CN110086686A - 轨道交通lte-m通信系统列车控制数据业务的单向传输时延测量方法 - Google Patents

轨道交通lte-m通信系统列车控制数据业务的单向传输时延测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种轨道交通LTE‑M通信系统列车控制业务的单向传输时延测量方法，属于轨道交通通信领域。现有技术需要在测试时将两台设备直连校对。然而在真实的测试场景下无法将两台设备进行直连校时，无法消除设备时钟异步产生的时间差，以及时钟晶振不同产生的速差。本发明针对现有方法的局限性，提供一种能够在实地测试轨道交通LTE‑M通信系统上下行链路传输性能的方法，该方法主要分为四个过程，分别是时间差统计过程，业务流时延测试过程，时间差再统计过程，速差修正及结果统计。本发明将为CBTC系统网络可靠性测试提供先进的手段，有利于提高列车的行车安全。

Description

轨道交通LTE-M通信系统列车控制数据业务的单向传输时延 测量方法
技术领域
本发明涉及一种轨道交通LTE-M通信系统列车控制数据业务的单向传输时延测量方法，属于轨道交通通信领域。
背景技术
轨道交通采用LTE-M(Long Term Evolution for Metro,基于城市轨道交通的长期演进)通信系统承载CBTC(Communication Based Train Control,基于通信的列车控制)、列车运行状态监测数据业务，同时承载无线列车调度、CCTV(Closed-CircuitTelevision,闭路电视监控系统)、PIS(Passenger Information System,乘客信息系统)、紧急文本等其他业务。为了保障列车运行安全，2016年工信部发布的LTE-M规范对系统的单向传输时延作出了要求。目前对时延的测量主要用Ixchariot测试工具，该工具只能对环回时延进行测量，无法分别评估LTE-M上行、下行链路的传输性能。要测量通信链路的单向传输时延，两端的时间同步是关键，目前采用的时间同步方法是将两台计算机直接连接，利用NTP协议实时获取两端的时间差，并在统计传输时延时进行消除。然而在进行实地测试时，由于地理原因，无法将两台计算机直连校时，无法得到两台计算机的时间差，同时也无法消除长时间运行过程中两台计算机由于时钟晶振不同产生的速度差。本发明提供一种能够在收发两端时钟异步情况下准确测量LTE-M单向传输时延的方法。
发明内容
本发明的目的在于针对已有测试单向时延技术存在的不足，提供一种能够在实地测试轨道交通LTE-M通信系统上下行链路传输性能的方法，该方法从传输时延以及丢包率两个方面来衡量设备厂商LTE-M系统的可靠性，确保LTE-M系统上下行传输性能达到LTE-M标准中的相关要求。在列车业务流时延测试过程中，上行链路的包时延和丢包数在轨旁电脑上获得，下行链路的包时延和丢包数在车载电脑上获得，测试结束后，再将车载端的数据回传到轨旁端进行分析。将测试数据与LTE-M标准中的相关要求比对，用以判断该LTE-M通信系统的上下行链路性能是否达标。
为了说明本发明，需有以下假设：
1)轨道交通中采用LTE-M无线通信技术实现多业务的承载。
2)LTE-M承载的业务包括CBTC以及PIS、IMS等其他业务。
3)CBTC数据业务采用UDP(User Datagram Protocol,用户数据报协议)方式传输。
4)LTE-M系统在列车上安装的车载终端有多种业务接口。
5)LTE-M系统在线路控制中心安装的核心网设备有多种业务接口。
