朔黄铁路LTE通信网络QoS控制策略

张 斌

LTE（长期演进网络）是由3GPP组织制定的通用无线网络，是当前最新的宽带无线传输网，具有端到端的QoS（服务质量）保障能力，可以对各种业务配置不同的QCI（标度值）和ARP（分配和保留优先级）来提供差异化的服务。朔黄铁路是双线电气化重载铁路，2014年LTE无线通信网络建成，不仅承载铁路通信数据，还要承载视频监控数据，是一个综合业务承载网络。

1 朔黄铁路数据业务需求

1．实时安全数据，主要是机车无线重联、可控列尾业务。机车无线重联操控应用层业务包为69Byte，每200ms一个包，速率为345Byte／s。可控列尾的应用层业务包30Byte，每200ms一个包。安全数据的速率大概为5kb／s，在带宽规划时按32kb／s预算。安全数据对于包时延 （PDB）和丢包率 （PLR）要求非常高。

2．非实时文本数据，主要是调度命令、无线车次号校验。调度命令应用层数据包平均600Byte，进路预告发送周期10～15min，调度命令是事件触发。车次号应用层数据包约100字节，大约30s发送一次。这些数据按照上行0．8kb／s，下行0．4kb／s进行预算。

3．语音业务，主要是调度通信和其他铁路公务通信，手持终端、CIR（车载通信终端）之间的语音调度通信。语音数据为点呼、组呼、组播等车地语音通信数据，单个用户预算为30kb／s。

4．数据图像信息，主要是车－地移动视频监控。视频监控摄像头采集的数据和手机视频数据，每路视频 （标清）信号按照上、下行各512kb／s带宽进行网络规划。

由于这些业务在优先级、可靠性方面的要求不同，网络需要提供不同的保障措施，保证安全数据的时延和可靠性。当资源受限时，首先保证无线重联操控业务、可控列尾业务和紧急呼叫业务的资源；其次，保证车载台CIR的调度命令、车次号校核和语音通话的资源；再次，保证手持台语音通话的资源；最后是视频监控业务。朔黄铁路的业务优先级需求场景比较复杂，既有单终端、单业务场景，也存在单终端、多业务、多优先级场景。

2 QoS控制过程

2．1 LTE网络QoS三要素

2．1．1 QCI

QCI是QoS分类标识，3GPP组织对公网定义了1～9标准值，对应不同的QoS质量要求。其中，1～4标准是需要带宽保证的业务，需要中间各网元使用自身手段来保证业务可以分配到固定带宽；5～9标准不需要进行带宽保障，业务符合“突发”传送的带宽模型 （如网页浏览），或者用户并不关心流量到来是否均匀 （如ftp下载），虽然不需要保证带宽，但对时延要求非常高。

用户业务建立时，核心网并不需要将资源类型、优先级、可靠性、丢包率等全部参数传递到无线侧，而是将QCI数值传递到E－UTRAN （演进的UMTS陆地无线接入网）。这样，使用同样的QCI、eNodeB （基站）、S－GW （服务网关）、PGW （PDN网关）等各网元，就可以按照相同的标准执行QoS，减少网元间的参数传递。各网元在QoS执行过程中，是采用有线还是无线、是电路还是分组、是队列还是令牌，均由自己来定。

2．1．2 ARP

ARP用来控制承载 （主要是空口）建立、修改优先级。如果说QCI用来标识数据包在某个承载上转发的质量，那么ARP就是用来控制该承载能否建立，保持抢占和被抢占的 “准入”优先级。

优先级表示创建承载的时刻无可用资源时抢占其他已经建立的承载，以及承载创建后是否可以被其他新建承载抢占。抢占能力表示创建或者修改承载时，如果资源不足，能否抢占低优先级的资源。

被抢占属性表示资源不足时，该承载资源能否被其他更高优先级的新建或者修改承载所抢占。只在 “抢占能力”设为 “能抢占”，或 “被抢占属性”设为 “能被抢占”时，ARP才有用。数值小的优先，可以抢占优先级数值更大的承载。

