边缘计算技术在铁路5G移动通信中的应用研究

2021-01-19李毅董根才蔺伟姜博柴金川

中国铁路 2020年11期

李毅，董根才，蔺伟，姜博，柴金川

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，北京100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司国家铁道试验中心，北京100081）

0 引言

智能铁路是铁路运输发展的必然方向，需要对铁路行车状态、设备健康状况、自然环境条件等信息进行全方位感知［1］。数据采集点增多，采集密度加大，数据内容进一步扩充，数据类型更加多样，铁路积累了大量实时业务数据和视频、图像、语音等非结构化数据，对现有通信系统的传输能力、数据中心的安全、存储和计算能力提出了更高要求。

目前，我国铁路通信系统主要以900 MHz铁路专用数字移动通信系统（GSM-R）和450 MHz的模拟无线列调系统为主，面临系统承载能力不足、频率资源紧张、生命周期即将终结等问题，不能有效满足智能铁路大容量数据的有效传输。大带宽类铁路应用通常利用公网运营商网络进行数据传输，存在隐私泄露和安全性不足等问题。此外，我国铁路已形成中国国家铁路集团有限公司、铁路局集团公司2级信息处理平台，信息机房布局基本形成，初步实现了计算和存储资源的共享［2］。但在铁路运输生产中，大量铁路应用部署在铁路沿线设施附近，现有信息平台面临处理实时性不高的问题。

第五代移动通信技术（5G）作为最新一代的信息通信技术，可有效满足增强型移动宽带、大规模物联网和超高可靠低时延通信三大应用场景的信息传输需求。5G系统在热点区域的峰值速率可达20 Gb/s；广域覆盖场景下的用户体验速率可达100 Mb/s；频谱效率与第四代移动通信技术（4G）相比提升3倍；能效优于4G网络；空中延迟低至1 ms；在高速场景下支持500 km/h的移动性；支持高达106个/km2的用户连接密度。边缘计算（MEC）是满足5G关键性能指标的关键技术之一，对推动5G技术在铁路行业的应用具有重要作用。

边缘计算是在移动网络的边缘整合信息化架构和云计算能力，利用无线接入网络就近提供低时延与高带宽的网络服务，在本地网络中实现各项内容、服务及应用的快速获取，提升用户体验。边缘计算使内容与应用下沉到本地存储，能够降低数据传输时延；支持本地路由和转发，数据不出园区，满足铁路行业的数据安全隐私需求；能够向第三方应用提供无线网络状态、位置和其他网络能力，优化所部署的应用性能；作为智慧网络的重要节点，提供算力和存储资源，使能大数据和人工智能，提升网络运维效率，改善网络性能。

研究如何将5G边缘计算技术应用于智能铁路，满足铁路业务的大带宽、低时延和数据安全需求，进一步提升铁路通信系统和信息处理平台的性能是非常必要的。

1 MEC典型业务应用

标准规范中［3］将MEC的应用对象分为终端消费者、运营商和行业三大类。其中，面向行业的应用主要包括:

（1）视频缓存、压缩和分析。对下行无线链路的吞吐量进行估计并提供给视频服务器，用于选择合适的视频编码码率并进行流量拥塞控制；对监测视频和传感数据进行压缩和实时分析，提取部分重要数据进行回传，降低承载网的数据传输压力。

（2）位置追踪。在GPS不能覆盖的区域，通过网络测量和定位算法，确定终端装置的实时位置。

（3）服务质量管理。为MEC上部署的应用提供在线性能监测功能，保障应用的服务质量等级。

（4）企业园区专网。提供本地分流功能，终端直接与本地MEC服务器进行数据传输，不需要访问远程的核心网和互联网，实现本地处理，保证数据不出园区。

（5）车联网通信。MEC服务器通过接收并分析车辆信息和路旁传感器信息，将事故预警信息及时发送给同一区域内的相邻车辆。

（6）面向特定用户群组的应用。通过接收核心网的用户组签约信息，MEC上部署的应用只向特定用户组提供服务。

（7）车载MEC设备。提供车载MEC主机，实现标准化车载通信平台，以支持安全相关、远程信息处理、导航及视频娱乐等不同类型业务的统一部署。

（8）计算密集型业务。终端可将计算和分析任务上传至MEC进行统一处理，以最大化电池使用时间，降低终端的自身造价和协作成本。

（9）工厂自动化。为工厂内的传感网络提供计算资源，存储敏感数据并进行大数据处理分析，发现异常检测数据。为工厂中的移动平台（机器人、自动导航车等）提供远程控制系统。

