CBTC應用環境下TD-LTE承載網絡的QoS (服務質量)增強措施研究

朱東飛 李 想 張 楊

(1.武漢地鐵集團有限公司,400030,武漢; 2.上海自儀泰雷茲交通自動化系統有限公司,201206,上海; 3.武漢智慧地鐵科技有限公司，430074,上海//第一作者,副總工程師)

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CBTC應用環境下TD-LTE承載網絡的QoS (服務質量)增強措施研究

朱東飛1李 想2張 楊3

(1.武漢地鐵集團有限公司,400030,武漢; 2.上海自儀泰雷茲交通自動化系統有限公司,201206,上海; 3.武漢智慧地鐵科技有限公司，430074,上海//第一作者,副總工程師)

從減少同頻干擾和鄰頻干擾、增加頻譜效率和數據傳輸速率、提高系統通用性和可靠性等技術優勢出發,分析了TD-LTE (分時長期演進)技術應用于CBTC (基于通信的列車自動控制)系統的可行性與必要性。簡要介紹了基于TD-LTE承載網絡的CBTC系統框架,并分別從控制平面和業務平面對該框架的QoS (服務質量)機制進行了論述。針對CBTC系統的實施提出LTE (長期演進)系統核心網(EPC)冗余、LTE基站冗余與終端設備(CPE)冗余備份等措施,保障TD-LTE承載網絡的QoS等級。

TD-LTE技術; CBTC系統; QoS機制; 冗余備份

First-author′s address Wuhan Rail Transit Group Co.,Ltd.,400030,Wuhan,China

1 基于TD-LTE網絡的CBTC系統

1.1 TD-LTE技術的優勢

TD-LTE (分時長期演進)技術是第三代移動通信技術的進一步演進,引入了OFDM (正交頻分復用)和MIMO(多輸入多輸出)等空口增強技術,增加了頻譜效率和數據傳輸速率。軌道交通行業可供劃分使用的LTE (長期演進)頻段為1 785—1 805 MHz[1]。TD-LTE專用網絡為CBTC (基于通信的列車自動控制)系統、車載CCTV (閉路電視監控)系統和語音視頻綜合調度系統提供通道,與傳統通信應用方案相比,主要有以下優勢:

(1) 使用專用頻段,不存在外部系統的頻率干擾;

(2) 采用無縫切換算法、遠距離覆蓋等措施,滿足高移動性需求,能保證列車以200 km/h速度運行時其延時小于50 ms;

(3) 具有較高的通用性和市場基礎,可以延長系統的使用周期,得到更好的投資收益比;

(4) TD-LTE能對不同的業務進行優先級區分(對業務、維護、告警等數據流進行分級),分配與之相匹配的QoS (服務質量)等級。

1.2 TD-LTE技術應用于CBTC系統

TD-LTE技術應用于CBTC系統的框架如圖 1所示,主要由中心控制系統、基站覆蓋子系統和列車子系統組成。

中心控制系統包括LTE控制中心和業務中心。LTE控制中心涵蓋EPC (核心網)設備和LTE網管系統,業務系統為中心已有系統,包括CBTC控制中心、PIS (乘客信息服務系統)服務器、CCTV車載監視系統服務器等設備,這些設備均接入控制中心交換機,與EPC設備建立通信。

圖1 基于TD-LTE網絡的CBTC系統組成框圖

基站覆蓋子系統負責LTE無線信號在軌道上的無縫覆蓋,保證無線信號的強度和質量,從而確保CPE (終端設備)設備具備有效的無線通道,保障各類業務數據的及時、準確傳輸。基站覆蓋子系統包括LTE基站、車站交換機、天線等。

列車子系統包括車載LTE系統和車載業務系統。車載LTE系統包括車載CPE和車載交換機。車載業務系統為列車已有系統,包括車載CCTV設備、車載PIS設備、車載CBTC設備等。車載CPE設備實現路由器、網關等網絡管理功能,負責將以太網端的數據收集起來,無縫轉發到LTE無線側,同時將LTE系統無線側下發的數據正確轉發到車載設備。

2 TD-LTE承載網絡端到端QoS機制

在TD-LTE的體系中,QoS控制的基本粒度是承載。LTE協議框架中的QoS機制考慮到未來數據業務高速、突發的特點,為了有效提高用戶體驗,真正實現用戶的永遠在線,引入了默認承載的概念,同時也取消了專用信道,采用了共享信道的機制,使用了靈活的動態調度機制。這些使得TD-LTE體系能夠有效地保證無縫的用戶體驗[2]。

如圖2所示,EPS (演進分組系統)承載業務與外部承載業務共同支撐端到端業務,其不僅能夠提供業務數據的傳送,還提供了業務QoS相關信息映射以及業務流復用等功能。具體來說,LTE體系的QoS功能包括:根據請求的QoS實現eNB (LTE中基站名稱)與用戶終端(UE)間承載業務數據單元人傳輸;IP頭壓縮;用戶平面加密;UE提供映射及復用信息;根據請求實現MME (移動性管理實體)與eNB之間的承載業務數據單元的傳輸;提供端到端IP業務匯聚的QoS保證。

