高鐵數據傳輸中融合MEC理論的核心技術

王萬齊 沈海燕 程清波 端嘉盈 魯玉龍

（中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所 北京市 100081）

現代信息技術發展為人們的生產和生活帶來極大便利，而數據通訊技術已經成為必不可少的工作與生活組成部分。為深化貫徹國家創新驅動發展戰略及落實“交通強國、鐵路先行”，穩定可靠的通信質量才能不斷深化總公司“提質增效、強基達標”工作主題，全面提升鐵路安全生產、運輸管理、客運服務的信息化、數字化、智能化水平。

1 高鐵網絡發展現狀及問題分析

根據相關文獻資料顯示，鐵路網絡自從誕生之日開始，便在實施環節以GSM-R 系統作為基礎，但是這種系統在使用中因為是窄帶通信網絡，所以只能夠局限應用在日常運用管理環節。由于GSM-R 技術制約性，相繼研發出LTE-R 系統，這種系統在使用過程中，雖然能夠在高鐵列車運營管理環節以及乘客上網環節中提供良好服務，但在高鐵高速運行場景下，所能夠提供的無線傳輸空口資源數量相對不足，總體而言，仍舊存在以下三個方面不足：

（1）高鐵列車與地面之間所具備的無線資源相對有限，并且在利用的時候效率也相對不高。因為空口資源的數量不足，在高鐵列車和地面之間進行傳輸的數據均需要在傳輸的時候全部通過空口鏈接，造成鏈路之中出現流量重復的現象，此外還有流量沒有經過壓縮，從而造成在高鐵列車和地面之間的空口資源具有較低的利用率。

（2）在高鐵列車和地面之間具有相對較差的傳輸穩定性以及較低的吞吐量。這是因為在高鐵列車和地面之間進行無線傳輸的時候是基于移動場景，這種方式與有線數據傳輸之間存在著很大的不同，這種方式具有較差的穩定性，并且其丟包率也相對比較高，從而在很大程度上會降低傳輸網絡的吞吐量。

（3）在高鐵列車和高鐵列車之間存在著較高的傳輸延遲。在LTE-R 系統當中，高速列車之間的通信必須要通過使用核心網才得以完成。因為高鐵列車在行駛的過程中擁有極快的速度，在這種場景之下若是存在著較高的延遲，將會對高速列車的行駛產生很大的安全隱患。

在LTE-R 系統之中，尚不能針對上述問題提出有效的解決方案，所以基于5G 技術的移動邊緣計算MEC（Mobile Edge Computing，MEC）便隨著5G 技術的發展而被提出。在LTE-R 系統中運用移動邊緣計算，進而提出以移動邊緣作為基礎的高鐵列車網絡建設方案。具體的實施方案是以LTE-R 系統作為基礎，分別的將MEC 服務器部署在沿途的基站以及高鐵的車廂之內，高鐵列車在運行的過程中，車內的網絡請求將首先會發送到車載的MEC 服務器內，之后車載MEC 服務器便與基站位置的MEC 服務器進行通信，完成用戶請求訪問網絡的服務。

當MEC 服務器部署在高鐵列車的沿途基站以及高鐵列車的車廂之內，車內的網絡請求將會在發出之前通過車載MEC 服務器，而此時的車載MEC 服務器便會通過使用多流合并技術以及緩存技術將在無線鏈路上所出現的重復流量消除，從而提升在高鐵列車與地面基站之間的無線空口資源利用效率。其次，位于高鐵列車車廂內的MEC 服務器和高鐵列車沿線基站位置的MEC 服務器，可以通過使用特定的協議保障機制完成通信，提升高鐵列車和地面之間的無線傳輸穩定性以及傳輸的速度。在最后，以位于基站位置的MEC 服務器計算能力作為依據，在列車之間展開傳輸數據信息時，便可以通過基站位置的MEC 服務器進行直接傳輸，這種措施能夠很好的降低傳輸的延時，提升高鐵列車在運輸環節中的數據通信穩定性和列車安全性。

