城市軌道交通LTE-M服務質量測試方法

趙俁鈞 戴源廷 魏志恒

摘 要：LTE-M作為新一代城市軌道交通通信系統，首先保障CBTC業務安全可靠傳輸，并具有綜合承載PIS，CCTV等業務的能力，已經在我國城市軌道交通通信中廣泛應用。文章介紹了對于LTE-M服務質量的測試方法，并針對測試終端有可能的影響，提出通過采集分析網絡端接口數據的方法，利用實際網絡本身真實業務進行測試，作為傳統測試方法的一種補充和配合，以求盡可能真實全面地測試LTE-M網絡服務質量。

關鍵詞：LTE-M;測試終端;網絡接口;服務質量

0 引言

近年來，我國城市軌道交通建設增長迅猛，新建線路均采用基于通信的列車運行控制（Communications Based Train control，CBTC）系統。車地通信系統負責傳輸列車控制信息和列車狀態信息是CBTC系統的關鍵環節，同時也是城市軌道交通安全運營的關鍵。城市軌道交通的基于第四代移動通信技術的城市軌道交通綜合業務承載的TD-LTE系統（Long Term Evolution for Metro，LTE-M），首先要保障CBTC業務安全可靠傳輸，并具有綜合承載PIS，CCTV等業務的能力。綜上，LTE-M承載城市軌道交通的各種業務，已經逐漸在我國城市軌道交通領域開始展開應用，一種合理且更有效的測量方法能為LTE-M的建設和運維提供有效的技術保障。

1?LTE-M系統架構

LTE-M系統在城市軌道交通車地無線通信綜合承載過程中，要滿足信息傳輸實時性、系統穩定性、并保障對應的服務質量（Qos），系統構架如圖1所示，主要包括：（1）數據終端：固定臺、車載臺、手持臺等。（2）eNB包含基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）和射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU）。? （3）LTE核心網包含：控制面的移動性管理實體（Mobility Management Entity，MME）、用戶面的分組數據網關（PDN gateway，PGW）、服務網關（Serving Gateway，SGW）、歸屬簽約服務器（Home Subscriber Server，HSS）。（4）業務系統：CBTC，PIS，CCTV 等系統。（5）運營與支撐子系統：網絡管理系統、監測系統、檢測系統等。

2 ? LTE-M服務測量內容

在LTE-M系統中，對于網絡服務質量的測試，主要分為：場強覆蓋、傳輸性能相關和承載業務幾類。根據承載的不同業務的重要性，有不同網絡服務質量要求，優先級劃分如表1所示。

這些具體的KPI指標按不同的類別可分為：（1）無線類指標。無線場強覆蓋由RSRP和RSRQ來衡量，其中：RSRP用來標識系統無線網絡覆蓋情況，可以用來衡量小區覆蓋范圍，指承載小區參考信號RE上的線性平均功率。RSRQ用來確定實際系統覆蓋狀況，是小區參考信號功率相對小區所有信號功率（RSSI）的比值。

（2）呼叫類指標。其中：RRC連接建立成功率，用來反映小區的UE接納能力，RRC連接異常掉話反映對應小區內RRC連接保持性能。E-RAB建立成功率主要通過E-RAB建立成功個數與建立請求個數之間的比進行表示，E-RAB建立阻塞率標識系統容量導致的E-RAB建立失敗，E-RAB掉話率及無線接通率等。

（3）移動性管理類指標。eNodeB內切換成功率、X2接口切換成功率、S1接口切換成功率等。

（4）時延類指標。Attach時延、切換時延、用戶面時延等。

（5）系統資源類指標。流量指標：接口流量指標、協議層流量指標;無線資源利用率：PUSCH PRB利用率、PDSCH PRB利用率、PRACH資源利用率;系統資源利用率：尋呼擁塞率、重傳率、丟包率等。

3?測試方法

應用LTE-M通信測試工具測量LTE-M網絡，參照軌道列車行進速度，獲得關鍵服務質量數據，進行網絡客觀評估。

3.1? 場強覆蓋測試

無線場強覆蓋可由RSRP和RSRQ來衡量。測試使用場強接收儀測試列車移動過程中接收功率的變化，以此獲得LTE-M網絡無線場強覆蓋的具體情況，得到場強質量的關鍵數據[1]，如圖2所示。

通過路測方法測量出某區域若干RSRP和RSRQ相關數據后，通過以下覆蓋率KPI計算公式可計算出區域實際覆蓋率，覆蓋率定義為F=1的測試位置在測試區域所取測試點中的百分率。

F=RSRP≥R

RSRQ≥S

（當RSRP≥R和RSRQ≥S都滿足，則F=1;否則F=0。R和S為設定閾值。）

RSRP標識下行導頻信號接收功率;SINR標識接收導頻信號的信號質量，即“信噪比”;計算中需先排除RSRP或者RSRQ的值遠超過正常范圍的異常測試點。如果某一測試區域接收信號功率超出某一門限，同時信號質量超出某一門限則表示該區域被覆蓋。

3.2? 傳輸性能測試

傳輸性能測試包括傳輸時延、丟包率和吞吐率等，時延包括了系統中各個環節的時延，比如各節點處理時延，傳輸時延等;切換時延還包括控制面時延和用戶面時延;丟包率包括在動態環境下不同列車速度下的數據丟包率;吞吐率包括在不同業務類型不同列車速度環境下的對應的上行吞吐率/下行吞吐率[2]，如圖3所示。

