電力無線專網多業務QoS保障機制研究

姜靜

摘要：針對電力無線專網承載多種配用電業務的QoS要求，本文研究了電力無線專網多業務承載需求的基礎上，結合電力業務需求與LTE的QoS機制，提出了一種電力無線專網多業務QoS保障機制，實現系統資源的合理分配，在提供業務可靠QoS保障的同時獲得最大系統容量。

關鍵詞：電力無線專網 LTE 多業務 QoS

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0035-01

隨著智能電網的發展，電力通信網絡建設重點逐漸向終端通信接入網傾斜。能源互聯網成為未來趨勢，接入網業務呈現出大帶寬、移動性、交互性、靈活接入等特點，要求接入網具備高實時、高可靠、高安全等特性。4G LTE系統靈活的帶寬配置，扁平化的網絡架構，相比傳統光纖更適合分布較為分散的電力終端，尤其是滿足移動業務終端的通信需求，相比無線公網用戶少，業務專，易于監控，正適應接入網在“多手段、多功能、全業務、全覆蓋”建設目標。因此，隨著多種業務的大量接入，如何保障重要業務不受延遲或丟棄，網絡資源合理分配，就需要研究一種基于電力無線專網的端到端的QoS（Quality of Service，服務質量）保障機制。

目前，4G LTE標準對業務的QoS的定義和級別劃分都有明確的規定。但是這種劃分和相應的保障機制沒有結合電力業務的特點，沒有考慮到每種業務的具體需求[1-2]。因此，本文在建立業務性能指標對應關系基礎上，提出針對電力業務的QoS參數映射表，用多維度指標對業務的優先級，分配保留級別進行量化和規范，進而提出適用于電力終端接入網的業務QoS保障機制。

1 LTE QoS體系和保障策略

LTE系統（Long Term Evolution）由演進型分組核心網（EPC）、演進型基站（eNodeB）和用戶設備（UE）三部分組成。其中，EPC負責核心網部分，eNodeB負責接入網部分，也稱E-UTRAN（演進UMTS地面無線接入網），UE指用戶終端設備，EPC和E-UTRAN合稱為EPS[3]。與3G傳統的無線通信系統相比，LTE接入網絡更加扁平化，因此LTE系統的QoS體系更簡單化，QoS協商僅在核心網側實現，即核心網設備根據終端請求建立業務的QoS參數，結合核心網側用戶的簽約數據以及QoS控制策略，給出最終的QoS參數，并開始建立對應的業務。對于核心網給出的QoS參數，eNB和終端要么接受，要么拒絕，無法像3G網絡一樣能再次進行協商[4]。

2 LTE QoS控制對象

LTE系統中，EPS中只有數據（PS域）業務，用戶與網絡間必須先建立EPS承載（Bearer） 之后，才能在承載之上使用各種數據業務。每種數據業務的業務流，稱為一個業務數據流SDF，它可以用一個IP五元組來表示（源、目的IP地址、源、目的端口、協議等），這個五元組稱為TFT（traffic flow template）過濾器。

QoS控制的基本對象是EPS承載，EPS承載與QoS保障一一對應，不同的QoS保障需要不同類型的EPS承載來提供。EPS承載具體可分為默認承載和專用承載或GBR承載和Non-GBR承載等[5]。

（1）默認承載：默認承載可以簡單理解為一種提供盡力而為IP連接的承載，給用戶設備提供永遠在線的IP連接。默認承載是不保證比特率的承載。（2）專用承載：建立在默認承載的基礎上，對某些特定業務（特定的QoS傳輸需求）所使用的EPS承載。通常情況QoS要求高于默認承載。（3）GBR承載：與保證比特速率（GBR）承載相關的專用網絡資源，所謂GBR，是指系統保證承載的最小比特速率，被網絡“永久”分配。GBR承載一般只是在需要時才建立。（4）Non-GBR承載：與GBR承載相反，網絡資源不能永久分配給某個承載。Non-GBR不需要占用固定的網絡資源，可長時間地建立。

3 LTE QoS關鍵參數

LTE系統提供豐富的多媒體業務如數據、語音、圖像、視頻等，用戶的體驗要求不經相同，如信息要準確、速度要快、語音要清晰、畫面要流暢，電力無線專網需要將這些體驗映射為各個節點能識別處理的技術參數即QoS參數，再根據QoS控制數據包的轉發處理，以保證用戶的業務體驗。QoS的關鍵參數有： QCI、ARP、GBR、MBR和AMBR等。其中，QCI與AMBR兩個參數是LTE系統新增的。

