朔黃鐵路LTE通信網絡QoS控制策略

張 斌

LTE（長期演進網絡）是由3GPP組織制定的通用無線網絡，是當前最新的寬帶無線傳輸網，具有端到端的QoS（服務質量）保障能力，可以對各種業務配置不同的QCI（標度值）和ARP（分配和保留優先級）來提供差異化的服務。朔黃鐵路是雙線電氣化重載鐵路，2014年LTE無線通信網絡建成，不僅承載鐵路通信數據，還要承載視頻監控數據，是一個綜合業務承載網絡。

1 朔黃鐵路數據業務需求

1．實時安全數據，主要是機車無線重聯、可控列尾業務。機車無線重聯操控應用層業務包為69Byte，每200ms一個包，速率為345Byte／s。可控列尾的應用層業務包30Byte，每200ms一個包。安全數據的速率大概為5kb／s，在帶寬規劃時按32kb／s預算。安全數據對于包時延 （PDB）和丟包率 （PLR）要求非常高。

2．非實時文本數據，主要是調度命令、無線車次號校驗。調度命令應用層數據包平均600Byte，進路預告發送周期10～15min，調度命令是事件觸發。車次號應用層數據包約100字節，大約30s發送一次。這些數據按照上行0．8kb／s，下行0．4kb／s進行預算。

3．語音業務，主要是調度通信和其他鐵路公務通信，手持終端、CIR（車載通信終端）之間的語音調度通信。語音數據為點呼、組呼、組播等車地語音通信數據，單個用戶預算為30kb／s。

4．數據圖像信息，主要是車－地移動視頻監控。視頻監控攝像頭采集的數據和手機視頻數據，每路視頻 （標清）信號按照上、下行各512kb／s帶寬進行網絡規劃。

由于這些業務在優先級、可靠性方面的要求不同，網絡需要提供不同的保障措施，保證安全數據的時延和可靠性。當資源受限時，首先保證無線重聯操控業務、可控列尾業務和緊急呼叫業務的資源；其次，保證車載臺CIR的調度命令、車次號校核和語音通話的資源；再次，保證手持臺語音通話的資源；最后是視頻監控業務。朔黃鐵路的業務優先級需求場景比較復雜，既有單終端、單業務場景，也存在單終端、多業務、多優先級場景。

2 QoS控制過程

2．1 LTE網絡QoS三要素

2．1．1 QCI

QCI是QoS分類標識，3GPP組織對公網定義了1～9標準值，對應不同的QoS質量要求。其中，1～4標準是需要帶寬保證的業務，需要中間各網元使用自身手段來保證業務可以分配到固定帶寬；5～9標準不需要進行帶寬保障，業務符合“突發”傳送的帶寬模型 （如網頁瀏覽），或者用戶并不關心流量到來是否均勻 （如ftp下載），雖然不需要保證帶寬，但對時延要求非常高。

用戶業務建立時，核心網并不需要將資源類型、優先級、可靠性、丟包率等全部參數傳遞到無線側，而是將QCI數值傳遞到E－UTRAN （演進的UMTS陸地無線接入網）。這樣，使用同樣的QCI、eNodeB （基站）、S－GW （服務網關）、PGW （PDN網關）等各網元，就可以按照相同的標準執行QoS，減少網元間的參數傳遞。各網元在QoS執行過程中，是采用有線還是無線、是電路還是分組、是隊列還是令牌，均由自己來定。

2．1．2 ARP

ARP用來控制承載 （主要是空口）建立、修改優先級。如果說QCI用來標識數據包在某個承載上轉發的質量，那么ARP就是用來控制該承載能否建立，保持搶占和被搶占的 “準入”優先級。

優先級表示創建承載的時刻無可用資源時搶占其他已經建立的承載，以及承載創建后是否可以被其他新建承載搶占。搶占能力表示創建或者修改承載時，如果資源不足，能否搶占低優先級的資源。

被搶占屬性表示資源不足時，該承載資源能否被其他更高優先級的新建或者修改承載所搶占。只在 “搶占能力”設為 “能搶占”，或 “被搶占屬性”設為 “能被搶占”時，ARP才有用。數值小的優先，可以搶占優先級數值更大的承載。

