務(wù)所用TCP/IP或UDP傳輸協(xié)議，車載UE和地面服務(wù)器雙向灌包的方式進(jìn)行檢測，對端收到的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中處理而不進(jìn)行硬盤文件操作，使用這種方法可測得網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際吞吐能力，滿足大帶寬類業(yè)務(wù)的檢測需求。

5.3 MCPTT類

我國鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)采用了3GPP的MCPTT(Mission Critical Push to Talk)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[17-19]，業(yè)務(wù)類型包括話音(MCPTT-Voice)、數(shù)據(jù)(MCPTT-Data)、視頻(MCPTT-Video)三類。三類業(yè)務(wù)信令面均采用SIP(Session Initiation Protocol)協(xié)議，因此對于業(yè)務(wù)建立成功率、延時(shí)以及業(yè)務(wù)的保持等指標(biāo)的檢測，均可通過相應(yīng)的SIP信令檢測點(diǎn)提取獲得。以話音類的呼叫話權(quán)搶占(PTT)為例，MCPTT 客戶端發(fā)起PTT搶占時(shí)會(huì)向MCPTT 服務(wù)器發(fā)送FLOOR REQUEST的SIP命令，MCPTT 客戶端收到FLOOR GRANDED的SIP命令指示已成功搶到話權(quán)。搭建試驗(yàn)環(huán)境對話權(quán)搶占指標(biāo)進(jìn)行實(shí)測，結(jié)果見表9。

表9 呼叫話權(quán)搶占測試結(jié)果

由實(shí)測數(shù)據(jù)可知，樣本標(biāo)準(zhǔn)差為111.16 ms，樣本均值為140.48 ms，優(yōu)化自由度為200進(jìn)行迭代計(jì)算，t*取值為1.972，解得n≈243，即MCPTT話權(quán)搶占檢測所需樣本數(shù)為243。

5.4 多優(yōu)先級保障機(jī)制檢測

CTCS-3級列控業(yè)務(wù)涉及到鐵路行車安全，GSM-R系統(tǒng)承載列控業(yè)務(wù)采用電路域交換的CSD模式，列控業(yè)務(wù)獨(dú)占無線信道，同時(shí)將列控業(yè)務(wù)的優(yōu)先級設(shè)置為1級，從而保障在網(wǎng)絡(luò)資源不足時(shí)列控業(yè)務(wù)的可靠運(yùn)行[20]。

5G網(wǎng)絡(luò)采用分組交換模式，不再支持類似于GSM-R的業(yè)務(wù)獨(dú)占信道模式。在5G 網(wǎng)絡(luò)QoS保障機(jī)制中，涉及到優(yōu)先級的參數(shù)主要有5QI[21]和ARP。5QI是一個(gè)用于索引5G QoS特性的標(biāo)量，可以定義優(yōu)先級特性。ARP決定資源請求的相對重要性，包含優(yōu)先級、搶占功能和搶占漏洞的信息，用于資源分配和保留優(yōu)先級。在資源有限的情況下，ARP優(yōu)先級決定是否可以接受或者拒絕新的QoS流，并且選擇搶占哪個(gè)現(xiàn)有QoS流[22]。

多優(yōu)先級保障機(jī)制檢測可分為兩個(gè)方面，一是使用低優(yōu)先級業(yè)務(wù)占滿網(wǎng)絡(luò)帶寬的前提下，使用高優(yōu)先級業(yè)務(wù)搶占資源，二是高優(yōu)先級業(yè)務(wù)運(yùn)行前提下使用低優(yōu)先級業(yè)務(wù)灌滿網(wǎng)絡(luò)帶寬，檢測這兩種情況下高優(yōu)先級業(yè)務(wù)帶寬是否仍可以得到保障。

6 結(jié)語

本文針對鐵路5G專網(wǎng)特點(diǎn)，在分析檢測需求的基礎(chǔ)上，提出了場強(qiáng)覆蓋、服務(wù)質(zhì)量、業(yè)務(wù)功能三層檢測架構(gòu)，并研究了各層的檢測方法。結(jié)合搭載CRH380型動(dòng)車組采集的5G公網(wǎng)樣本數(shù)據(jù)，給出了高鐵典型場景下邊緣SS-RSRP、SS-SINR分別與上行數(shù)據(jù)速率關(guān)系的擬合公式，對鐵路典型參數(shù)設(shè)定條件下SS-RSRP和上下行邊緣速率關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)仿真；通過研究5G網(wǎng)絡(luò)空口信令流程，給出了服務(wù)質(zhì)量檢測指標(biāo)建議及信令提取點(diǎn)，類比5G公網(wǎng)樣本統(tǒng)計(jì)結(jié)果初步給出鐵路5G專網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)建議值，并結(jié)合t-分布模型計(jì)算了檢測樣本數(shù)要求；搭建試驗(yàn)環(huán)境對業(yè)務(wù)功能類檢測指標(biāo)之一的話權(quán)搶占指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)測和統(tǒng)計(jì)分析。

隨著鐵路5G專網(wǎng)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和未來運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)的部署，可利用本文提出的方法在真實(shí)鐵路5G專網(wǎng)環(huán)境下采集數(shù)據(jù)樣本，進(jìn)一步驗(yàn)證檢測方法并提出檢測指標(biāo)要求，為鐵路5G專網(wǎng)檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定和檢測系統(tǒng)的研發(fā)提供依據(jù)，進(jìn)而為鐵路5G專網(wǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、工程建設(shè)、工程驗(yàn)收提供技術(shù)手段。

傳統(tǒng)的場強(qiáng)覆蓋、服務(wù)質(zhì)量、業(yè)務(wù)功能的檢測是在檢測樣本的概率統(tǒng)計(jì)值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比給出對應(yīng)指標(biāo)的合格判定，實(shí)際上歷次檢測得到的樣本可用于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化趨勢分析。無線網(wǎng)絡(luò)的指標(biāo)變化是相對動(dòng)態(tài)的，利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可掌握指標(biāo)的合理變化區(qū)間，檢測樣本超出合理動(dòng)態(tài)范圍時(shí)可提前預(yù)警，避免進(jìn)一步的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量惡化。利用大數(shù)據(jù)綜合分析技術(shù)，以歷次檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合網(wǎng)管KPI數(shù)據(jù)以及接口監(jiān)測DPI數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障前實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隱患的排查，保障鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)的高可靠承載，實(shí)現(xiàn)鐵路5G專網(wǎng)從“故障修”到“狀態(tài)修”的運(yùn)維模式轉(zhuǎn)變，可作為未來鐵路5G專網(wǎng)檢測繼續(xù)深入研究的方向。