电力无线专网多业务QoS保障机制研究

姜静

摘要：针对电力无线专网承载多种配用电业务的QoS要求，本文研究了电力无线专网多业务承载需求的基础上，结合电力业务需求与LTE的QoS机制，提出了一种电力无线专网多业务QoS保障机制，实现系统资源的合理分配，在提供业务可靠QoS保障的同时获得最大系统容量。

关键词：电力无线专网 LTE 多业务 QoS

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）12-0035-01

随着智能电网的发展，电力通信网络建设重点逐渐向终端通信接入网倾斜。能源互联网成为未来趋势，接入网业务呈现出大带宽、移动性、交互性、灵活接入等特点，要求接入网具备高实时、高可靠、高安全等特性。4G LTE系统灵活的带宽配置，扁平化的网络架构，相比传统光纤更适合分布较为分散的电力终端，尤其是满足移动业务终端的通信需求，相比无线公网用户少，业务专，易于监控，正适应接入网在“多手段、多功能、全业务、全覆盖”建设目标。因此，随着多种业务的大量接入，如何保障重要业务不受延迟或丢弃，网络资源合理分配，就需要研究一种基于电力无线专网的端到端的QoS（Quality of Service，服务质量）保障机制。

目前，4G LTE标准对业务的QoS的定义和级别划分都有明确的规定。但是这种划分和相应的保障机制没有结合电力业务的特点，没有考虑到每种业务的具体需求[1-2]。因此，本文在建立业务性能指标对应关系基础上，提出针对电力业务的QoS参数映射表，用多维度指标对业务的优先级，分配保留级别进行量化和规范，进而提出适用于电力终端接入网的业务QoS保障机制。

1 LTE QoS体系和保障策略

LTE系统（Long Term Evolution）由演进型分组核心网（EPC）、演进型基站（eNodeB）和用户设备（UE）三部分组成。其中，EPC负责核心网部分，eNodeB负责接入网部分，也称E-UTRAN（演进UMTS地面无线接入网），UE指用户终端设备，EPC和E-UTRAN合称为EPS[3]。与3G传统的无线通信系统相比，LTE接入网络更加扁平化，因此LTE系统的QoS体系更简单化，QoS协商仅在核心网侧实现，即核心网设备根据终端请求建立业务的QoS参数，结合核心网侧用户的签约数据以及QoS控制策略，给出最终的QoS参数，并开始建立对应的业务。对于核心网给出的QoS参数，eNB和终端要么接受，要么拒绝，无法像3G网络一样能再次进行协商[4]。

2 LTE QoS控制对象

LTE系统中，EPS中只有数据（PS域）业务，用户与网络间必须先建立EPS承载（Bearer） 之后，才能在承载之上使用各种数据业务。每种数据业务的业务流，称为一个业务数据流SDF，它可以用一个IP五元组来表示（源、目的IP地址、源、目的端口、协议等），这个五元组称为TFT（traffic flow template）过滤器。

QoS控制的基本对象是EPS承载，EPS承载与QoS保障一一对应，不同的QoS保障需要不同类型的EPS承载来提供。EPS承载具体可分为默认承载和专用承载或GBR承载和Non-GBR承载等[5]。

（1）默认承载：默认承载可以简单理解为一种提供尽力而为IP连接的承载，给用户设备提供永远在线的IP连接。默认承载是不保证比特率的承载。（2）专用承载：建立在默认承载的基础上，对某些特定业务（特定的QoS传输需求）所使用的EPS承载。通常情况QoS要求高于默认承载。（3）GBR承载：与保证比特速率（GBR）承载相关的专用网络资源，所谓GBR，是指系统保证承载的最小比特速率，被网络“永久”分配。GBR承载一般只是在需要时才建立。（4）Non-GBR承载：与GBR承载相反，网络资源不能永久分配给某个承载。Non-GBR不需要占用固定的网络资源，可长时间地建立。

3 LTE QoS关键参数

LTE系统提供丰富的多媒体业务如数据、语音、图像、视频等，用户的体验要求不经相同，如信息要准确、速度要快、语音要清晰、画面要流畅，电力无线专网需要将这些体验映射为各个节点能识别处理的技术参数即QoS参数，再根据QoS控制数据包的转发处理，以保证用户的业务体验。QoS的关键参数有： QCI、ARP、GBR、MBR和AMBR等。其中，QCI与AMBR两个参数是LTE系统新增的。