綜上而言，基于LTE-R 系統增加高鐵列車車廂內部的MEC 服務器以及基站位置的MEC 服務器，能夠有效地提升高鐵列車和地面之間的空口資源利用效率，最大化的確保高鐵列車和地面之間具有穩定的無線傳輸以及高速度的無線傳輸，從而實現高鐵列車在運行過程中的傳輸時延，將LTE-R 系統所存在的不足予以解決。

2 LTE-MEC（移動邊緣計算）系統整體結構

就邊緣計算產業聯盟對邊緣計算的含義，是指在于數據源頭以及靠近物等網絡邊緣一側，與具有核心能力、計算能力、存儲能力和融合網絡能力的開放平臺相結合，就最近的位置提供電源智能服務。這項技術的運用能夠滿足行業內部對于數字化發展的實時業務需求、安全和隱私保護需求、敏捷連接需求、優化數據信息需求和應用智能技術的需求。

基于移動邊緣計算的主要思想是在移動接入網邊緣的位置，將云計算平臺遷移至此，嘗試性的將電信領域中傳統的蜂窩網絡服務高度結合互聯網業務，最大限度的實現將在開展移動交付環節降低端到端之間所出現的延遲現象。通過多種方式將印在在無線網絡當中的能力發掘。具體而言，邊緣計算所具有的能力有計算能力、存儲能力和網絡能力，這三項能力能夠以云為基礎眼神到網絡的邊緣位置，在網絡上增加邏輯重點，這種方式也是與計算結構組成的重要內容之一。通過將邊緣計算的概念和理論引入到研究工作當中，能夠很好的緩存內容，并且在網絡邊緣位置將各種服務進行部署[1]。發展移動核心網絡可以在最大化程度上實現擁塞降低的目的，為本地的需求提供有效的服務。

因為MEC 服務器自身便具有網絡能力，存儲能力和計算能力，所以在使用的過程中可以為附近的基站提供智能化的服務，讓原本需要在互聯網環境中展開的業務能夠下沉到MEC 服務器之上進行處理。這種方法可以實現服務響應延時降低的目標，對已有的LTE-R 系統做出優化。

3 基于高鐵網的MEC（移動邊緣計算）平臺及關鍵技術

3.1 基于高鐵網絡架構的MEC服務器平臺

在圖1 平臺示意圖中所包含的內容有MEC 平臺基礎設施層、MEC 應用平臺層和MEC 應用層。

MEC 平臺基礎設施層是以通用的服務器作為基礎而設計的，在計算和存儲MEC 應用平臺底層物理資源的時候，需要使用網絡功能虛擬化的方式展開。

圖1：MEC（移動邊緣計算）平臺示意圖

MEC 數字化管理是基于基礎設施為服務的思想，將高效靈活以及擁有多個獨立運行的平臺環境提供給應用層。MEC 應用平臺的功能組件，主要包含有資源的緩存、合并和壓縮流量、分解和壓縮流量、優化數據傳輸協議、分解流量以及分析流量等功能，通過使用具有開放性的API 向上層應用開放。

Vm 應用架構是以網絡功能作為基礎進行虛擬化而獲得，是需要將MEC 應用平臺功能組件進行更深入的組合和封裝，從而形成具有虛擬性質的應用，實現優化傳輸協議、合并多流量以及緩存壓縮流量的目的，借助于標準接口開放為第三方業務提供服務[2]。

在高鐵建設中的網絡架構，若是運用MEC，那么便需要將MEC 服務器部署在高鐵列車的車廂之內，同時還需要將MEC 服務器部署在LTE-R 系統軌道基站一側，使得兩個位置的MEC 服務器共同實現其功能。詳細如圖2 所示。

在圖2 中，高鐵列車的車廂以及基站位置所部署的Mac 服務器部署完成之后，需要以兩級MEC 服務器功能作為依據，高效配合和協調其功能。在使用當中需要完成以下四個方面的功能。

（1）要以MEC 服務器作為基礎進行壓縮和緩存流量。

（2）要以MEC 服務器作為基礎進行多流合并，

（3）在高鐵列車和地面之間進行無線傳輸網絡的優化。

（4）在高鐵列車和高鐵列車之間優化傳輸網絡的延時。

3.2 基于MEC（移動邊緣計算）理論的壓縮和緩存流量技術

在高鐵列車到網絡系統建設當中，需要實現高鐵列車和地面兩者之間的無線數據傳輸。但是因為有限的無限資源，所以，需要不斷對帶寬的資源進行優化，保證利用的合理性和分配的高效性，提升空口帶寬的使用效率。

