邊緣計算技術在鐵路5G移動通信中的應用研究

李毅，董根才，藺偉，姜博，柴金川

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，北京100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司國家鐵道試驗中心，北京100081）

0 引言

智能鐵路是鐵路運輸發展的必然方向，需要對鐵路行車狀態、設備健康狀況、自然環境條件等信息進行全方位感知［1］。數據采集點增多，采集密度加大，數據內容進一步擴充，數據類型更加多樣，鐵路積累了大量實時業務數據和視頻、圖像、語音等非結構化數據，對現有通信系統的傳輸能力、數據中心的安全、存儲和計算能力提出了更高要求。

目前，我國鐵路通信系統主要以900 MHz鐵路專用數字移動通信系統（GSM-R）和450 MHz的模擬無線列調系統為主，面臨系統承載能力不足、頻率資源緊張、生命周期即將終結等問題，不能有效滿足智能鐵路大容量數據的有效傳輸。大帶寬類鐵路應用通常利用公網運營商網絡進行數據傳輸，存在隱私泄露和安全性不足等問題。此外，我國鐵路已形成中國國家鐵路集團有限公司、鐵路局集團公司2級信息處理平臺，信息機房布局基本形成，初步實現了計算和存儲資源的共享［2］。但在鐵路運輸生產中，大量鐵路應用部署在鐵路沿線設施附近，現有信息平臺面臨處理實時性不高的問題。

第五代移動通信技術（5G）作為最新一代的信息通信技術，可有效滿足增強型移動寬帶、大規模物聯網和超高可靠低時延通信三大應用場景的信息傳輸需求。5G系統在熱點區域的峰值速率可達20 Gb/s；廣域覆蓋場景下的用戶體驗速率可達100 Mb/s；頻譜效率與第四代移動通信技術（4G）相比提升3倍；能效優于4G網絡；空中延遲低至1 ms；在高速場景下支持500 km/h的移動性；支持高達106個/km2的用戶連接密度。邊緣計算（MEC）是滿足5G關鍵性能指標的關鍵技術之一，對推動5G技術在鐵路行業的應用具有重要作用。

邊緣計算是在移動網絡的邊緣整合信息化架構和云計算能力，利用無線接入網絡就近提供低時延與高帶寬的網絡服務，在本地網絡中實現各項內容、服務及應用的快速獲取，提升用戶體驗。邊緣計算使內容與應用下沉到本地存儲，能夠降低數據傳輸時延；支持本地路由和轉發，數據不出園區，滿足鐵路行業的數據安全隱私需求；能夠向第三方應用提供無線網絡狀態、位置和其他網絡能力，優化所部署的應用性能；作為智慧網絡的重要節點，提供算力和存儲資源，使能大數據和人工智能，提升網絡運維效率，改善網絡性能。

研究如何將5G邊緣計算技術應用于智能鐵路，滿足鐵路業務的大帶寬、低時延和數據安全需求，進一步提升鐵路通信系統和信息處理平臺的性能是非常必要的。

1 MEC典型業務應用

標準規范中［3］將MEC的應用對象分為終端消費者、運營商和行業三大類。其中，面向行業的應用主要包括:

（1）視頻緩存、壓縮和分析。對下行無線鏈路的吞吐量進行估計并提供給視頻服務器，用于選擇合適的視頻編碼碼率并進行流量擁塞控制；對監測視頻和傳感數據進行壓縮和實時分析，提取部分重要數據進行回傳，降低承載網的數據傳輸壓力。

