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摘 要：LTE-M作为新一代城市轨道交通通信系统，首先保障CBTC业务安全可靠传输，并具有综合承载PIS，CCTV等业务的能力，已经在我国城市轨道交通通信中广泛应用。文章介绍了对于LTE-M服务质量的测试方法，并针对测试终端有可能的影响，提出通过采集分析网络端接口数据的方法，利用实际网络本身真实业务进行测试，作为传统测试方法的一种补充和配合，以求尽可能真实全面地测试LTE-M网络服务质量。
关键词：LTE-M;测试终端;网络接口;服务质量
0 引言
近年来，我国城市轨道交通建设增长迅猛，新建线路均采用基于通信的列车运行控制（Communications Based Train control，CBTC）系统。车地通信系统负责传输列车控制信息和列车状态信息是CBTC系统的关键环节，同时也是城市轨道交通安全运营的关键。城市轨道交通的基于第四代移动通信技术的城市轨道交通综合业务承载的TD-LTE系统（Long Term Evolution for Metro，LTE-M），首先要保障CBTC业务安全可靠传输，并具有综合承载PIS，CCTV等业务的能力。综上，LTE-M承载城市轨道交通的各种业务，已经逐渐在我国城市轨道交通领域开始展开应用，一种合理且更有效的测量方法能为LTE-M的建设和运维提供有效的技术保障。
1 LTE-M系统架构
LTE-M系统在城市轨道交通车地无线通信综合承载过程中，要满足信息传输实时性、系统稳定性、并保障对应的服务质量（Qos），系统构架如图1所示，主要包括：（1）数据终端：固定台、车载台、手持台等。（2）eNB包含基带处理单元（Base Band Unit，BBU）和射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）。 （3）LTE核心网包含：控制面的移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME）、用户面的分组数据网关（PDN gateway，PGW）、服务网关（Serving Gateway，SGW）、归属签约服务器（Home Subscriber Server，HSS）。（4）业务系统：CBTC，PIS，CCTV 等系统。（5）运营与支撑子系统：网络管理系统、监测系统、检测系统等。
2 LTE-M服务测量内容
在LTE-M系统中，对于网络服务质量的测试，主要分为：场强覆盖、传输性能相关和承载业务几类。根据承载的不同业务的重要性，有不同网络服务质量要求，优先级划分如表1所示。
这些具体的KPI指标按不同的类别可分为：（1）无线类指标。无线场强覆盖由RSRP和RSRQ来衡量，其中：RSRP用来标识系统无线网络覆盖情况，可以用来衡量小区覆盖范围，指承载小区参考信号RE上的线性平均功率。RSRQ用来确定实际系统覆盖状况，是小区参考信号功率相对小区所有信号功率（RSSI）的比值。
（2）呼叫类指标。其中：RRC连接建立成功率，用来反映小区的UE接纳能力，RRC连接异常掉话反映对应小区内RRC连接保持性能。E-RAB建立成功率主要通过E-RAB建立成功个数与建立请求个数之间的比进行表示，E-RAB建立阻塞率标识系统容量导致的E-RAB建立失败，E-RAB掉话率及无线接通率等。
（3）移动性管理类指标。eNodeB内切换成功率、X2接口切换成功率、S1接口切换成功率等。
（4）时延类指标。Attach时延、切换时延、用户面时延等。
（5）系统资源类指标。流量指标：接口流量指标、协议层流量指标;无线资源利用率：PUSCH PRB利用率、PDSCH PRB利用率、PRACH资源利用率;系统资源利用率：寻呼拥塞率、重传率、丢包率等。
3 测试方法
应用LTE-M通信测试工具测量LTE-M网络，参照轨道列车行进速度，获得关键服务质量数据，进行网络客观评估。
3.1 场强覆盖测试