ARP值都會在建立E－RAB（無線接入承載）時由S－GW發給eNodeB，由eNodeB根據用戶的優先級，采取相應的資源分配動作。

2．1．3 帶寬

保證比特率 （GBR）：表示為承載提供保證的帶寬。

最大比特率 （MBR）：表示為承載能夠提供的最大帶寬，但無法確保。

業務接入平均最小速率 （APN－AMBR）：用戶一個APN中的PDN連接中，所有不保證帶寬的non－GBR承載可以使用的最大帶寬。上行、下行APN－AMBR由用戶 （UE）和P－GW進行控制。

用戶接入平均最小速率 （UE－AMBR）：一個UE終端所創建的所有non－GBR承載的聚合最大比特率，指一個用戶的所有非GBR承載帶寬總和的最大值。上、下行的UE－AMBR的控制由eNodeB執行。

LTE是端到端的QoS保障，通過端到端的業務承載向下映射，端到端的QCI參數映射到底層各段的QoS參數，主要是無線接入側和中間轉發的業務優先級。例如，空口的調度優先級、IP傳輸層的DSCP（差分服務代碼點）等。

業務報文在發送給數據通信承載網絡前，給報文的IP DSCP、VLAN Pri（基群速率借口）或MPLS EXP（多協議標簽交換漏洞）優先級進行標記，這樣，數據通信承載網絡上每個層次的設備，都能在自己處理的協議層次上找到數據包的質量等級依據，執行有差別的流量監管、擁塞管理、擁塞避免、流量整形等帶寬控制動作，對高優先級的報文使用更有保障的隊列、擁塞避免機制等高優先級QoS措施。

2．2 QoS控制過程

2．2．1 QoS專有承載

LTE系統中QoS控制的基本粒度是承載（Bearer），即相同承載上的所有數據流量，將獲得相同的QoS保障，不同類型的承載提供不同的QoS保障。

一個QoS承載是UE與分組數據網網關 （PGW）之間的邏輯電路。在初始附著的過程中，按照用戶簽約的默認QoS等級建立一個默認承載，即每個UE至少有一個激活的承載存在，從而保證用戶在開始業務時具有更短的時延。默認承載的QoS參數，既可以來自從歸屬用戶服務器 （HSS）中獲取的簽約數據，也可以通過PCRF交互，或者基于本地配置來改變這些值。

如果默認承載不能滿足業務的QoS需求，則會創建一個專有承載。專有承載可以是網絡側發起創建的，也可以是終端觸發建立。若在承載建立或修改過程中，與QoS承載相關聯的保證比特率（GBR）對應的專有網絡資源被恒定地分配，這個QoS承載就屬于GBR承載；否則，這個承載就屬于Non－GBR承載。專有承載可以是GBR承載或者Non－GBR承載，而默認承載只能是Non－GBR承載。

APN－AMBR 在 UE 和 P－GW上控制，一個PDN連接是針對1個特定的APN，一個PDN連接一定是匯聚在一個UE和同一個P－GW 上。

UE－AMBR由eNodeB負責控制，一個UE在同一時刻的全部承載都在一個eNodeB上。

QCI是LTE網絡QoS控制的主線，在LTE網元間傳遞。所有承 載 網 絡 IP／MPLS／VLAN 等QoS的控制，在邊界設備上完成映射。

2．2．2 QoS承載建立過程

UE上有眾多的應用程序，和外部網絡傳輸的數據包可能是不同業務等級的數據流。在上行和下行轉發時，UE和P－GW必須有能力將不同QoS要求的數據流分流到不同的承載上去。

業務流模板 （TFT）是業務和承載之間關聯的紐帶，是在承載建立時創建的。UE有上行TFT（UL－TFT）做上行UE到網絡側方向業務流向承載的映射，P－GW有下行TFT （DL－TFT）做業務流向承載的映射。

以上行QoS承載為例，說明其建立過程與實現原理，如圖1所示。首先，UE通過UL－TFT將一個上行SDF（服務數據流）綁定成QoS承載，若在UL－TFT中包含多個上行分組數據包過濾器，則多個SDF將可以復用相同的QoS承載。隨后依順序，UE通過創建SDF與無線承載之間的綁定，實現UL－TFT與無線承載之間的映射；eNodeB通過創建無線承載與S1承載之間的綁定，實現無線承載與S1承載之間的映射；S－GW （服務網關）通過創建S1承載與S5／S8承載之間的綁定，實現S1承載與S5／S8承載之間的映射；最終，QoS承載數據通過無線承載、S1承載及S5／S8承載的級聯，實現了UE對外部PDN網絡之間PDN連接業務的支持。