（2）位置追蹤。在GPS不能覆蓋的區域，通過網絡測量和定位算法，確定終端裝置的實時位置。

（3）服務質量管理。為MEC上部署的應用提供在線性能監測功能，保障應用的服務質量等級。

（4）企業園區專網。提供本地分流功能，終端直接與本地MEC服務器進行數據傳輸，不需要訪問遠程的核心網和互聯網，實現本地處理，保證數據不出園區。

（5）車聯網通信。MEC服務器通過接收并分析車輛信息和路旁傳感器信息，將事故預警信息及時發送給同一區域內的相鄰車輛。

（6）面向特定用戶群組的應用。通過接收核心網的用戶組簽約信息，MEC上部署的應用只向特定用戶組提供服務。

（7）車載MEC設備。提供車載MEC主機，實現標準化車載通信平臺，以支持安全相關、遠程信息處理、導航及視頻娛樂等不同類型業務的統一部署。

（8）計算密集型業務。終端可將計算和分析任務上傳至MEC進行統一處理，以最大化電池使用時間，降低終端的自身造價和協作成本。

（9）工廠自動化。為工廠內的傳感網絡提供計算資源，存儲敏感數據并進行大數據處理分析，發現異常檢測數據。為工廠中的移動平臺（機器人、自動導航車等）提供遠程控制系統。

以鐵路站場為例，可在MEC服務器上部署相關應用，實現電子自動派單、調車前方路況直傳司機、機車燈顯多媒體調度、機車遠程監測與診斷（CMD）系統數據實時下載、高清視頻監控、檢修圖像實時分析、機車實時定位等應用，提升站場的信息化水平。

以鐵路列車為例，可在MEC服務器上部署相關應用，實現車載設備檢測數據實時處理、列車監控視頻實時分析、旅客在途娛樂和辦公等服務，提升動車組的智能化水平。

2 MEC標準進展

MEC標準主要由歐洲電信標準協會（ETSI）和第三代合作伙伴計劃（3GPP）兩大標準組織制定。其中，ETSI負責制定邊緣計算平臺的參考架構、能力開放接口、應用場景、部署環境等。3GPP負責制定支持邊緣計算的5G系統架構、分流機制和業務質量保障等。

ETSI標準制定分為3個階段。第1階段從2014年12月開始，發布了邊緣計算的場景、需求、架構、接口等；第2階段從2017年3月開始，完成了MEC和網絡功能虛擬化（NFV）的架構融合，研究了應用遷移機制，支持非3GPP接入，分析了MEC在5G中的部署方式。目前正在進行第3個階段，與行業開展合作，開展面向行業的平臺能力設計。目前ETSI發布的MEC標準及主要內容見表1。

表1 ETSI制定的MEC標準及主要內容

3GPP R15和R16標準中，定義了5G網絡對邊緣計算的支持機制；核心網設計了3種不同的流量分流方式，滿足不同場景下的分流需求；核心網的用戶面功能網元（UPF）作為連接5G網絡和邊緣計算的交匯點，可根據業務需求靈活部署在核心網或本地；核心網的應用功能網元（AF）可以影響會話管理功能網元（SMF），進行UPF的選擇和重選，支持UPF在本地按需增加和刪除；邊緣計算可以通過網絡開放功能網元（NEF）與5G核心網進行信息交互等。3GPP制定的MEC標準及主要內容見表2。

表2 3GPP制定的MEC標準及主要內容

3 MEC架構

3.1 平臺架構

標準定義的邊緣計算架構主要由主機級、系統級2部分及各網元接口組成（見圖1）［4］。主機級包括虛擬化基礎設施（含數據平面）、MEC平臺、MEC應用、虛擬化基礎設施管理器和MEC平臺管理器等；系統級包括MEC編排器、操作支持系統、應用生命周期管理代理等；接口包括與MEC平臺的接口Mp、與網管的接口Mm、與外部實體的接口Mx等。

圖1 MEC平臺架構

3.1.1 MEC主機級

虛擬化基礎設施可為MEC應用提供計算、存儲和網絡資源，其中包含的數據平面能夠為接收數據執行轉發和路由規則。

MEC平臺為應用提供發布、發現、訂閱、消費等服務能力，從MEC平臺管理器接收流量轉發規則，通過Mp2參考點下發給數據平面，并提供應用的狀態監控功能。MEC平臺還可以通過Mp3參考點與其他MEC平臺進行通信和協作。通過Mp1參考點與MEC應用通信，完成生命周期、服務治理、流規則等相關交互。

