移動邊緣計算技術在高鐵通信網絡中的應用①

2018-08-17 12:06:20郜城城范鵬飛任勇毛

計算機系統應用 2018年8期

郜城城,周旭,范鵬飛,任勇毛

1(中國科學院計算機網絡信息中心,北京 100190)

2(中國科學院大學,北京 100049)

隨著鐵路信息化的高速發展,鐵路網絡對移動通信提出了越來越高的要求.自鐵路網絡誕生之初,鐵路網絡通信主要基于GSM-R[1]系統,但由于GSM-R作為一種窄帶通信系統,僅能用于鐵路的日常運營管理,難以實現當前鐵路諸多業務的承載,隨后研發了LTER[2]系統.在LTE-R系統中,雖然在列車管理運營,旅客上網沖浪等方面有了更好的支持.但是,在高鐵網絡場景下,由于列車自身移動速度快,無線傳輸的空口資源有限,仍存在以下問題:

(1)車地之間無線資源有限,利用效率低.由于車地之間空口資源是有限的,車地之間所有數據都需通過空口鏈路傳輸.鏈路中的重復流量,未經壓縮的流量,都會降低車地之間空口資源利用效率.

(2)車地之間傳輸穩定性差,吞吐量低.由于車地之間是無線傳輸,而且是在移動場景下的無線傳輸,相比有線傳輸而言,穩定性會差,丟包率高,進而降低網絡吞吐量.

(3)列車和列車之間傳輸時延高.在LTE-R系統中,列車和列車之間的通信必須經過核心網完成.由于高鐵列車行進速度快,這種場景下帶來的高時延對行車安全有很大隱患.

由于LTE-R系統中存在上述問題無法解決.本文利用5G技術中移動邊緣計算[3–5](Mobile Edge Computing,MEC)的概念,將MEC的理念應用到LTE-R系統中,提出基于移動邊緣計算的解決方案.移動邊緣計算由ETSI國際標準組織提出并制定,是基于5G架構將基站與互聯網業務相融合的技術;是利用無線接入網,將就近電信用戶所需的服務融于云計算能力,所搭建的電信級服務環境.具體方案為在LTE-R系統基礎上,分別在高鐵車廂和沿途基站部署MEC服務器.高鐵車內的網絡請求先發送給車載MEC服務器,由車載MEC服務器負責和基站處MEC服務器通信,最后基站處MEC服務器和互聯網通信,完成網絡服務的訪問.

當分別在車廂和沿途基站部署了MEC服務器之后,車內的網絡請求通過車載MEC服務器發出,在MEC服務器上采用緩存技術和多流合并技術,消除無線鏈路上的重復流量,提高車地之間無線空口資源利用率.其次,車載MEC服務器和基站處MEC服務器通信時采用特定的協議保障機制,提高車地之間無線傳輸的速度和穩定性.最后,基于基站處MEC服務器的計算能力,在列車之間傳輸數據時,可直接通過基站處MEC服務器傳輸,縮短傳輸時延,提高列車運行安全.

終上所述,在原有LTE-R系統基礎上,通過增加基站一側的MEC服務器和車廂內部的MEC服務器,可以提高車地之間空口資源利用效率,保障車地之間無線傳輸的速度和穩定性,降低列車之間數據傳輸時延,解決現有LTE-R系統存在的問題.后面章節中,將詳細論述本文如何將MEC技術應用到LTE-R系統中.其中,第一章詳細講述了MEC的概念及整體架構.第二章介紹了MEC在高鐵網絡架構上的應用.

1 LTE-MEC系統整體概述

邊緣計算產業聯盟對邊緣計算[6]的定義是指在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側,融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺,就近提供邊緣智能服務,滿足行業數字化在敏捷聯接、實時業務、數據優化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求.