圖2：邊緣計算服務器部署架構示意圖

當高鐵列車或者是位于列車內部的乘客將一個請求內容發送時，首先該請求內容將會與車廂內部所安置的MEC 服務器是否存在該內容進行匹配，倘若在車載的MEC 服務器當中能夠匹配到請求的內容，請求的內容將會直接由車載MEC 服務器返回，當該環節結束以后，則意味著已經完成的本次內容請求的任務。這種方式的出現和使用，可以解決在地面與高鐵列車在運行過程中浪費有線傳輸帶寬的現象。，與此同時還能夠提升列車MEC 服務器處理本地請求的能力，滿足高鐵列車上的乘客以及高鐵列車的用網體驗[3]。若是請求的內容沒有在車載MEC 中得到匹配，那么便會繼續由車載MEC 服務器將請求的內容傳輸到地面基站MEC 服務器之中，位于地面的基站MEC 服務器需要將請求內容傳輸到互聯網。當地面基站MEC 服務器在接收到來自于互聯網的相關數據信息時，便會對這部分流量展開壓縮處理，將其發送到列車車載MEC 服務器。當列車接觸到這部分流量時，對其作出再次處理和壓縮，緩存合適的數據內容。另外，在對數據信息壓縮完成之后，將會在最短的時間內將其傳輸到用戶端。基于無線鏈路在傳輸的時，通過完成流量壓縮，能夠在很大程度上降低鏈路占用率保證無線鏈路帶寬資源有限的前提之下，承載更多的業務需求，提升利用帶寬資源的效率。

4 基于MEC的低延時數據傳輸解決方案

高鐵列車最大的特點是擁有極快的行駛速度，從而為列車運行的安全造成嚴重的威脅。在傳統方案中，不同列車之間在進行數據傳輸時，需要通過使用基站將數據信息傳輸到核心網，再由核心網將數據信息傳輸到中央控制室，統一轉發到列車之間。但是因為高鐵列車在運行中擁有極快的運行速度，所以此方案為高鐵安全運行帶來隱患。

為了對運行高鐵列車時所出現的傳輸數據信息發生的時延，在本文的研究過程中，針對于這類問題提出了基于基站MEC 服務器傳輸數據信息的方案，從而可以深入解決在傳輸數據信息時經過中央控制室和核心網的問題，通過削減傳輸環節實現傳輸效率提升。當兩輛高鐵列車連接到相同基站時，前方運行的高鐵列車可以將采集到的數據信息，及時傳輸到后方的高鐵列車。列車可以通過無線傳輸將所獲取的信息數據發送到基站位置的MEC 服務器，當位于基站位置的MEC 服務器在獲取數據信息時，直接發送到基站下一個方向的高鐵列車[4]。同時，前方行駛的高鐵列車在行駛途中可將面信以及運行狀態首先傳送到位于地面的基站MEC 服務器。當后方有高鐵列車與該基站的MEC 服務器連接時，運行的高鐵列車便能夠及時獲取數據信息。此方案可以繞過中央控制室和核心網環節，提升數據信息傳輸速度，降低傳輸時延。并且，當前面運行的高鐵列車發現地面出現故障時，后續的高鐵列車能夠在最短的時間內接受到前面的故障信息，及時采取有效控車措施，從而避免列車運行中的安全威脅。這種方式能夠很好的避免時延過長而帶來的安全隱患，極大提升高鐵列車在運行過程當中的安全系數，為鐵路安全運營保駕護航。

5 結束語

通過分析高鐵網絡中傳統LTE-R 和GSM-R 現狀及問題，提出了LTE-MEC（移動邊緣計算）系統整體架構，構建了基于高鐵網絡架構的MEC（移動邊緣計算）平臺，研究了基于MEC（移動邊緣計算）理論的壓縮和緩存流量技術及工作原理，為MEC（移動邊緣計算）在高鐵通信網絡中的應用奠定了技術基礎，具有參考和借鑒意義。