MEC平臺管理器控制應用程序的創建和終止，實現平臺和流量過濾規則的配置，并且為MEC編排器提供應用相關事件的指示消息。

虛擬化基礎設施管理器負責為MEC應用分配和釋放計算、存儲、網絡資源。將虛擬資源的使用信息，通過Mm4、Mm6參考點分別上報給MEC編排器和MEC平臺管理器。

3.1.2 MEC系統級

MEC編排器是MEC的核心功能，宏觀掌控MEC網絡的資源和容量，通過衡量用戶需求和每個MEC主機的可用資源，為用戶選擇或切換到合適的主機。

操作支持系統從面向用戶的服務門戶和用戶終端接收MEC應用的實例化或終止請求，檢查應用數據的完整性和授權信息。

面向用戶的服務門戶相當于第三方接入點，可使用該接口將第三方應用接入運營商的MEC系統中。

用戶應用生命周期代理是MEC用戶請求應用相關的實例化和終止等服務的實體，負責對所有來自外部云的請求進行認證。

3.2 MEC與5G系統融合架構

MEC與5G系統的融合架構見圖2，其中3GPP標準定義的5G系統見圖左側，ETSI標準定義的MEC系統架構見圖右側。MEC部署在5G系統外部的數據網絡（DN）中，與核心網的UPF相連。MEC作為5G核心網的應用功能（AF），與核心網的策略控制功能網元（PCF）交互請求流量控制。以下重點描述MEC的功能實體如何與5G核心網的各網絡功能（NF）進行交互［5］。

圖2 MEC與5G的融合架構

5G核心網中的網絡開放功能網元（NEF）用于域外不受信任的實體訪問5G網絡服務。NEF充當服務開放的集中節點，對來自系統外部訪問請求進行鑒權。PCF用于處理5G系統中的策略和規則。PCF可以服務于MEC平臺以影響流量控制規則。受信任的應用功能AF可以直接訪問PCF，非授信的應用功能AF要通過NEF來訪問PCF。

SMF在控制UPF和配置其分流策略等方面起著重要作用，通常在數據中心集中部署。SMF允許MEC作為5G系統的AF管理協議數據單元（PDU）會話、對策略設置和流量規則進行控制、訂閱相關會話管理事件的通知。

UPF在MEC部署中起著關鍵作用。基于5G核心網的控制面和用戶面分離式架構，UPF需要下沉到網絡邊緣部署，以減少傳輸時延，實現數據流量的本地分流。UPF的控制和路由規則配置遵循NEF—PCF—SMF的順序。本地MEC AF將UPF分流規則告知PCF，PCF將分流策略配置給SMF，SMF對所有流量進行集中調度，將本地流量通過邊緣UPF進行分流。

在圖2右側的MEC系統中，MEC編排器是1個MEC系統級功能實體，從5G核心網的角度，可作為外部應用功能AF與網絡開放功能NEF交互。在MEC主機級別上，MEC平臺可作為應用功能AF與5G系統的各NF交互。MEC主機通常部署在5G系統的數據網絡DN中。

5G系統對MEC的支持，除選擇UPF和配置流量導向規則外，還可為MEC提供無線網絡信息（如接收信號功率/質量）、相關用戶的位置和移動性時間、無線連接情況、策略和計費等相關服務，幫助在MEC主機上運行的應用程序進行性能和服務優化。

4 MEC分流方案

標準中定義了5G網絡支持MEC的3種分流機制［6］，分別為上行分類器（UL-CL）、第六代互聯網協議（IPv6）多歸屬和局域數據網絡（LADN），實現邊緣UPF的本地流量卸載。

（1）UL-CL。SMF根據需要在PDU會話的數據路徑中插入UL-CL。支持UL-CL功能的UPF通過SMF下發的分流規則過濾上行數據包的IP目的地址，符合規則的數據包進行本地分流。

（2）IPv6多歸屬。1個PDU會話可能關聯多個IPv6前綴，不同IPv6前綴通過公共UPF分別錨定到中心網絡的UPF和本地數據網絡的UPF。公共UPF支持分支點功能，通過SMF下發的分流規則，檢查數據包源IP地址轉發上行流量到不同PDU會話錨點，并聚合從不同PDU會話錨點發送到終端的下行數據流。