圖2 TD-LTE網絡業務QoS承載架構

結合圖 2描述LTE中QoS承載的建立過程為:當UE發起1個新的業務請求時,位于EPC的PCRF (策略與計費規則功能)就會根據新業務的QoS需求產生1個PCC (策略計費控制)消息,這個消息描述了該業務流的特性,如與QoS有關的位速率、業務等級等。之后,1個SDF (標準延時格式文件)需要經過位于P-GW (PDN GateWay,PDN (分組數據網)網關)的DL-TFT (下行業務流模板),并經由其中的包過濾器映射到某一個EPS承載關聯的集合。S-GW (服務網關)從PCRF中獲取此SDF描述消息,并且以每個業務等級為單位對S5/S8承載和S1承載的關系進行對應。同樣,無線承載通過綁定S1承載實現到S1承載的一一映射。由此,通過級聯S5/S8承載、S1承載和無線承載[3],建立了UE和外部PDN之間的IP連接,實現了具有特定QoS等級的SDF數據的傳輸。

3 CBTC系統中TD-LTE承載網絡的QoS保障措施

3.1 系統冗余備份措施

基于TD-LTE網絡的CBTC系統使用系統冗余設計實現業務的QoS保障,如圖 3所示。主要有LTE系統EPC冗余、LTE基站冗余與CPE冗余,這些手段可以保證車地通信的CBTC信號能連續、穩定、可靠地傳輸。

3.1.1 LTE系統EPC冗余

核心網在組網形態上采用A、B雙網覆蓋原則,使用完全獨立的雙LTE網絡系統,工作在1 785—1 805 MHz中的兩個5 MHz頻段,提供冗余備份。同時設計雙EPC備份功能:主EPC與備用EPC外部接口完全一致,同時2個主備EPC會定期同步信息。備用EPC根據主EPC的運行狀態和運行參數進行自我調整,隨時做好接納工作的準備。當主EPC發生故障時,備用EPC能迅速接管工作,擔負起管理全網、傳輸各種業務的職責。

圖3 CBTC系統冗余設計圖

3.1.2 LTE基站冗余

在布網時,為了保證某臺基站發生故障時,不會影響系統業務傳輸,如圖 4所示,需要增加基站數量,減小基站間隔距離。額外增加的基站為冗余,確保無信號盲區,保證業務的正常傳輸。

3.1.3 LTE系統CPE冗余

車載設備由車頭、車尾2套天線和CPE設備組成,車頭、車尾分別包含主、備2套CPE設備,分別工作在A、B網。例如:車頭A網主CPE+B網備CPE,車尾B網主CPE+A網備CPE,2套車載設備均能同時工作,互為冗余備份。CPE冗余為內部冗余,CPE主控板同時連接2個LTE-UE。2個UE模塊,1個作為主UE,1個作為備用UE。正常狀況下,使用主UE傳輸數據,當主UE發生故障時,主控板將控制切換使用備用UE繼續工作。

圖4 LTE基站冗余設計

3.2 LTE網絡控制平面QoS保障措施

TD-LTE網絡QoS機制的控制平面主要作用是感知業務類型、登記用戶信息、接納控制、資源預留、選擇QoS策略、通知業務平面執行。

3.2.1 資源預留

為確保業務流的服務質量,精確的資源預留是必須的。這里的“資源”指帶寬和緩沖區。一方面,一個新的業務流是否被接納取決于是否有滿足業務流需求的網絡資源,如果有足夠的資源,就接納該業務并對其進行資源預留;另一方面,業務資源預留后,剩余資源需要更新,從而影響接納控制的判斷。

當業務流發起時,把包含業務流特性和需求QoS參數的報文發給網絡交換設備[4],交換設備根據剩余資源和前一跳地址形成新的報文,轉發給下一交換設備,直到目的節點。接收方收到報文后,根據業務特性和可用資源參數形成接收消息,沿原路發送給源端,中間的網絡交換設備根據接收報文進行可用資源更新和流量分類器等參數調整。源端收到接收報文后即可發送數據包。資源預留是一個面向連接的方式,故能確保網絡上業務的服務質量。結合網絡管理平面,采用基于策略的管理方法,參考測量得到的信道的長期和短期統計特性,選擇最優的QoS接入鏈路方案,達到保證QoS的目的。

3.2.2 基于測量的接納控制

當新業務流發起時,把包含業務流特性和需求的報文發給中繼節點,然后該節點將網絡資源的剩余情況與業務特性及需求進行比較。若資源能滿足,則接納該業務,并預留資源,否則拒絕該業務流的計入,以提高網絡資源利用率和保證業務的QoS。