无线场强覆盖可由RSRP和RSRQ来衡量。测试使用场强接收仪测试列车移动过程中接收功率的变化，以此获得LTE-M网络无线场强覆盖的具体情况，得到场强质量的关键数据[1]，如图2所示。
通过路测方法测量出某区域若干RSRP和RSRQ相关数据后，通过以下覆盖率KPI计算公式可计算出区域实际覆盖率，覆盖率定义为F=1的测试位置在测试区域所取测试点中的百分率。
F=RSRP≥R
RSRQ≥S
（当RSRP≥R和RSRQ≥S都满足，则F=1;否则F=0。R和S为设定阈值。）
RSRP标识下行导频信号接收功率;SINR标识接收导频信号的信号质量，即“信噪比”;计算中需先排除RSRP或者RSRQ的值远超过正常范围的异常测试点。如果某一测试区域接收信号功率超出某一门限，同时信号质量超出某一门限则表示该区域被覆盖。
3.2 传输性能测试
传输性能测试包括传输时延、丢包率和吞吐率等，时延包括了系统中各个环节的时延，比如各节点处理时延，传输时延等;切换时延还包括控制面时延和用户面时延;丢包率包括在动态环境下不同列车速度下的数据丢包率;吞吐率包括在不同业务类型不同列车速度环境下的对应的上行吞吐率/下行吞吐率[2]，如图3所示。
3.3 其他
网络服务质量指标还包括连接建立时延、连接建立失败率等一些静态指标。尤其应该关注的是越区切换成功率和切换时延的测试，切换性能是列车行进过程中服务质量的重要指标，切换性能测试可与吞吐率测试同时进行。
4 网络接口测试方法
对于LTE-M网络服务质量的测试，以上的方法可能会因为测试终端本身的原因不能全面準确的反映出网络质量。因此，文章提出一种利用系统网络侧接口映射，对网络数据进行分析统计的方法，在不对LTE-M系统产生影响的情况下进行网络服务质量进行测试，以达到网络服务质量的准确、全面的反映。具体测试如图4所示。 通过网络接口测试设备监测LTE-M网络状态，LTE-M系统不管是从连接建立开始还是连接断开，中间的所有的业务过程和业务数据的传输，在网络侧的S1接口上都有反映，可以通过对S1接口数据的分析统计来评估网络业务质量。S1接口的协议栈如图5所示。
对于上面提出的各项服务质量测试内容，笔者可以针对S1接口控制面（S1-C）和S1接口用户面（S1-U）进行针对性的分析统计，对于不同条件下LTE-M上承载的不同业务在真实应用的环境中进行。这种方法：一是采用列车上已有系统进行真实业务测试，可以不利用模拟业务方式进行;二是不用频繁进行测试环境变化，随时可以进行;三是对原系统基本没有影响，尽量保证了系统服务质量的准确反映。
通过在S1-C接口通信信令进行可靠地监测并进行解析、关联，可以准确分析统计出连接建立成功率、连接建立时延、断开（失效）率、切换等过程相关指标[3]。其中：
（1）E-RAB建立成功率。E-RAB指用户平面的承载，E-RAB建立成功率用E-RAB指派建立尝试次数与E-RAB指派建立成功响应次数间的比值来表示，可以标识eNB或者小区接纳业务的能力和系统负荷情况（见图6）。KPI计算公式为：E-RAB建立成功率=（Attach过程中E-RAB建立成功次数+Service Request过程中E-RAB建立成功次数+承载建立过程中E-RAB建立成功次数）/（Attach过程中E-RAB请求建立次数+Service Request过程中E-RAB请求建立次数+承载建立中E-RAB请求建立次数）×100%。
（2）E-RAB建立阻塞率。E-RAB建立阻塞率反映系统容量导致的E-RAB建立失败，可以标识eNB或者小区的业务接纳控制能力和系统资源负荷情况。KPI计算公式为：E-RAB阻塞率=接纳拒绝的E-RAB次数/请求接纳的E-RAB次数×100%。
（3）E-RAB掉话率。由于某些异常的原因，eNB向CN发起E-RAB请求，请求释放一个或者多个无线接入承载（E-RAB）。当UE不激活、丢失、或其它的eNB异常原因，eNB即向CN发出UE释放请求，同样会导致释放UE已建立好的E-RAB。KPI计算公式为：E-RAB掉话率=异常原因eNB请求释放的E-RAB次数/E-RAB建立成功次数×100%。
