基于GRE隧道的5G+MEC列控反向控制實現機制研究

楊躍平 俞春信

【摘要】? ? 當前城軌交通車地無線通信廣泛使用LTE-M網絡，隨著智慧軌道交通的發展，LTE-M技術瓶頸逐漸顯現，南京聯通提出基于5G+邊緣計算平臺的智慧軌道交通解決方案，利用5G大帶寬、低時延、廣連接特性，疊加MEC本地化平臺能力，以滿足智慧軌道交通對車地大數據回傳、低時延控制、差異化傳送通道等需求。

【關鍵詞】? ? 智慧城軌? ? 5G+MEC? ? 列控系統? ? GRE隧道? ? 反向控制

引言：

在現代交通運輸中，城軌交通系統是城市交通系統的重要組成部分，被稱為城市交通的主動脈。我國已開通城軌交通的城市共有47個，交通線路長度共計6730.27千米[1]，我國已是軌道交通強國。

基于通信的列控系統（CBTC）是城軌交通的大腦。隨著全自動系統的推廣及各廠家互聯互通系統的實施，各設備間的耦合度也越來越強，這也就對CBTC通信的時延和質量有了更高的要求[2]。而5G時代的到來賦能城軌交通為其智能化變革帶來新契機。

一、南京5G+MEC+智慧城軌項目

（一）項目背景

2019年12月，南京地鐵建設有限責任公司、西門子交通技術（北京）有限公司、中國聯合網絡通信有限公司南京市分公司聯合規劃，初期在地鐵2號線馬群車輛測試基地進行地鐵控制信號5G試點工作，協力在打造全國首個5G智慧軌道示范項目。

（二）5G+MEC方案

南京馬群車輛基地目前已完成對軌道、站臺、機房、車庫、檢修車間等場景基于NSA和SA的地鐵專網覆蓋，1.2KM模擬隧道場景的3.5GHz漏纜覆蓋，以及省內首個現場級MEC節點的搭建與調試。

如圖所示，其基于5G網絡能力和邊緣計算能力，通過UPF和算力下沉實現業務數據在運營商邊緣機房或客戶側機房的本地卸載，提升數據安全（不出園區）和快速響應（低時延）能力[3]。

（三） 智慧城軌

該項目已具備地鐵三大業務系統全部向MEC平臺的遷移條件并進行創新可行性研究：1.列控系統能實現更低的控制時延，提升安全性;2.車載大數據故障診斷系統能實現大數據的實時回傳;3.CCTV業務系統十個受邀廠家對行業應用進行測試。

二、列控反向控制問題原理

（一）列控系統

南京馬群地車輛基地在CBTC模式下使用的是西門子的TGMT（TrainGuard MT）移動閉塞信號系統。通過無線通信和無線定位技術，實現運行停車點、緊急停車、折返、速度監視和停車點監視、車地通信、巡航/惰行、計算車速、管理車次號/車組號和里程等功能[4]。

如圖3.1所示，TGMT列控系統反向控制流程：TGMT列控平臺->TGMT交換機-> FW -> GW -> DC -> UPF -> GW -> DC -> ASG ->基站->終端。

（二） 問題描述

列控系統進行控制調試時，由車載計算機向列控平臺發起的正向連接可以正常Ping通。經過測試分析，通過此連接可以有效回傳車輛數據至列控平臺，時延方面滿足標準要求。

但由列控平臺向車載計算機所發起的反向控制連接卻無法Ping通，從而導致列控平臺無法正常下發指令控制車輛運行。經過多次調試與分析，發現由于車載計算機位于5G終端后，使用的是私網地址。其使用網絡地址轉換協議（NAT）通過公用網關訪問Internet，私網的計算機可向Internet上的其他計算機發送連接請求，但Internet上其他的計算機無法向私網的計算機發送連接請求。基于私網地址對公共網絡的不可見性，所以由列控平臺發起的反向控制連接無法正常Ping通。

三、解決方案與效果

（一）解決方案

針對此問題，擬在MEC的UPF側與5G終端之間搭建一條GRE （Generic Routing Encapsulation）隧道。GRE是一種隧道技術，其特定示例是IP-in-IP隧道。連接兩個端點（MEC的UPF側和5G終端）的IP隧道充當IP骨干網的覆蓋，并且通過隧道發送的流量對于基礎骨干是不透明的。 實際上IP骨干網被用作鏈路層技術，并且隧道形成了被視為虛擬鏈路的點對點鏈路。以此來實現從列控平臺到車載計算機的聯通。

（二）測試環境

在5G+MEC專網環境下布置1.2KM的3.5GHz漏纜模擬城軌隧道場景信號覆蓋，通過使用TGMT列控系統，驗證所搭建的GRE隧道是否可以聯通車載計算機并下發控車指令，實現列控反向控制。

如表1所示，在地址為192.168.255.46的MEC端UPF側與地址為10.0.1.5的5G終端之間搭建一條GRE隧道。其中5G終端的虛擬接口IP設置為：10.10.10.1、UPF側的虛擬接口IP設置為：10.10.10.2。

（三）測試結果

使用Ping命令來檢測從列控平臺（使用Ubuntu系統，IP地址為：10.32.255.254）至車載計算機（IP地址為：10.32.48.1）的聯通性，每0.2秒Ping一次，每個包64字節，共Ping 581次，共發出581個包，收到581個包，丟包率為0%。其中最小反應時間為5.846ms，最大反應時間為102.562ms，平均反應時間為9.281ms，本機硬件耗費時間為4.456ms。結果表明，從列控平臺至車載計算機已成功聯通并可下發指令實現反向控制。時延方面也滿足行業5G標準要求。

四、結束語

南京地鐵馬群車輛基地作為全國首個承載智慧城軌交通的5G邊緣云平臺，該項目具有示范性意義。本文提出在MEC的UPF側和5G終端之間搭建一條GRE隧道，用來解決從列控平臺到私網內的車載計算機的反向聯通。測試結果表明通過搭建IP-in-IP的GRE隧道，從列控平臺成功Ping通車載計算機，并在時延方面也達到5G行業標準規范要求，實現列控反向控制。該解決方案也為5G+MEC信號領域的探索提供了范例。

作者單位：楊躍平? ? 俞春信? ? 南京聯通

參? 考? 文? 獻

[1]韓寶明， 陳佳豪， 楊運節， et al. 2019年世界城市軌道交通運營統計與分析綜述[J]. 都市快軌交通， 2020， v.33;No.161（01）：12-16.

[2] Zhu L， Yao D， Zhao H. Reliability Analysis of Next-Generation CBTC Data Communication Systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2019， 68（3）：2024-2034.

[3] Yang L ， Zhang H ， Li M ， et al. Mobile Edge Computing Empowered Energy Efficient Task Offloading in 5G[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2018：1-1.

[4]陳裕明， 李小兵， 閔鵬. 城軌交通西門子TGMT移動閉塞信號培訓測試系統[J]. 鐵道通信信號， 2019（3）.