为达到上述目的，本发明构思是：由于两端PC设备时钟无法精确同步至毫秒级别，因此两端本地时间存在一定时间差。且任意两台PC设备时钟内部晶振频率不完全相同，因此两端本地时间差将在测试过程中逐渐产生进一步偏移，即存在一定速差。基于上述问题，本发明提出一套校正时间差的解决方案：在CBTC业务数据流测试过程的前后，各进行一次时间差统计流程，每次流程利用NTP协议获取多组两台设备的固有时间差数据，且每组数据之间无时间间隔以保证每次时间同步流程历时足够短而无明显时间差偏移。再将由通信系统的状态波动引起固有时差的奇异值去除，分别得到测试开始前与结束后两台PC的固有时间差，将两点用线性函数进行拟合，得到固有时间差与时间戳的一次函数，再利用该函数对测试结果进行速差的修正，最终得到LTE-M系统上下行链路的单向传输时延。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
1、一种轨道交通LTE-M通信系统列车控制数据业务的单向传输时延测量方法，主要分为时间差统计过程，业务流时延测试过程，时间差再统计过程，速差修正及结果统计四个过程，其特征在于操作步骤如下：
一、时间差统计过程：
1)车载设备向轨旁设备发送包含当前时间戳的数据包。
2)轨旁设备接收数据包，并向车载设备回复包含收发时间戳的数据包。
3)车载设备接收数据包，记录接收到的时间戳，利用NTP时间同步算法，得到本次流程中两台设备之间的时间差。
4)重复以上步骤多次，记录多组时间差。去除奇异值，得到去除奇异值之后的时间差均值。
二、业务流时延测试过程：
5)车载设备和轨旁设备之间相互通信收发数据包，进行CBTC业务数据流测试，记录业务开始和结束的时间戳。
三、时间差再统计过程：
6)再次进行步骤(1)(2)(3)(4)所述的时间差统计过程，得到去除奇异值之后的时间差均值。
四、速差修正及结果统计过程：
7)抓取业务数据流模拟过程中每个数据包，提取出数据包编号和时间戳信息。
8)根据两次时间差统计流程得到的两个时间差对每一次收发数据包的传输时延进行速差修正，分别得到LTE-M系统上行与下行链路的单向传输时延。
9)根据数据包的编号以及收包个数对丢包率进行计算，分别得到LTE-M系统上下行链路的丢包率。
与现有技术相比较，本发明具有如下显而易见的突出性特点和显著技术进步:在LTE-M系统中上下行链路的复用方式、调制方式、传输模式、容量均有所不同，因此分别衡量LTE-M系统上下行链路的传输性能非常有必要。现有的通过Ixchariot测试工具仅能测得环回链路的性能，无法分别测试LTE-M上下行链路的性能，这给LTE-M的基站配置带来一定的困扰。而现有时间同步的方法又受地理条件的约束，无法获得设备之间的时间差，不能准确消除运行过程中产生的速差，因此发明一种能够在收发两端时钟异步情况下分别测量LTE-M上下行链路传输性能的方法是非常必要的。
附图说明
图1是本发明的流程示意图
图2是本发明的总过程流程图
图3是本发明的速差修正及结果统计过程流程图
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：参见图1,图2
一种轨道交通LTE-M通信系统列车控制数据业务的单向传输时延测量方法，主要分为时间差统计过程，业务流时延测试过程，时间差再统计过程，速差修正及结果统计四个过程，其特征在于操作步骤如下：
一、时间差统计过程：
1)时间差统计过程，车载设备向轨旁设备发送包含当前时间戳的数据包。
2)轨旁设备接收数据包，并向车载设备回复包含收发时间戳的数据包。
3)车载设备接收数据包，记录接收到的时间戳，利用NTP时间同步算法，得到本次流程中两台设备之间的时间差。
4)重复以上步骤多次，记录多组时间差。去除奇异值，得到去除奇异值之后的时间差均值。
二、业务流时延测试过程：
5)业务流时延测试过程，车载设备和轨旁设备之间相互通信收发数据包，进行CBTC业务数据流测试，记录业务开始和结束的时间戳。
三、时间差再统计过程：
6)时间差再统计过程，再次进行步骤(1)(2)(3)(4)所述的时间差统计过程，得到去除奇异值之后的时间差均值。
四、速差修正及结果统计过程：
7)速差修正及结果统计过程，抓取业务数据流模拟过程中每个数据包，提取出数据包编号和时间戳信息。