（4）S1接口切换成功率。S1接口作为eNB同CN之间的接口，其切换成功率标识了eNB与其他eNB通过CN参与的UE切换成功情况，与系统切换处理性能和网络系统规划设计有关[7]（见图7）。KPI计算公式为：S1接口切入成功率=S1接口切换入成功次数（本小区）/S1接口切换入尝试次数×100%。
S1接口切出成功率=S1接口切换出成功次数/S1接口切换出尝试次数（本小区）×100%。
（5）S1接口切換时延。S1接口切换时延标识UE进行LTE S1切换过程中的用户面中断时间，是衡量用户感受网络服务质量的一个重要指标[5]。KPI计算公式为：上行时延=S1切换后目标基站收到的第一个上行数据包时间-S1切换前源基站收到的最后一个上行数据包时间。下行时延=S1切换后目标基站发送的第一个下行数据包时间-S1切换前源基站发送的最后一个下行数据包时间。
在S1-U接口可以在不同的层次上进行传输相关的指标进行分析统计，比如在传输层次或者在业务层次。LTE-M接口信令分析展示如图8所示。
5 结语
通过研究分析城市轨道交通装备技术规范，本文具体介绍LTE-M网络服务质量基本测试方法，并引进一种基于网络侧S1接口分析统计的测试方式。通过对无线场强覆盖、车地通信传输性能以及切换性能等关键参数的测试，可以客观评估动态列车运行状态下的网络性能指标，也为网络服务质量评估提供可信数据依据。
[参考文献]
[1]顾向峰.城市轨道交通车地通信TD-LTE综合业务承载测试分析[J].城市轨道交通研究，2016（7）：140-143.
[2]赵麟杰.铁路LTE系统服务质量测试与网络优化[J].铁路通信信号工程技术，2018（15）：40-45.
[3]郜周军，崔雁松.LTE无线网络优化关键性能指标的分析与研究[J].中国新通信，2015（21）：89-91.
[4]黄云玲.LTE在城市轨道交通CBTC信号系统车地无线通信的应用[J].铁路技术创新，2016（6）：91-94.
[5]朱东飞，洪婷.城市轨道交通车地通信综合承载系统（LTE-M）性能测试与分析[J].城市轨道交通研究，2017（5）：171-175.
（编辑 姚 鑫）
关键词：LTE-M;测试终端;网络接口;服务质量
0 引言
近年来，我国城市轨道交通建设增长迅猛，新建线路均采用基于通信的列车运行控制（Communications Based Train control，CBTC）系统。车地通信系统负责传输列车控制信息和列车状态信息是CBTC系统的关键环节，同时也是城市轨道交通安全运营的关键。城市轨道交通的基于第四代移动通信技术的城市轨道交通综合业务承载的TD-LTE系统（Long Term Evolution for Metro，LTE-M），首先要保障CBTC业务安全可靠传输，并具有综合承载PIS，CCTV等业务的能力。综上，LTE-M承载城市轨道交通的各种业务，已经逐渐在我国城市轨道交通领域开始展开应用，一种合理且更有效的测量方法能为LTE-M的建设和运维提供有效的技术保障。
1 LTE-M系统架构
LTE-M系统在城市轨道交通车地无线通信综合承载过程中，要满足信息传输实时性、系统稳定性、并保障对应的服务质量（Qos），系统构架如图1所示，主要包括：（1）数据终端：固定台、车载台、手持台等。（2）eNB包含基带处理单元（Base Band Unit，BBU）和射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）。 （3）LTE核心网包含：控制面的移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME）、用户面的分组数据网关（PDN gateway，PGW）、服务网关（Serving Gateway，SGW）、归属签约服务器（Home Subscriber Server，HSS）。（4）业务系统：CBTC，PIS，CCTV 等系统。（5）运营与支撑子系统：网络管理系统、监测系统、检测系统等。