會話級QoS準入控制階段的功能實體包括UE、IMS (IP多媒體子系統)呼叫、資源配置實體(含SPR (用戶屬性存儲器)、P-CSCF (代理會話控制功能)、PDF (策略決策功能))、控制器QoS隊列組、信道狀態監測模塊和信道QoS隊列組。在UE發起業務時,IMS呼叫和資源配置實體通過自身SPR庫中反應出的用戶級別,UE發出的SIP/SDP (會話初始協議/會話描述協議)消息中包含的用戶業務QoS要求,信道狀態監測模塊在設定的時間窗內測得的隊列長度(一階統計特性)、發送速率(二階統計特性)等QoS傳輸資源使用和可用情況,由PDF實體做出是否可滿足當前呼叫請求的業務QoS決策。如果是則由PEF執行面向QoS準入接納策略執行體,根據得到的該業務的信道(由哪個無線信道承載)動態創建和信道QoS隊列組相對應的控制器QoS隊列組,并通知UE可以開始業務平面的分組傳輸。

采用基于測量的會話級準入接納控制算法,通過對每一個時間窗口T內信道狀況的測量,計算信道中隊列長度的平均值,以此為參考,決定下一個時間窗口T內新申請的業務流接納與否。窗口T的大小反映了接納控制算法對歷史記憶的長度,T越小,通過測量計算所得的網絡負載值和實際負載值越接近,資源利用率越高,接納流的數目越多,但可能導致服務質量降低;T越大,接納控制算法越保守,資源利用率越低,接納流的數目減少,但服務質量容易得到滿足。為了選擇一個合適的時間窗口T。基于模糊控制的理論,對時間窗口T的選取進行動態控制。這樣就可以有效地提高鏈路利用率,給系統提供更優的服務質量。

3.3 LTE網絡業務平面QoS保障措施

TD-LTE核心網絡主要采取平面分流、分類保障、流量監控等措施,為用戶提供服務質量保障。全網劃分為若干個保障等級,根據業務和用戶類型預先分配帶寬。采用技術上比較成熟的基于DiffServ模型、資源預留協議(RSVP)進行QoS保障。

基于DiffServ模型的網絡QoS控制模型,采用MPLS(多協議標簽交換)作為交換技術。MPLS是下一代IP承載網的核心技術。作為一種三層交換技術,MPLS將網絡層的路由機制與鏈路層的標記交換機制結合在一起。在MPLS網絡入口處,標記邊緣路由器(LER)依據轉發等價類(FEC)給每一個分組分配一個固定長度的標記。

核心承載網的QoS保證機制主要有MPLS流量工程、基于MPLS的QoS服務模型(IntServ和DiffServ)及區分服務感知的流量工程(DS-TE)技術,其中MPLS流量工程利用均衡策略分配網絡資源。MPLS網絡中的QoS機制可歸納為IntServ和DiffServ 2種模型架構。IntServ模型在MPLS網絡中采用RSVP建立具備QoS保證的端到端LSP (分層服務提供程序),沿途的每個網絡設備均需記錄每個業務流的狀態信息,以提供相應的資源預留。轉發優先級控制可滿足QoS業務在丟包、時延和抖動方面的要求。對非實時業務和無連接的轉發業務,優先級級別(包括規劃優先級和丟棄優先級)由邊緣路由器標記在IP包頭中。CFNR (呼叫無應答前轉)可指示路由器設定或更改其IP DiffServ PHB的配置。對實時業務和面向連接的轉發業務,優先級級別由邊緣路由器標記在MPLS標簽中。

4 結語

采用TD-LTE技術作為CBTC系統的主要承載網絡具備干擾因素小、傳輸帶寬高、可靠性高等特點,已經成為軌道交通車地通信系統的主流技術。本文首先對CBTC系統中TD-LTE承載網絡的QoS保障機制進行了研究,分別從控制層面和業務層面提出針對LTE承載的QoS改進措施。進一步通過系統冗余部署策略,如EPC冗余、LTE基站冗余和CPE冗余,進一步提升CBTC系統無線承載網絡的穩定性和可靠性。

[1] 中華人民共和國工業和信息化部.關于重新發布1 785—1 805 MHz頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知:無[2015]65號[S].北京:中華人民共和國工業和信息化部,2015.

[2] 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.

[3] 杜加懂,孫姬,陳麗坤.UMTS及EPC網絡QoS機制的研究[J].電信網技術,2010(12):1-6.

[4] 黃韜,張智江.EPS系統的QoS機制[J].中興通訊技術,2008(6):45-49.

[5] 范亞芹,張麗翠,孫曉麗.RSVP在VoIP網絡中QoS上的應用[J].吉林大學學報,2004(22):119-122.

QoS Guarantee Measurement for TD-LTE Bearer Network in CBTC Application Environment

ZHU Dongfei, LI Xiang, ZHANG Yang

Focusing on the technical advantages of the jamming reduction from closed frequencies,the efficiency and date transmitting rate increasing,as well as on the applicability and reliability improvement,the feasibility and necessity of applying TD-LTE technology in CBTC system are analyzed.With a brief introduction of the QoS service architecture in TD-LTE,the QoS mechanism is described from both the controlling layer and the application layer.In order to improve the quality of QoS service,feasible tactics,such as EPC redundancy,LTE base station redundancy and CPE backup and so on are proposed.

TD-LTE technology; communication based train control (CBTC) system; quality of service (QoS) mechanism; redundancy backup

U285.21

10.16037/j.1007-869x.2017.06.014

2017-04-01)