在邊緣計算的基礎上,移動邊緣計算[7]的思想是把云計算平臺遷移到移動接入網邊緣,試圖將傳統電信蜂窩網絡與互聯網業務進行深度融合,減少移動業務交付的端到端時延,發掘無線網絡的能力,提升用戶體驗.具體來講,邊緣計算將網絡、計算、存儲能力從云延伸到網絡邊緣,在網絡中加入一個邏輯終點,是云計算結構的組成部分.通過引入邊緣計算的理念,在網絡邊緣部署各種服務和緩存內容,移動核心網絡進一步減輕了擁塞,并且可以有效地服務本地需求.

圖1 LTE-MEC整體架構圖

如圖1所示,是在LTE-R系統中加入MEC服務器之后的架構圖.因MEC服務器自身具備計算、存儲、網絡等能力,可以在基站附近提供智能服務,使原本必須在互聯網中處理的業務,可以下沉到MEC服務器上運行,從而降低服務響應時延,優化現有LTE-R系統.

2 MEC在高鐵網絡架構上的應用

2.1 MEC平臺及其在高鐵網絡中的架構

圖2給出了MEC平臺[8]示意,主要包括MEC平臺物理設施層、MEC應用平臺及MEC應用層.

圖2 MEC平臺示意

(1)MEC平臺基礎設施層基于通用服務器,采用網絡功能虛擬化的方式,為MEC應用平臺層提供底層硬件的計算、存儲等物理資源.

(2)由MEC的虛擬化管理和應用平臺功能組件組成.其中,MEC虛擬化管理采用以基礎設施作為服務的思想,為應用層提供一個靈活高效、多個應用獨立運行的平臺環境.MEC應用平臺功能組件主要包括流量分析、緩存資源、流量壓縮合并、流量分拆、流量解壓縮、傳輸協議優化等功能,并通過開放的API向上層應用開放.

(3)基于網絡功能虛擬化VM應用架構,將MEC應用平臺功能組件進一步組合封裝成虛擬的應用(流量壓縮緩存、多流合并、傳輸協議優化),并通過標準接口開放給第三方業務應用.

MEC在高鐵網絡架構中的應用主要是通過在車廂內部署MEC服務器,以及在LTE-R系統中的軌道基站一側部署MEC服務器共同實現.如圖3所示,車內的服務請求,按照車載網關MEC服務器、基站網關MEC服務器、互聯網的順序進行發送.

在服務請求過程中,車載網關的MEC服務器具備以下4點功能:

(1)分析車內請求.對于可以本地處理的服務請求,由車載網關的MEC服務器進行本地化處理.對于不能本地化處理的服務請求,將以代理的形式,向互聯網發送服務請求.

(2)緩存網絡資源.列車曾經訪問的網絡資源,將被緩存在車載MEC服務器中,為本地化處理做準備.

(3)接收并處理來自基站MEC服務器的數據.由于基站MEC服務器會對流量進行合并及壓縮以節省空口帶寬資源,故車載MEC服務器需要對這部分流量進行分拆和解壓縮.

(4)優化無線傳輸.配合基站網關的MEC服務器共同提升無線傳輸的穩定性,降低丟包率.

在服務請求過程中,基站網關的MEC服務器有3點功能:

(1)分析車載MEC服務器的請求,合并重復流量.由于基站的空口資源有限,當基站處MEC服務器分析到車載網關發出多個重復請求后,基站網關MEC服務器在返回數據時將只返回一份數據.

(2)壓縮流量.為提高空口資源利用率,當基站網關MEC服務器向車載網關MEC服務器發送數據時,將對數據進行壓縮.

(3)優化無線傳輸.配合車載網關的MEC服務器共同提升無線傳輸的穩定性,降低丟包率.

圖3 整體架構示意圖

如圖3所示,在車廂和基站處部署MEC服務器之后,基于兩級MEC服務器的功能,通過協同配合,將完成下述功能:

(1)基于MEC的流量緩存與壓縮.

(2)基于MEC的多流合并.

(3)車地之間無線傳輸優化.

(4)車車之間數據傳輸時延優化.

在本章接下來的小節中,將詳細介紹以上4點功能.