8)根据两次时间差统计流程得到的两个时间差对每一次收发数据包的传输时延进行速差修正，分别得到LTE-M系统上行与下行链路的单向传输时延。
9)根据数据包的编号以及收包个数对丢包率进行计算，分别得到LTE-M系统上下行链路的丢包率。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述时间差统计过程中的步骤1)、2)、3)中，车载设备向轨旁设备发送包含当前时间戳的数据包，轨旁设备接收到车载设备发来的数据包，并向车载设备回复包含轨旁设备收到和发送数据包时的时间戳的数据包；车载设备接收到数据包，记录接收到的时间戳，根据四次时间戳记录，计算出本次流程的时间差。
所述时间差统计过程中的步骤4)中，重复多次时间差统计，记录多组时间差；对多组时间差取均值，然后找出其中与均值相差最大的一个值将其去掉，并对剩余数据再取均值，重复上述过程直至所有数据与均值的差不超过设定的阈值；记录计算出的时间差均值，得到车载设备与轨旁设备之间的时间差。
所述速差修正及结果统计过程中的步骤7)中，车载设备与轨旁设备同时抓取业务数据流模拟过程中每个数据包，提取出数据包编号和时间戳信息；根据时间差同步过程中，先后两次时间差同步获得的时间差，得到关于时间的速差函数；根据业务数据流模拟过程得到业务开始的时间戳，业务结束的时间戳。
所述速差修正及结果统计过程中的步骤8)中，车载设备分析每次下行链路的数据包，提取轨旁设备发送数据包的时间戳，以及车载设备接收数据包的时间戳；用接收到的时间减去数据包发出的时间计算出此次下行链路未修正的时延，再用时间速差修正得到实际传输时延；轨旁设备分析每次上行链路的数据包，提取轨旁设备接收数据包的时间戳，以及车载设备发送数据包的时间戳；同理计算出此次上行链路速差修正后的时延。
所述速差修正及结果统计过程中的步骤9)中，车载设备与轨旁设备提取数据包中的编号，若标号出现不连续的情况则发生丢包，记录丢包次数；总丢包次数除以最大数据包标号，得到上下行链路的丢包率；计算出每次收发包上下行链路矫正时延，绘图并编写本次测试单向传输时延报告。
实施例三：参见图1
一种轨道交通LTE-M通信系统列车控制数据业务的单向传输时延测量方法，在时间差统计过程，车载设备与轨旁设备利用NTP协议开始时间差流程计算，进行多次流程，去除奇异值，得到车载设备与轨旁设备之间的时间差，其特征在于操作步骤如下：
1)车载设备向轨旁设备发送包含当前时间戳Tc0的数据包。
2)轨旁设备接收车载发送的数据包，记录接收到数据包的时间Ts0，向车载设备回复应答数据包并记下发送此应答数据包的轨旁时间戳Ts1。
3)车载设备接收到应答数据包后，读取车载端本地时间并记下接收时间戳Tc1。
4)根据公式(1)可以得到该流程得到的时间差d。
5)重复以上步骤多次，记录多组时间差。
6)对多组时间差取均值，然后找出其中与均值相差最大的一个值将其去掉，并对剩余数据再取均值，重复上述过程直至所有数据与均值的差不超过设定的阈值。
7)记录计算出的时间差均值，得到车载设备与轨旁设备之间的时间差。
实施例四：参见图1,图3
一种轨道交通LTE-M通信系统列车控制数据业务的单向传输时延测量方法，在时速差修正及结果统计过程，车载设备与轨旁设备分别处理上下行链路时延数据，根据两次时间差同步得到的两次时间差d1，d2，修正传输过程中产生的速差，统计时延结果，计算丢包率，其特征在于操作步骤如下：
1)车载设备与轨旁设备同时抓取业务数据流模拟过程中每个数据包，提取出数据包编号和时间戳信息。
2)根据时间差同步过程中，两次时间差同步得到的两次时间差d1，d2。
3)根据业务数据流模拟过程得到业务开始的时间戳t1，业务结束的时间戳t2。
4)车载设备分析每次下行链路的数据包，提取轨旁设备发送数据包的时间戳tss，以及车载设备接收数据包的时间戳tcr。根据公式(2)计算出此次下行链路速差修正后的时延dc。
5)轨旁设备分析每次上行链路的数据包，提取轨旁设备接收数据包的时间戳tsr，以及车载设备发送数据包的时间戳tcs。根据公式(3)计算出此次上行链路速差修正后的时延ds。