2 LTE-M服务测量内容
在LTE-M系统中，对于网络服务质量的测试，主要分为：场强覆盖、传输性能相关和承载业务几类。根据承载的不同业务的重要性，有不同网络服务质量要求，优先级划分如表1所示。
这些具体的KPI指标按不同的类别可分为：（1）无线类指标。无线场强覆盖由RSRP和RSRQ来衡量，其中：RSRP用来标识系统无线网络覆盖情况，可以用来衡量小区覆盖范围，指承载小区参考信号RE上的线性平均功率。RSRQ用来确定实际系统覆盖状况，是小区参考信号功率相对小区所有信号功率（RSSI）的比值。
（2）呼叫类指标。其中：RRC连接建立成功率，用来反映小区的UE接纳能力，RRC连接异常掉话反映对应小区内RRC连接保持性能。E-RAB建立成功率主要通过E-RAB建立成功个数与建立请求个数之间的比进行表示，E-RAB建立阻塞率标识系统容量导致的E-RAB建立失败，E-RAB掉话率及无线接通率等。
（3）移动性管理类指标。eNodeB内切换成功率、X2接口切换成功率、S1接口切换成功率等。
（4）时延类指标。Attach时延、切换时延、用户面时延等。
（5）系统资源类指标。流量指标：接口流量指标、协议层流量指标;无线资源利用率：PUSCH PRB利用率、PDSCH PRB利用率、PRACH资源利用率;系统资源利用率：寻呼拥塞率、重传率、丢包率等。
3 测试方法
应用LTE-M通信测试工具测量LTE-M网络，参照轨道列车行进速度，获得关键服务质量数据，进行网络客观评估。
3.1 场强覆盖测试
无线场强覆盖可由RSRP和RSRQ来衡量。测试使用场强接收仪测试列车移动过程中接收功率的变化，以此获得LTE-M网络无线场强覆盖的具体情况，得到场强质量的关键数据[1]，如图2所示。
通过路测方法测量出某区域若干RSRP和RSRQ相关数据后，通过以下覆盖率KPI计算公式可计算出区域实际覆盖率，覆盖率定义为F=1的测试位置在测试区域所取测试点中的百分率。
F=RSRP≥R
RSRQ≥S
（当RSRP≥R和RSRQ≥S都满足，则F=1;否则F=0。R和S为设定阈值。）
RSRP标识下行导频信号接收功率;SINR标识接收导频信号的信号质量，即“信噪比”;计算中需先排除RSRP或者RSRQ的值远超过正常范围的异常测试点。如果某一测试区域接收信号功率超出某一门限，同时信号质量超出某一门限则表示该区域被覆盖。
3.2 传输性能测试
传输性能测试包括传输时延、丢包率和吞吐率等，时延包括了系统中各个环节的时延，比如各节点处理时延，传输时延等;切换时延还包括控制面时延和用户面时延;丢包率包括在动态环境下不同列车速度下的数据丢包率;吞吐率包括在不同业务类型不同列车速度环境下的对应的上行吞吐率/下行吞吐率[2]，如图3所示。
3.3 其他
网络服务质量指标还包括连接建立时延、连接建立失败率等一些静态指标。尤其应该关注的是越区切换成功率和切换时延的测试，切换性能是列车行进过程中服务质量的重要指标，切换性能测试可与吞吐率测试同时进行。
4 网络接口测试方法
对于LTE-M网络服务质量的测试，以上的方法可能会因为测试终端本身的原因不能全面準确的反映出网络质量。因此，文章提出一种利用系统网络侧接口映射，对网络数据进行分析统计的方法，在不对LTE-M系统产生影响的情况下进行网络服务质量进行测试，以达到网络服务质量的准确、全面的反映。具体测试如图4所示。 通过网络接口测试设备监测LTE-M网络状态，LTE-M系统不管是从连接建立开始还是连接断开，中间的所有的业务过程和业务数据的传输，在网络侧的S1接口上都有反映，可以通过对S1接口数据的分析统计来评估网络业务质量。S1接口的协议栈如图5所示。