（1）QoS分類標識（QCI）：是一個標度值，代表了EPS應該為這個SDF提供的QoS特性，每個SDF僅與一個QCI相關聯。QCI 定義為1～4，對應GBR業務，需持續相等帶寬傳送的業務，如視頻或音頻類業務；QCI 定義為5～9，對應Non-GBR業務，如網頁瀏覽、ftp下載等。所有QCI屬性均可以根據實際需求預配置到接入網節點（比如eNodeB）上，這些參數決定了無線側承載資源的分配[1]。

（2）分配和保留優先級（ARP）：表示創建承載時的優先等級，取值1～15，數值越小越優先。一個承載的ARP僅在承載建立成功之前對承載的建立產生影響。承載建立之后再需要對承載的特性進行改變時，應該由QCI、GBR、MBR和AMBR等參數決定[1]。建議Non-GBR的ARP建議高于GBR的優先。

（3）保證比特速率（GBR）&最大比特速率（MBR）： GBR是保障速率，可以理解為業務承載需要滿足的最小帶寬；MBR為最大速率，可以理解為業務承載能滿足的最大速率。MBR參數一般大于或等于GBR參數取值[1]。

（4）聚合最大比特速率（AMBR）：為盡可能提高帶寬利用率而引入，針對Non-GBR 承載中的每一個承載都能夠潛在地利用整個AMBR。AMBR 參數限制了共享這一AMBR 的所有承載能所能提供的總速率[1]。

4 多業務LTE QoS設計

配用電業務類型多樣，各類業務對時延、帶寬等網絡條件的需求不同，要求LTE專網針對不同業務需求提供不同服務以保證網絡服務質量。因此，本文針對多業務承載需求提出了一種基于LTE無線專網的多級業務質量保障機制，保證網絡高效運行。

5 QoS保障機制

電力無線專網承載的配用電業務根據其功能需求可分為：控制類業務、視頻監控、信息監測類和市場營銷類這幾大類業務。其中視頻監控業務有帶寬保障的要求，業務需要承載在GBR承載上，其他業務則使用Non-GBR承載，并通過不同的QCI和ARP對業務的QoS能力進行區分。

為保證網絡服務質量，同一時刻多個業務請求接入，網絡節點業務負荷高時，優先確保優先級高的業務得到服務，最大程度地緩解帶寬壓力。下面給出電力業務QoS保障機制。

控制類業務：對通信安全性、時延、路由要求嚴格，通信的失效對電網影響嚴重。建議采用QCI=5的GBR承載，丟包率在10-6以內，有足夠的可靠性。如配電自動化三遙、分布式電源業務。

視頻類業務：對通信帶寬要求高。建議使用QCI=4的GBR承載，丟包率在10-6以內。GBR帶寬可根據視頻源碼率和帶寬配置。如配變視頻監控業務

信息監測類和市場營銷類：對安全性要求較高、對時延、路由要求較寬松。建議采用QCI=9的Non-GBR承載，丟包率在10-6以內。如用電信息采集、智能家居管理業務。

6 QoS實現過程

核心網側，根據終端的業務建立請求，確定QoS關鍵參數，需要根據QCI來控制業務的時延，丟包以及對應的優先級；根據GBR，MBR來控制業務速率；根據AMBR來控制非GBR的業務總速率。

接入網側，對于核心網發起的業務建立中的QoS參數，被動選擇接受或者拒絕。終端側，在上層應用發起業務時，將對應的QoS參數在業務建立請求消息中帶給核心網。在業務建立時，根據核心網給出的QoS參數來建立對應的業務，并根據QOS參數中的AMBR來控制非GBR進行總帶寬限制。

7 結語

本文將LTE的QoS機制與電力業務需求相結合，提供完整的QoS保障，支持9級QCI差分服務，制定符合電力需求的優先級策略，在滿足各類業務接入的同時，確保配電自動化遙控業務等重要數據信息的優先傳輸。本文通過探討電力無線專網多業務QoS保障機制，希望能為LTE電力無線專網的服務質量控制提供一點參考，為LTE電力無線專網的推廣應用奠定堅實基礎。

參考文獻

[1]寧祥峰，3GPPLTE系統QoS技術的研究及改進[D].濟南：山東大學，2011.

[2]池煒成，端到端的LTE_QoS控制技術與策略研究[J].移動通信，2014（5）：52-58.

[3]謝顯中，李祥明等.基于TDD的第四代移動通信技術[M].北京：電子工業出版社，2005.

[4]查敦林，郭曉東，孫知信.LTE/SAE的QoS研究[J].計算機技術與發展，2010，11：250-253.

[5]3GPP TS 23.402 Technical Specification Group Services and System Aspects； GPRS enhancements for E-UTRAN access[S].