2.2 基于MEC的流量緩存與壓縮

高鐵網絡中,車地之間的數據通過無線進行傳輸.但由于無線資源有限,如何在有限的帶寬資源下,確保列車和乘客的需求得到滿足,及確保帶寬資源的合理分配及利用,提高空口帶寬利用效用,成為一個有待解決的問題.

面對該問題,本節提出兩個方案解決上述問題:

(1)基于MEC服務器,對靜態內容緩存.

(2)基于MEC服務器,對單一流量壓縮.

圖4 基于MEC的流量緩存與壓縮時序圖

如圖4所示,當列車或乘客發送一個內容請求時,首先會在車載MEC服務器中查找該內容是否存在.如果車載MEC服務器已經緩存過該內容,則直接由車載MEC服務器將內容返回,完成此次內容請求.這樣既可以節省車地之間有限的傳輸帶寬,同時由于車載MEC服務器本地處理請求,用戶將會有更佳的用戶體驗.

否則,如果車載MEC服務器沒有緩存過該內容,則車載MEC服務器將該請求發送給基站MEC服務器,基站MEC服務器再向互聯網進行請求.當基站MEC服務器收到互聯網返回的數據時,要針對這部分流量做壓縮處理,然后將壓縮后的流量發送至列車.當列車接收到這部分流量時,先對壓縮的流量做解壓縮處理,并選取合適的內容做緩存,同時將解壓后的內容發送至列車或乘客處.由于在無線鏈路上傳輸的是經過壓縮之后的流量,將會降低鏈路的占用率.這樣,在無線鏈路帶寬資源有限的前提下,將可以承載更多業務,有效提升帶寬資源利用效率.

通過上述兩個方案,可以提高車地之間無線資源的利用效率.同時,當乘客訪問已緩存內容時,可以獲得更好的用戶體驗.

2.3 基于MEC的多流合并

為了能夠提高無線傳輸資源的利用效率,針對單個流量、以及靜態的互聯網內容,提出了流量壓縮和緩存的策略.但是當無線鏈路上傳輸的是多個相同流量,并且處于動態變化中時,僅僅壓縮流量不足以提高利用率,同時,由于內容是動態變化,車載MEC服務器中也無法實現緩存.可見,上一節的方案明顯不足以解決這類問題.這種情況下,本節提出基于MEC的多流合并策略.

基于MEC的多流合并是指,當列車或車內乘客發出多個相同請求時,車載MEC服務器便向基站MEC服務器發送多個相同請求.但是,當基站MEC服務器從互聯網上獲取到數據向車載MEC服務器發送數據時,會進行流量合并,只發送一份數據.車載MEC服務器在獲取數據之后,再將數據分為多份發送至請求者.整個過程對用戶而言,完全透明.整個傳輸過程如圖5所示.

圖5 基于MEC的多流合并示意圖

由于在無線鏈路上,對多個相同流量做流量合并,因此可以顯著消除重復流量的傳輸,提高無線鏈路資源的利用效率.該功能發揮作用的一個場景是在車內觀看直播.當車內有多個乘客觀看同一個直播內容時,比如體育賽事直播,乘客請求的數據都是相同的,且進度也是同步的.雖然每個用戶在請求時,都發出各自的請求,但是當數據從互聯網返回時,在基站MEC服務器中會對著多個流量合并為一個流量,傳輸給車載MEC服務器.車載MEC服務器接收到之后,將數據分別返回給每個請求的用戶.這樣,就在滿足用戶需求的前提下,極大壓縮了無線鏈路的傳輸占用比例,提高無線鏈路的利用效率.

2.4 無線傳輸優化

在高鐵網絡中,車地之間的傳輸采用無線傳輸.在高速移動的場景下,無線鏈路上較高的誤碼率以及列車和基站之間的頻繁切換,會導致大量的丟包,而此刻的丟包并非是是因為網絡擁塞引起的,但由于TCP協議自身特點,TCP會啟動不必要的擁塞機制,造成鏈路空閑,浪費發送機會,導致性能下降[9].為了提升無線鏈路的TCP性能問題,本機提出了針對TCP連接的傳輸優化方案.