6)车载设备与轨旁设备提取数据包中的编号，若标号出现不连续的情况则发生丢包，记录丢包次数。总丢包次数除以最大数据包标号，得到上下行链路的丢包率。
7)计算出每次收发包上下行链路矫正时延，绘图并编写本次测试单向传输时延报告。

Claims (6)

1.一种轨道交通LTE-M通信系统列车控制数据业务的单向传输时延测量方法，其特征在于操作步骤如下：
一、时间差统计过程：
1)车载设备向轨旁设备发送包含当前时间戳的数据包；
2)轨旁设备接收数据包，并向车载设备回复包含收发时间戳的数据包；
3)车载设备接收数据包，记录接收到的时间戳，利用NTP时间同步算法，得到本次流程中两台设备之间的时间差；
4)重复以上步骤多次，记录多组时间差，去除奇异值，得到去除奇异值之后的时间差均值；
二、业务流时延测试过程：
5)车载设备和轨旁设备之间相互通信收发数据包，进行CBTC业务数据流测试，记录业务开始和结束的时间戳；
三、时间差再统计过程：
6)再次进行所述的时间差统计过程的步骤1）、2）、3）、4），得到去除奇异值之后的时间差均值；
四、速差修正及结果统计过程：
7）抓取业务数据流模拟过程中每个数据包，提取出数据包编号和时间戳信息；
8）根据两次时间差统计流程得到的两个时间差对每一次收发数据包的传输时延进行速差修正，分别得到LTE-M系统上行与下行链路的单向传输时延；
9）根据数据包的编号以及收包个数对丢包率进行计算，分别得到LTE-M系统上下行链路的丢包率。
2.根据权利要求1所述的轨道交通LTE-M通信系统列车控制数据业务的单向传输时延测量方法，其特征在于所述时间差统计过程中的步骤1）、2）、3）中，车载设备向轨旁设备发送包含当前时间戳的数据包，轨旁设备接收到车载设备发来的数据包，并向车载设备回复包含轨旁设备收到和发送数据包时的时间戳的数据包；车载设备接收到数据包，记录接收到的时间戳，根据四次时间戳记录，计算出本次流程的时间差。
3.根据权利要求1所述的轨道交通LTE-M通信系统列车控制数据业务的单向传输时延测量方法，其特征在于所述时间差统计过程中的步骤4）中，重复多次时间差统计，记录多组时间差；对多组时间差取均值，然后找出其中与均值相差最大的一个值将其去掉，并对剩余数据再取均值，重复上述过程直至所有数据与均值的差不超过设定的阈值；记录计算出的时间差均值，得到车载设备与轨旁设备之间的时间差。
4.根据权利要求1所述的轨道交通LTE-M通信系统列车控制数据业务的单向传输时延测量方法，其特征在于所述速差修正及结果统计过程中的步骤7）中，车载设备与轨旁设备同时抓取业务数据流模拟过程中每个数据包，提取出数据包编号和时间戳信息；根据时间差同步过程中，先后两次时间差同步获得的时间差，得到关于时间的速差函数；根据业务数据流模拟过程得到业务开始的时间戳，业务结束的时间戳。
5.根据权利要求1所述的轨道交通LTE-M通信系统列车控制数据业务的单向传输时延测量方法，其特征在于所述速差修正及结果统计过程中的步骤8）中，车载设备分析每次下行链路的数据包，提取轨旁设备发送数据包的时间戳，以及车载设备接收数据包的时间戳；用接收到的时间减去数据包发出的时间计算出此次下行链路未修正的时延，再用时间速差修正得到实际传输时延；轨旁设备分析每次上行链路的数据包，提取轨旁设备接收数据包的时间戳，以及车载设备发送数据包的时间戳；同理计算出此次上行链路速差修正后的时延。
6.根据权利要求1所述的轨道交通LTE-M通信系统列车控制数据业务的单向传输时延测量方法，其特征在于所述速差修正及结果统计过程中的步骤9）中，车载设备与轨旁设备提取数据包中的编号，若标号出现不连续的情况则发生丢包，记录丢包次数；总丢包次数除以最大数据包标号，得到上下行链路的丢包率；计算出每次收发包上下行链路矫正时延，绘图并编写本次测试单向传输时延报告。
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