ARP值都会在建立E－RAB（无线接入承载）时由S－GW发给eNodeB，由eNodeB根据用户的优先级，采取相应的资源分配动作。

2．1．3 带宽

保证比特率 （GBR）：表示为承载提供保证的带宽。

最大比特率 （MBR）：表示为承载能够提供的最大带宽，但无法确保。

业务接入平均最小速率 （APN－AMBR）：用户一个APN中的PDN连接中，所有不保证带宽的non－GBR承载可以使用的最大带宽。上行、下行APN－AMBR由用户 （UE）和P－GW进行控制。

用户接入平均最小速率 （UE－AMBR）：一个UE终端所创建的所有non－GBR承载的聚合最大比特率，指一个用户的所有非GBR承载带宽总和的最大值。上、下行的UE－AMBR的控制由eNodeB执行。

LTE是端到端的QoS保障，通过端到端的业务承载向下映射，端到端的QCI参数映射到底层各段的QoS参数，主要是无线接入侧和中间转发的业务优先级。例如，空口的调度优先级、IP传输层的DSCP（差分服务代码点）等。

业务报文在发送给数据通信承载网络前，给报文的IP DSCP、VLAN Pri（基群速率借口）或MPLS EXP（多协议标签交换漏洞）优先级进行标记，这样，数据通信承载网络上每个层次的设备，都能在自己处理的协议层次上找到数据包的质量等级依据，执行有差别的流量监管、拥塞管理、拥塞避免、流量整形等带宽控制动作，对高优先级的报文使用更有保障的队列、拥塞避免机制等高优先级QoS措施。

2．2 QoS控制过程

2．2．1 QoS专有承载

LTE系统中QoS控制的基本粒度是承载（Bearer），即相同承载上的所有数据流量，将获得相同的QoS保障，不同类型的承载提供不同的QoS保障。

一个QoS承载是UE与分组数据网网关 （PGW）之间的逻辑电路。在初始附着的过程中，按照用户签约的默认QoS等级建立一个默认承载，即每个UE至少有一个激活的承载存在，从而保证用户在开始业务时具有更短的时延。默认承载的QoS参数，既可以来自从归属用户服务器 （HSS）中获取的签约数据，也可以通过PCRF交互，或者基于本地配置来改变这些值。

如果默认承载不能满足业务的QoS需求，则会创建一个专有承载。专有承载可以是网络侧发起创建的，也可以是终端触发建立。若在承载建立或修改过程中，与QoS承载相关联的保证比特率（GBR）对应的专有网络资源被恒定地分配，这个QoS承载就属于GBR承载；否则，这个承载就属于Non－GBR承载。专有承载可以是GBR承载或者Non－GBR承载，而默认承载只能是Non－GBR承载。

APN－AMBR 在 UE 和 P－GW上控制，一个PDN连接是针对1个特定的APN，一个PDN连接一定是汇聚在一个UE和同一个P－GW 上。

UE－AMBR由eNodeB负责控制，一个UE在同一时刻的全部承载都在一个eNodeB上。

QCI是LTE网络QoS控制的主线，在LTE网元间传递。所有承 载 网 络 IP／MPLS／VLAN 等QoS的控制，在边界设备上完成映射。

2．2．2 QoS承载建立过程

UE上有众多的应用程序，和外部网络传输的数据包可能是不同业务等级的数据流。在上行和下行转发时，UE和P－GW必须有能力将不同QoS要求的数据流分流到不同的承载上去。

业务流模板 （TFT）是业务和承载之间关联的纽带，是在承载建立时创建的。UE有上行TFT（UL－TFT）做上行UE到网络侧方向业务流向承载的映射，P－GW有下行TFT （DL－TFT）做业务流向承载的映射。

以上行QoS承载为例，说明其建立过程与实现原理，如图1所示。首先，UE通过UL－TFT将一个上行SDF（服务数据流）绑定成QoS承载，若在UL－TFT中包含多个上行分组数据包过滤器，则多个SDF将可以复用相同的QoS承载。随后依顺序，UE通过创建SDF与无线承载之间的绑定，实现UL－TFT与无线承载之间的映射；eNodeB通过创建无线承载与S1承载之间的绑定，实现无线承载与S1承载之间的映射；S－GW （服务网关）通过创建S1承载与S5／S8承载之间的绑定，实现S1承载与S5／S8承载之间的映射；最终，QoS承载数据通过无线承载、S1承载及S5／S8承载的级联，实现了UE对外部PDN网络之间PDN连接业务的支持。