对于上面提出的各项服务质量测试内容，笔者可以针对S1接口控制面（S1-C）和S1接口用户面（S1-U）进行针对性的分析统计，对于不同条件下LTE-M上承载的不同业务在真实应用的环境中进行。这种方法：一是采用列车上已有系统进行真实业务测试，可以不利用模拟业务方式进行;二是不用频繁进行测试环境变化，随时可以进行;三是对原系统基本没有影响，尽量保证了系统服务质量的准确反映。
通过在S1-C接口通信信令进行可靠地监测并进行解析、关联，可以准确分析统计出连接建立成功率、连接建立时延、断开（失效）率、切换等过程相关指标[3]。其中：
（1）E-RAB建立成功率。E-RAB指用户平面的承载，E-RAB建立成功率用E-RAB指派建立尝试次数与E-RAB指派建立成功响应次数间的比值来表示，可以标识eNB或者小区接纳业务的能力和系统负荷情况（见图6）。KPI计算公式为：E-RAB建立成功率=（Attach过程中E-RAB建立成功次数+Service Request过程中E-RAB建立成功次数+承载建立过程中E-RAB建立成功次数）/（Attach过程中E-RAB请求建立次数+Service Request过程中E-RAB请求建立次数+承载建立中E-RAB请求建立次数）×100%。
（2）E-RAB建立阻塞率。E-RAB建立阻塞率反映系统容量导致的E-RAB建立失败，可以标识eNB或者小区的业务接纳控制能力和系统资源负荷情况。KPI计算公式为：E-RAB阻塞率=接纳拒绝的E-RAB次数/请求接纳的E-RAB次数×100%。
（3）E-RAB掉话率。由于某些异常的原因，eNB向CN发起E-RAB请求，请求释放一个或者多个无线接入承载（E-RAB）。当UE不激活、丢失、或其它的eNB异常原因，eNB即向CN发出UE释放请求，同样会导致释放UE已建立好的E-RAB。KPI计算公式为：E-RAB掉话率=异常原因eNB请求释放的E-RAB次数/E-RAB建立成功次数×100%。
（4）S1接口切换成功率。S1接口作为eNB同CN之间的接口，其切换成功率标识了eNB与其他eNB通过CN参与的UE切换成功情况，与系统切换处理性能和网络系统规划设计有关[7]（见图7）。KPI计算公式为：S1接口切入成功率=S1接口切换入成功次数（本小区）/S1接口切换入尝试次数×100%。
S1接口切出成功率=S1接口切换出成功次数/S1接口切换出尝试次数（本小区）×100%。
（5）S1接口切換时延。S1接口切换时延标识UE进行LTE S1切换过程中的用户面中断时间，是衡量用户感受网络服务质量的一个重要指标[5]。KPI计算公式为：上行时延=S1切换后目标基站收到的第一个上行数据包时间-S1切换前源基站收到的最后一个上行数据包时间。下行时延=S1切换后目标基站发送的第一个下行数据包时间-S1切换前源基站发送的最后一个下行数据包时间。
在S1-U接口可以在不同的层次上进行传输相关的指标进行分析统计，比如在传输层次或者在业务层次。LTE-M接口信令分析展示如图8所示。
5 结语
通过研究分析城市轨道交通装备技术规范，本文具体介绍LTE-M网络服务质量基本测试方法，并引进一种基于网络侧S1接口分析统计的测试方式。通过对无线场强覆盖、车地通信传输性能以及切换性能等关键参数的测试，可以客观评估动态列车运行状态下的网络性能指标，也为网络服务质量评估提供可信数据依据。
[参考文献]
[1]顾向峰.城市轨道交通车地通信TD-LTE综合业务承载测试分析[J].城市轨道交通研究，2016（7）：140-143.
[2]赵麟杰.铁路LTE系统服务质量测试与网络优化[J].铁路通信信号工程技术，2018（15）：40-45.
[3]郜周军，崔雁松.LTE无线网络优化关键性能指标的分析与研究[J].中国新通信，2015（21）：89-91.
[4]黄云玲.LTE在城市轨道交通CBTC信号系统车地无线通信的应用[J].铁路技术创新，2016（6）：91-94.
[5]朱东飞，洪婷.城市轨道交通车地通信综合承载系统（LTE-M）性能测试与分析[J].城市轨道交通研究，2017（5）：171-175.
（编辑 姚 鑫）