（1）QoS分类标识（QCI）：是一个标度值，代表了EPS应该为这个SDF提供的QoS特性，每个SDF仅与一个QCI相关联。QCI 定义为1～4，对应GBR業务，需持续相等带宽传送的业务，如视频或音频类业务；QCI 定义为5～9，对应Non-GBR业务，如网页浏览、ftp下载等。所有QCI属性均可以根据实际需求预配置到接入网节点（比如eNodeB）上，这些参数决定了无线侧承载资源的分配[1]。

（2）分配和保留优先级（ARP）：表示创建承载时的优先等级，取值1～15，数值越小越优先。一个承载的ARP仅在承载建立成功之前对承载的建立产生影响。承载建立之后再需要对承载的特性进行改变时，应该由QCI、GBR、MBR和AMBR等参数决定[1]。建议Non-GBR的ARP建议高于GBR的优先。

（3）保证比特速率（GBR）&最大比特速率（MBR）： GBR是保障速率，可以理解为业务承载需要满足的最小带宽；MBR为最大速率，可以理解为业务承载能满足的最大速率。MBR参数一般大于或等于GBR参数取值[1]。

（4）聚合最大比特速率（AMBR）：为尽可能提高带宽利用率而引入，针对Non-GBR 承载中的每一个承载都能够潜在地利用整个AMBR。AMBR 参数限制了共享这一AMBR 的所有承载能所能提供的总速率[1]。

4 多业务LTE QoS设计

配用电业务类型多样，各类业务对时延、带宽等网络条件的需求不同，要求LTE专网针对不同业务需求提供不同服务以保证网络服务质量。因此，本文针对多业务承载需求提出了一种基于LTE无线专网的多级业务质量保障机制，保证网络高效运行。

5 QoS保障机制

电力无线专网承载的配用电业务根据其功能需求可分为：控制类业务、视频监控、信息监测类和市场营销类这几大类业务。其中视频监控业务有带宽保障的要求，业务需要承载在GBR承载上，其他业务则使用Non-GBR承载，并通过不同的QCI和ARP对业务的QoS能力进行区分。

为保证网络服务质量，同一时刻多个业务请求接入，网络节点业务负荷高时，优先确保优先级高的业务得到服务，最大程度地缓解带宽压力。下面给出电力业务QoS保障机制。

控制类业务：对通信安全性、时延、路由要求严格，通信的失效对电网影响严重。建议采用QCI=5的GBR承载，丢包率在10-6以内，有足够的可靠性。如配电自动化三遥、分布式电源业务。

视频类业务：对通信带宽要求高。建议使用QCI=4的GBR承载，丢包率在10-6以内。GBR带宽可根据视频源码率和带宽配置。如配变视频监控业务

信息监测类和市场营销类：对安全性要求较高、对时延、路由要求较宽松。建议采用QCI=9的Non-GBR承载，丢包率在10-6以内。如用电信息采集、智能家居管理业务。

6 QoS实现过程

核心网侧，根据终端的业务建立请求，确定QoS关键参数，需要根据QCI来控制业务的时延，丢包以及对应的优先级；根据GBR，MBR来控制业务速率；根据AMBR来控制非GBR的业务总速率。

接入网侧，对于核心网发起的业务建立中的QoS参数，被动选择接受或者拒绝。终端侧，在上层应用发起业务时，将对应的QoS参数在业务建立请求消息中带给核心网。在业务建立时，根据核心网给出的QoS参数来建立对应的业务，并根据QOS参数中的AMBR来控制非GBR进行总带宽限制。

7 结语

本文将LTE的QoS机制与电力业务需求相结合，提供完整的QoS保障，支持9级QCI差分服务，制定符合电力需求的优先级策略，在满足各类业务接入的同时，确保配电自动化遥控业务等重要数据信息的优先传输。本文通过探讨电力无线专网多业务QoS保障机制，希望能为LTE电力无线专网的服务质量控制提供一点参考，为LTE电力无线专网的推广应用奠定坚实基础。

参考文献

[1]宁祥峰，3GPPLTE系统QoS技术的研究及改进[D].济南：山东大学，2011.

[2]池煒成，端到端的LTE_QoS控制技术与策略研究[J].移动通信，2014（5）：52-58.

[3]谢显中，李祥明等.基于TDD的第四代移动通信技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

[4]查敦林，郭晓东，孙知信.LTE/SAE的QoS研究[J].计算机技术与发展，2010，11：250-253.

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