在TCP／IP网络中，识别一个业务流 （会话）是五元组，包括协议类型、源地址和源端口、目的地址和目的端口5个要素。

UE和P－GW也是通过类似的数据流匹配要素的手段来识别业务，再将业务分流到不同的TFT。UE和P－GW上会创建包过滤器，这些包过滤器再与不同的TFT关联，来实现业务和TFT的关联，进而将业务和承载相关联。

图1 基于GTP协议上行QoS承载

在创建专有承载、TFT时，发起方会同时携带包过滤器的信息。UE和P－GW就会创建该包过滤器，并与此TFT关联，TFT再与承载管理，完成业务到承载的映射。LTE网络中也定义了新增、删除、修改包过滤器的流程。一个TFT可以关联多个包过滤器。这样，P－GW和UE就知道哪些业务流关联到哪个TFT。通过包过滤器到TFTBearer ID的映射，UE和P－GW就有能力将不同的业务映射到不同的承载上，对业务进行不同的QoS控制。

2．2．3 基于SPI的网络QoS控制策略

SPI（浅层数据报文检测）是对物理层的底层数据报头IP五元组进行检测，根据该数据流的基本信息进行业务流识别。基于SPI的QoS控制方法一般可以针对以下2种类型进行控制。

1．基于用户类别的策略控制。根据用户的IMSI号段分成不同的类别，实施不同的业务控制策略。

2．基于应用业务类型的策略控制。根据应用的业务类型，分别实施不同的控制策略。例如FTP等业务的策略控制功能。

2．2．4 基于DSCP传输网路的QoS保障

朔黄铁路LTE网路QoS应用最关心的是传输网络 （应用层）端到端数据的QoS保障。通过IP传输层的DSCP（差分服务代码点）来保障端到端的业务承载向下映射，端到端的QCI参数映射到底层各段的QoS参数，主要是无线接入侧和中间转发的业务优先级。

业务报文在发送给数据通信承载网络前，给报文的IP DSCP、VLAN Pri（基群速率接口）或MPLS EXP（多协议标签交换）优先级进行标记，这样，数据通信承载网络每个层次上的设备，都能在自己处理的协议层次上，找到数据包的质量等级依据，执行有差别的流量监管、拥塞管理、拥塞避免、流量整形等带宽控制，对高优先级的报文使用更有保障的队列、拥塞避免机制等高优先级QoS措施。

3 朔黄铁路QoS保障策略

朔黄铁路LTE网络提供端到端的QoS保障机制，是通过设置各个业务的QCI来进行区分。QCI包括默认承载QCI和专有承载QCI 2种。各个业务对应的QCI设置如表1所示。

除了视频业务外，其他业务设置为GBR业务，保障最小带宽需求。无线重联操控业务、可控列尾业务和紧急呼叫业务的优先级最高，在网络资源紧张时，可以抢占其他业务的资源，但不能被其他业务抢占。

LTE的传输网络采用IP传输，在传输拥塞时，根据DSCP配置值丢弃低优先级的数据包，保证高优先级数据包的速率和时延。表2为朔黄铁路的QCI和DSCP的映射方案。

表1 APN和开户速率的备选方案

表2 QCI和DSCP的映射方案

朔黄铁路采用LTE宽带网络承载多种铁路业务。在LTE的端到端QoS保障机制的基础上，针对不同业务设置对应的参数，对不同业务提供差异化的服务。有了这种保障机制，LTE作为承载网络，发挥宽带的优势进行综合承载，保证安全数据以最高优先级运行。

［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长期演进（LTE）系统架构与技术规范［S］．北京：人民邮电出版社，2010．

［3］ 张颖莹．支持多业务QOS的多小区资源分配算法［J］．无线电通信技术，2008（6）．