鐵路5G網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算技術(shù)研究

葛偉濤

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、5G、BIM、北斗導(dǎo)航、人工智能等一系列新興技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)邁入了智能鐵路時(shí)代。低時(shí)延、大帶寬、廣連接、高可靠是智能鐵路的重要技術(shù)特征。大量新興技術(shù)在智能鐵路上的應(yīng)用，使鐵路數(shù)據(jù)量巨增，從而對鐵路的計(jì)算、傳輸、存儲資源提出了更高的要求。目前鐵路無線通信系統(tǒng)采用的是GSM-R 移動通信系統(tǒng)，其只能承載話音和少量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，已經(jīng)無法滿足智能鐵路的需求。

5G 具有大帶寬、低時(shí)延、廣連接、高可靠等特點(diǎn)，符合智能鐵路數(shù)據(jù)傳輸需求。隨著5G 標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)以及在公網(wǎng)領(lǐng)域和垂直行業(yè)的成功應(yīng)用，鐵路下一代專用移動通信系統(tǒng)將采用5G 技術(shù)。移動邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，不僅可以有效地減少端到端用戶時(shí)延，還可以降低網(wǎng)絡(luò)回傳帶寬需求，因此有必要對邊緣計(jì)算技術(shù)開展研究，助力鐵路5G 應(yīng)用，加快智能鐵路建設(shè)。

1 邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

MEC 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與傳統(tǒng)核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)不同，MEC 是在網(wǎng)絡(luò)邊緣靠近用戶側(cè)部署一種具備計(jì)算、存儲和IT 服務(wù)的系統(tǒng)。通俗地說，就是通過在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署具備存儲、計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，提供低時(shí)延、高帶寬的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以便于本地網(wǎng)絡(luò)快速獲取相關(guān)數(shù)據(jù)或服務(wù)，提升用戶體驗(yàn)。

MEC 與5G 網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，將互聯(lián)網(wǎng)概念融入了移動通信網(wǎng)，產(chǎn)生了融合移動通信網(wǎng)。MEC 通過本地分流降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，給用戶帶來了極致的速度體驗(yàn)，還節(jié)省了數(shù)據(jù)回傳至核心網(wǎng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的帶寬。MEC在網(wǎng)絡(luò)邊緣提供了計(jì)算、存儲服務(wù)，為移動網(wǎng)絡(luò)邊緣的多元接入提供了無限可能。

一般情況下，MEC 部署在5G 網(wǎng)絡(luò)邊緣靠近用戶側(cè)。MEC 與核心網(wǎng)的用戶面功能UPF 相連。MEC 可以充當(dāng)應(yīng)用服務(wù)或數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的角色。邊緣計(jì)算與5G 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 邊緣計(jì)算與5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Edge Computing and 5G network architecture

2 邊緣計(jì)算分流方案

邊緣計(jì)算技術(shù)其本質(zhì)上是對特定的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行本地分流。3GPP 標(biāo)準(zhǔn)主要定義3 種分流方案，分別為上行分類器分流、IPv6 多歸屬分流以及本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)分流。

2.1 上行分類器分流

在5G 網(wǎng)絡(luò)中，是否對PDU 會話的數(shù)據(jù)路徑上插入上行分配器是由SMF 決定的。SMF 在PDU會話建立或建立后，決定為其插入一個(gè)上行分類器的UPF，或者刪除一個(gè)帶有上行分類器的UPF。帶有上行分類器的UPF 與SMF 的流過濾器進(jìn)行對比，將某些流量進(jìn)行分流。

2.2 IPv6多歸屬分流

多歸屬PDU 會話是指一個(gè)PDU 會話可能對應(yīng)多個(gè)IPv6 前綴。多歸屬PDU 會話通過多個(gè)PDU會話錨點(diǎn)訪問數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)PDU 會話錨點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)通道最后都會匯聚于一個(gè)公共的UPF，這個(gè)公共的UPF 轉(zhuǎn)發(fā)上行流量到不同的PDU 會話錨點(diǎn)，并匯聚發(fā)送到終端的下行流量。在PDU 會話建立過程中或者建立后，SMF 決定在PDU 會話的數(shù)據(jù)路徑上插入或者刪除這個(gè)公共的UPF。這個(gè)公共的UPF 根據(jù)SMF 下發(fā)的過濾規(guī)則，通過檢查數(shù)據(jù)包源IP 地址進(jìn)行分流，向上轉(zhuǎn)發(fā)上行業(yè)務(wù)包到不同的PDU 錨點(diǎn)，向下將各個(gè)錨點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)合并。

2.3 本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)分流

本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)分流和應(yīng)用的服務(wù)范圍區(qū)域有關(guān)。當(dāng)用戶使用某個(gè)應(yīng)用或服務(wù)時(shí)，一定是通過本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)訪問，當(dāng)用戶的位置不在本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)范圍內(nèi)時(shí)，不能接入。為了支持本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)對訪問范圍的限制，5G 核心網(wǎng)的接入管理功能網(wǎng)元將本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的名稱和服務(wù)范圍發(fā)送給終端，終端根據(jù)所處位置決定是否可以發(fā)起PDU 會話建立請求。SMF 判斷終端位于本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)服務(wù)范圍后下發(fā)策略給UPF， UPF 采用相關(guān)策略進(jìn)行分流。3 種分流方案對比如表1 所示。