3.3? 其他

網絡服務質量指標還包括連接建立時延、連接建立失敗率等一些靜態指標。尤其應該關注的是越區切換成功率和切換時延的測試，切換性能是列車行進過程中服務質量的重要指標，切換性能測試可與吞吐率測試同時進行。

4 網絡接口測試方法

對于LTE-M網絡服務質量的測試，以上的方法可能會因為測試終端本身的原因不能全面準確的反映出網絡質量。因此，文章提出一種利用系統網絡側接口映射，對網絡數據進行分析統計的方法，在不對LTE-M系統產生影響的情況下進行網絡服務質量進行測試，以達到網絡服務質量的準確、全面的反映。具體測試如圖4所示。

通過網絡接口測試設備監測LTE-M網絡狀態，LTE-M系統不管是從連接建立開始還是連接斷開，中間的所有的業務過程和業務數據的傳輸，在網絡側的S1接口上都有反映，可以通過對S1接口數據的分析統計來評估網絡業務質量。S1接口的協議棧如圖5所示。

對于上面提出的各項服務質量測試內容，筆者可以針對S1接口控制面（S1-C）和S1接口用戶面（S1-U）進行針對性的分析統計，對于不同條件下LTE-M上承載的不同業務在真實應用的環境中進行。這種方法：一是采用列車上已有系統進行真實業務測試，可以不利用模擬業務方式進行;二是不用頻繁進行測試環境變化，隨時可以進行;三是對原系統基本沒有影響，盡量保證了系統服務質量的準確反映。

通過在S1-C接口通信信令進行可靠地監測并進行解析、關聯，可以準確分析統計出連接建立成功率、連接建立時延、斷開（失效）率、切換等過程相關指標[3]。其中：

（1）E-RAB建立成功率。E-RAB指用戶平面的承載，E-RAB建立成功率用E-RAB指派建立嘗試次數與E-RAB指派建立成功響應次數間的比值來表示，可以標識eNB或者小區接納業務的能力和系統負荷情況（見圖6）。KPI計算公式為：E-RAB建立成功率=（Attach過程中E-RAB建立成功次數+Service Request過程中E-RAB建立成功次數+承載建立過程中E-RAB建立成功次數）/（Attach過程中E-RAB請求建立次數+Service Request過程中E-RAB請求建立次數+承載建立中E-RAB請求建立次數）×100%。

（2）E-RAB建立阻塞率。E-RAB建立阻塞率反映系統容量導致的E-RAB建立失敗，可以標識eNB或者小區的業務接納控制能力和系統資源負荷情況。KPI計算公式為：E-RAB阻塞率=接納拒絕的E-RAB次數/請求接納的E-RAB次數×100%。

（3）E-RAB掉話率。由于某些異常的原因，eNB向CN發起E-RAB請求，請求釋放一個或者多個無線接入承載（E-RAB）。當UE不激活、丟失、或其它的eNB異常原因，eNB即向CN發出UE釋放請求，同樣會導致釋放UE已建立好的E-RAB。KPI計算公式為：E-RAB掉話率=異常原因eNB請求釋放的E-RAB次數/E-RAB建立成功次數×100%。

（4）S1接口切換成功率。S1接口作為eNB同CN之間的接口，其切換成功率標識了eNB與其他eNB通過CN參與的UE切換成功情況，與系統切換處理性能和網絡系統規劃設計有關[7]（見圖7）。KPI計算公式為：S1接口切入成功率=S1接口切換入成功次數（本小區）/S1接口切換入嘗試次數×100%。

S1接口切出成功率=S1接口切換出成功次數/S1接口切換出嘗試次數（本小區）×100%。

（5）S1接口切換時延。S1接口切換時延標識UE進行LTE S1切換過程中的用戶面中斷時間，是衡量用戶感受網絡服務質量的一個重要指標[5]。KPI計算公式為：上行時延=S1切換后目標基站收到的第一個上行數據包時間-S1切換前源基站收到的最后一個上行數據包時間。下行時延=S1切換后目標基站發送的第一個下行數據包時間-S1切換前源基站發送的最后一個下行數據包時間。

在S1-U接口可以在不同的層次上進行傳輸相關的指標進行分析統計，比如在傳輸層次或者在業務層次。LTE-M接口信令分析展示如圖8所示。

5?結語

通過研究分析城市軌道交通裝備技術規范，本文具體介紹LTE-M網絡服務質量基本測試方法，并引進一種基于網絡側S1接口分析統計的測試方式。通過對無線場強覆蓋、車地通信傳輸性能以及切換性能等關鍵參數的測試，可以客觀評估動態列車運行狀態下的網絡性能指標，也為網絡服務質量評估提供可信數據依據。

[參考文獻]

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[2]趙麟杰.鐵路LTE系統服務質量測試與網絡優化[J].鐵路通信信號工程技術，2018（15）：40-45.

[3]郜周軍，崔雁松.LTE無線網絡優化關鍵性能指標的分析與研究[J].中國新通信，2015（21）：89-91.

[4]黃云玲.LTE在城市軌道交通CBTC信號系統車地無線通信的應用[J].鐵路技術創新，2016（6）：91-94.

[5]朱東飛，洪婷.城市軌道交通車地通信綜合承載系統（LTE-M）性能測試與分析[J].城市軌道交通研究，2017（5）：171-175.

（編輯 姚 鑫）