（3）LADN。LADN是一種特殊的數據網絡，只允許終端在特定區域內訪問該數據網絡，超出該區域時則不允許終端訪問。為了支持LADN對訪問區域的限制，5G核心網的接入管理功能網元（AMF）將LADN的名稱和服務區域發送給終端，終端根據所處位置決定是否可以發起LADN PDU會話建立。SMF判斷終端位于LADN服務區域后下發策略給UPF，UPF采用相關策略進行分流。

上述MEC分流機制比較見表3。

表3 MEC分流機制比較

5 MEC部署位置

在5G網絡架構中，MEC的部署位置以國際電信聯盟（ITU）定義的三大場景為基礎，綜合考慮業務時延、帶寬需求、數據安全、MEC服務范圍、可用站址和機房等物理資源等，在MEC編排器的統一控制下部署。邊緣計算服務器通常有3種部署位置:

（1）與基站共址。業務時延要求1～5 ms，用于車聯網、無人機通信、自動化控制等低時延業務，需要部署的數量多。

（2）接入匯聚機房。業務時延要求5～10 ms，用于AR/VR和區域視頻類等大帶寬業務，需要部署的數量中等。

（3）核心匯聚機房。業務時延要求大于20 ms，用于物聯網和中心控制類業務，需要部署的數量較少，MEC能夠覆蓋更大的區域。

對于鐵路行業，根據業務需求靈活選擇MEC服務器的部署位置，如鐵路局集團公司核心網機房、大型車站和編組站的接入機房等。

6 MEC在智能鐵路的應用

根據智能鐵路業務需求和MEC技術特點，分別以站場場景和動車組車內場景為例，研究MEC的部署方案。

6.1 鐵路站場MEC應用方案

鐵路站場場景包括鐵路車站（含站臺面、站房內、地下通道等）、物流中心、編組站、機務段、車輛段、動車所等鐵路作業區域。該場景特點是通信作業范圍為面狀區域，作業人員和車輛密集且業務量大，調車控制、自動駕駛、無線售票、機器人控制等業務對低時延需求較高，對生產作業過程中的數據安全和隱私性要求較高。因此，邊緣計算技術可有效滿足站場的上述需求。

MEC在鐵路站場的應用方案見圖3。其中，MEC服務器部署在站場接入匯聚機房，通過萬兆網口與傳輸接入環傳輸設備對接，與站場應用服務器通過光纖或專線對接。MEC關鍵部件UPF/MEC平臺部署在通用IT服務器上，鐵路業務應用根據實際形態，可選擇部署在站場應用服務器或MEC服務器上。匯聚機房需要打通MEC到5G核心網、到站場5G基站的路由。該方案中，MEC側UPF做業務分流，通過MEC分流策略將站場應用業務分流到站場應用服務器，滿足站場低時延和數據安全需求，并降低大容量數據回傳對承載網的壓力。

6.2 智能動車組車載MEC應用方案

為滿足智能動車組內視頻監控與處理、車載設備狀態監測與分析、旅客在途娛樂和行程管理等服務需求，利用運營商在鐵路沿線部署的5G網絡，通過車載終端設備（CPE）、車內覆蓋單元和車載MEC服務器，實現列車內部的5G信號覆蓋（見圖4）。其中，CPE作為室分空口，與沿線的地面基站進行信息傳輸；車內小基站的集中單元（CU）和分布式單元（DU）處理基帶信號，射頻拉遠單元（RRU）實現每個車廂的信號覆蓋，在列車車廂內劃分蜂窩網，提升系統的容量；車載MEC服務器包含UPF，通過在邊緣云服務器上部署視頻處理、監測數據分析、旅客服務等應用，提升動車組的智能運營和服務水平。

圖3 MEC在鐵路站場的應用

圖4 MEC在智能動車組的應用

7 結束語

介紹MEC的典型業務應用和國際標準進展；論述5G與MEC的融合架構，重點分析MEC的功能實體如何與5G核心網的各網絡功能進行交互；探討MEC的分流原理和部署位置；并針對智能鐵路在站場和動車組場景下的業務需求特點，分別提出2種工程可行的MEC部署方案。