表1 3種分流方案對比Tab.1 Comparison of three diversion schemes

根據(jù)《鐵路5G 專網(wǎng)業(yè)務(wù)和功能需求暫行規(guī)范》（鐵科信[2021]63 號）（簡稱鐵路5G 需求規(guī)范），鐵路5G 專網(wǎng)未來將承載90 項(xiàng)業(yè)務(wù)，不同的業(yè)務(wù)的應(yīng)用場景不同，對5G 網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、帶寬要求也不同，鐵路MEC 的分流方案需結(jié)合業(yè)務(wù)需求以及應(yīng)用場景選擇相適應(yīng)的方案。

3 鐵路5G網(wǎng)絡(luò)MEC部署建議

鐵路5G 網(wǎng)絡(luò)主要包括客站、貨站、鐵路線路、列車4 大應(yīng)用場景。

3.1 客站

根據(jù)鐵路5G 需求規(guī)范，客站管理及信息傳送（包括語音通信、數(shù)據(jù)傳送、視頻通信、視頻傳送）、乘務(wù)管理及信息傳送（包括語音通信、數(shù)據(jù)傳送、視頻傳送）等業(yè)務(wù)將采用鐵路5G 專網(wǎng)承載。考慮到大型客站視頻業(yè)務(wù)大，這類eMBB 業(yè)務(wù)需要帶寬較大，為便于減小承載網(wǎng)回傳帶寬壓力，提升網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，可在部分大型客站部署MEC 設(shè)備。為節(jié)約成本，小型車站可根據(jù)線路特點(diǎn)，就近利用大型客站的MEC 設(shè)備。客站邊緣計(jì)算組網(wǎng)示意如圖2 所示。

圖2 客站邊緣計(jì)算組網(wǎng)示意Fig.2 Edge computing networking diagram of passenger station

3.2 貨站

鐵路貨站主要包括物流基地、編組站（場）等，貨站有大量的調(diào)車作業(yè)。根據(jù)鐵路5G 需求規(guī)范，無線調(diào)車機(jī)車信號和監(jiān)控系統(tǒng)信息傳送、遠(yuǎn)程調(diào)車系統(tǒng)信息傳送、機(jī)車信號遠(yuǎn)程監(jiān)測信息傳送、養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)、貨場貨運(yùn)信息傳送、站場綜合自動信息傳送等業(yè)務(wù)將利用鐵路5G 專用網(wǎng)絡(luò)承載。這些信息傳送屬于高可靠、低時(shí)延的uRLLC 業(yè)務(wù)。為減小信息傳輸時(shí)延，可根據(jù)需要在貨站部署MEC 設(shè)備。貨站邊緣計(jì)算組網(wǎng)示意如圖3 所示。

圖3 貨站邊緣計(jì)算組網(wǎng)示意Fig.3 Edge computing networking diagram of freight station

3.3 線路

根據(jù)鐵路5G 需求規(guī)范，鐵路線路的災(zāi)害防護(hù)與周界入侵監(jiān)測信息傳送、空口及無線電干擾監(jiān)測信息傳送、基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)綜合檢測信息傳送、基礎(chǔ)設(shè)施健康管理信息傳送、養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)信息傳送、在途貨運(yùn)信息傳送、公安通信、應(yīng)急通信等業(yè)務(wù)將利用鐵路5G 專網(wǎng)承載。這些信息大部分屬于mMTC 業(yè)務(wù)，對傳輸帶寬和時(shí)延要求不高，因此可不設(shè)置MEC 設(shè)備。

3.4 列車

列車主要包括動車組、機(jī)車、車輛等，列車司機(jī)需與地面調(diào)度進(jìn)行通信，還有大量的車載監(jiān)控信息需與地面設(shè)備進(jìn)行信息傳送。根據(jù)鐵路5G 需求規(guī)范，調(diào)度通信（包含語音、視頻）、司機(jī)通信、調(diào)度命令信息傳送、車次號信息傳送、列控信息傳送、自動駕駛信息傳送、車-車通信、超視距信息傳送、機(jī)車同步操控信息傳送、列控車載設(shè)備監(jiān)測信息傳送、車載無線通信設(shè)備監(jiān)測信息傳送、機(jī)車信號遠(yuǎn)程監(jiān)控、動車組司機(jī)操控信息傳送（包含語音、視頻）、機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷信息傳送等業(yè)務(wù)將利用鐵路5G 承載。這些業(yè)務(wù)涵蓋了eMBB、uRRLC、mMTC 等3 大應(yīng)用場景，為減小系統(tǒng)時(shí)延、降低承載網(wǎng)傳輸壓力，建議在列車上部署MEC 設(shè)備。為保證列車內(nèi)無線信號覆蓋質(zhì)量，建議在列車內(nèi)部署車載終端設(shè)備CPE，實(shí)現(xiàn)車-地信息傳輸；部署車載小基站集中處理單元（CU）、分布式單元（DU）和射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU），實(shí)現(xiàn)車廂內(nèi)信號覆蓋。列車邊緣計(jì)算組網(wǎng)示意如圖4 所示。

圖4 列車邊緣計(jì)算組網(wǎng)示意Fig.4 Train edge computing networking diagram

4 結(jié)束語

隨著行業(yè)內(nèi)對鐵路5G 關(guān)鍵技術(shù)的研究，鐵路5G 專網(wǎng)業(yè)務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)功能以及覆蓋方案逐漸清晰，但其邊緣計(jì)算分流方案、部署原則、5G 網(wǎng)絡(luò)安全、運(yùn)維管理等方面還需進(jìn)一步研究。本文從5G 網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算的架構(gòu)入手，分析了3 種主流的分流方案，并對其優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場景進(jìn)行介紹，最后結(jié)合鐵路業(yè)務(wù)需求，提出鐵路MEC 邊緣節(jié)點(diǎn)部署建議。