如圖6所示,傳輸過程優化是指對列車和基站之間的TCP連接進行性能優化,優化的方法是在基站處的MEC服務器和列車上的MEC服務器中分別部署Snoop代理[10],Snoop方法是一種利用了傳輸層知識的鏈路層協議.以基站處MEC舉例,具體表示為,在基站的MEC服務器中部署Snoop代理,該代理監視每條TCP連接的每一個包,即監視基站發往列車的TCP報文段和收到的ACK,同時緩存所有未應答的TCP報文段.該代理通過收到多個重復的ACK,發生本地超時,來判斷某個報文段在無線鏈路上丟失,將緩存中的TCP報文段重傳,扔掉由該報文段丟失引起的重復的ACK,既能將無線鏈路上丟失的報文段恢復,又能防止了發送端TCP收到多個重復的ACK而啟動快速重傳.反之對列車上的MEC服務器中的Snoop代理亦是如此.通過該方案,將可以改善基站到列車方向的性能,同時改善列車到基站方向的性能.

圖6 無線傳輸優化示意圖

在對無線傳輸優化之前,由于無線傳輸不穩定,造成丟包較為嚴重.對于采用TCP協議的應用,頻繁出現丟包導致ACK無法及時確認,發送端將會以為網絡中出現擁塞,從而降低發送窗口大小,降低無線鏈路吞吐量.在對無線傳輸優化之后,對于采用TCP協議的應用,即使頻繁出現丟包,由于Snoop代理的存在,并不會減小發送窗口大小,從而確保無線鏈路能擁有較大的吞吐量,優化網絡傳輸性能.

2.5 列車之間數據傳輸時延優化

對高鐵而言,一個重要特點是列車的行駛速度快.由于行駛速度快,列車與列車之間的數據傳輸時延如果高,將會給行車安全帶來威脅.傳統方案中,列車之間傳輸數據需要通過基站傳送至核心網,由核心網傳輸給中央控制室,統一轉發列車之間的數據.但由于高鐵場景中,列車行駛速度快,故該方案的高時延會威脅高鐵的行車安全.為優化列車之間數據傳輸時延,本節提出的方案將基于基站MEC服務器做數據傳輸,避免經過核心網、中央控制室.從而有效節省數據傳輸時延.

基于基站MEC服務器進行數據傳輸是指,當兩輛高鐵列車連接同一個基站,前方列車采集的數據向其后方列車發送時,列車通過無線傳輸先發送至基站處的MEC服務器,然后基站處MEC服務器將采集的數據,直接發送至該基站下的另一輛列車.

具體過程如圖7所示,前方行駛的列車,將列車的運行狀態和路面信息先回傳至基站側MEC服務器,這時如果有其他車輛也連接在該基站下面,MEC服務器則直接將數據發送給該車輛,無需將數據通過核心網發送至中央控制室,再由中央控制室發送給其他車輛.由于節省發送至中央控制室的步驟,故可以顯著降低其他列車接收數據的時延.因此,在前面列車發現路面有故障的情況下,后續列車可以在最短時間接收到故障信息,采取措施,避免由于時延過長帶來的危險因素,增加列車行駛過程中的安全系數.

3 試驗結果

基于本文提出的方案,在某鐵路局所屬路段部署了小規模試驗網,進行了實際網絡環境下的測試驗證.

3.1 試驗環境

試驗路段全長X公里,包含三個基站及一套核心網系統,拓撲結構如圖8所示.三個基站分別標記為YL-0、YZ-0和YZ-YL-0,位置關系如圖9所示,其中YZ-YL-0為中間基站,YL-0和YZ-0為兩端基站.YZ-0與YZ-YL-0之間的距離為12.4 km,YZ-YL-0和YL-0之間的距離為14.4 km.基站信號覆蓋高鐵鐵軌以及與鐵軌平行的高速公路.三個基站處均部署了本文提出的MEC基站網關.基站網關連接至核心網,通過核心網接入互聯網.