在TCP／IP網絡中，識別一個業務流 （會話）是五元組，包括協議類型、源地址和源端口、目的地址和目的端口5個要素。

UE和P－GW也是通過類似的數據流匹配要素的手段來識別業務，再將業務分流到不同的TFT。UE和P－GW上會創建包過濾器，這些包過濾器再與不同的TFT關聯，來實現業務和TFT的關聯，進而將業務和承載相關聯。

圖1 基于GTP協議上行QoS承載

在創建專有承載、TFT時，發起方會同時攜帶包過濾器的信息。UE和P－GW就會創建該包過濾器，并與此TFT關聯，TFT再與承載管理，完成業務到承載的映射。LTE網絡中也定義了新增、刪除、修改包過濾器的流程。一個TFT可以關聯多個包過濾器。這樣，P－GW和UE就知道哪些業務流關聯到哪個TFT。通過包過濾器到TFTBearer ID的映射，UE和P－GW就有能力將不同的業務映射到不同的承載上，對業務進行不同的QoS控制。

2．2．3 基于SPI的網絡QoS控制策略

SPI（淺層數據報文檢測）是對物理層的底層數據報頭IP五元組進行檢測，根據該數據流的基本信息進行業務流識別。基于SPI的QoS控制方法一般可以針對以下2種類型進行控制。

1．基于用戶類別的策略控制。根據用戶的IMSI號段分成不同的類別，實施不同的業務控制策略。

2．基于應用業務類型的策略控制。根據應用的業務類型，分別實施不同的控制策略。例如FTP等業務的策略控制功能。

2．2．4 基于DSCP傳輸網路的QoS保障

朔黃鐵路LTE網路QoS應用最關心的是傳輸網絡 （應用層）端到端數據的QoS保障。通過IP傳輸層的DSCP（差分服務代碼點）來保障端到端的業務承載向下映射，端到端的QCI參數映射到底層各段的QoS參數，主要是無線接入側和中間轉發的業務優先級。

業務報文在發送給數據通信承載網絡前，給報文的IP DSCP、VLAN Pri（基群速率接口）或MPLS EXP（多協議標簽交換）優先級進行標記，這樣，數據通信承載網絡每個層次上的設備，都能在自己處理的協議層次上，找到數據包的質量等級依據，執行有差別的流量監管、擁塞管理、擁塞避免、流量整形等帶寬控制，對高優先級的報文使用更有保障的隊列、擁塞避免機制等高優先級QoS措施。

3 朔黃鐵路QoS保障策略

朔黃鐵路LTE網絡提供端到端的QoS保障機制，是通過設置各個業務的QCI來進行區分。QCI包括默認承載QCI和專有承載QCI 2種。各個業務對應的QCI設置如表1所示。

除了視頻業務外，其他業務設置為GBR業務，保障最小帶寬需求。無線重聯操控業務、可控列尾業務和緊急呼叫業務的優先級最高，在網絡資源緊張時，可以搶占其他業務的資源，但不能被其他業務搶占。

LTE的傳輸網絡采用IP傳輸，在傳輸擁塞時，根據DSCP配置值丟棄低優先級的數據包，保證高優先級數據包的速率和時延。表2為朔黃鐵路的QCI和DSCP的映射方案。

表1 APN和開戶速率的備選方案

表2 QCI和DSCP的映射方案

朔黃鐵路采用LTE寬帶網絡承載多種鐵路業務。在LTE的端到端QoS保障機制的基礎上，針對不同業務設置對應的參數，對不同業務提供差異化的服務。有了這種保障機制，LTE作為承載網絡，發揮寬帶的優勢進行綜合承載，保證安全數據以最高優先級運行。

［1］ 3GPP TS 2 3 ．4 0 1General Packet Radio Service（GPRS）enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network（E－UTRAN）access．

［2］ 3GPP長期演進（LTE）系統架構與技術規范［S］．北京：人民郵電出版社，2010．

［3］ 張穎瑩．支持多業務QOS的多小區資源分配算法［J］．無線電通信技術，2008（6）．