以铁路站场为例，可在MEC服务器上部署相关应用，实现电子自动派单、调车前方路况直传司机、机车灯显多媒体调度、机车远程监测与诊断（CMD）系统数据实时下载、高清视频监控、检修图像实时分析、机车实时定位等应用，提升站场的信息化水平。

以铁路列车为例，可在MEC服务器上部署相关应用，实现车载设备检测数据实时处理、列车监控视频实时分析、旅客在途娱乐和办公等服务，提升动车组的智能化水平。

2 MEC标准进展

MEC标准主要由欧洲电信标准协会（ETSI）和第三代合作伙伴计划（3GPP）两大标准组织制定。其中，ETSI负责制定边缘计算平台的参考架构、能力开放接口、应用场景、部署环境等。3GPP负责制定支持边缘计算的5G系统架构、分流机制和业务质量保障等。

ETSI标准制定分为3个阶段。第1阶段从2014年12月开始，发布了边缘计算的场景、需求、架构、接口等；第2阶段从2017年3月开始，完成了MEC和网络功能虚拟化（NFV）的架构融合，研究了应用迁移机制，支持非3GPP接入，分析了MEC在5G中的部署方式。目前正在进行第3个阶段，与行业开展合作，开展面向行业的平台能力设计。目前ETSI发布的MEC标准及主要内容见表1。

表1 ETSI制定的MEC标准及主要内容

3GPP R15和R16标准中，定义了5G网络对边缘计算的支持机制；核心网设计了3种不同的流量分流方式，满足不同场景下的分流需求；核心网的用户面功能网元（UPF）作为连接5G网络和边缘计算的交汇点，可根据业务需求灵活部署在核心网或本地；核心网的应用功能网元（AF）可以影响会话管理功能网元（SMF），进行UPF的选择和重选，支持UPF在本地按需增加和删除；边缘计算可以通过网络开放功能网元（NEF）与5G核心网进行信息交互等。3GPP制定的MEC标准及主要内容见表2。

表2 3GPP制定的MEC标准及主要内容

3 MEC架构

3.1 平台架构

标准定义的边缘计算架构主要由主机级、系统级2部分及各网元接口组成（见图1）［4］。主机级包括虚拟化基础设施（含数据平面）、MEC平台、MEC应用、虚拟化基础设施管理器和MEC平台管理器等；系统级包括MEC编排器、操作支持系统、应用生命周期管理代理等；接口包括与MEC平台的接口Mp、与网管的接口Mm、与外部实体的接口Mx等。

图1 MEC平台架构

3.1.1 MEC主机级

虚拟化基础设施可为MEC应用提供计算、存储和网络资源，其中包含的数据平面能够为接收数据执行转发和路由规则。

MEC平台为应用提供发布、发现、订阅、消费等服务能力，从MEC平台管理器接收流量转发规则，通过Mp2参考点下发给数据平面，并提供应用的状态监控功能。MEC平台还可以通过Mp3参考点与其他MEC平台进行通信和协作。通过Mp1参考点与MEC应用通信，完成生命周期、服务治理、流规则等相关交互。

MEC平台管理器控制应用程序的创建和终止，实现平台和流量过滤规则的配置，并且为MEC编排器提供应用相关事件的指示消息。

虚拟化基础设施管理器负责为MEC应用分配和释放计算、存储、网络资源。将虚拟资源的使用信息，通过Mm4、Mm6参考点分别上报给MEC编排器和MEC平台管理器。

3.1.2 MEC系统级

MEC编排器是MEC的核心功能，宏观掌控MEC网络的资源和容量，通过衡量用户需求和每个MEC主机的可用资源，为用户选择或切换到合适的主机。

操作支持系统从面向用户的服务门户和用户终端接收MEC应用的实例化或终止请求，检查应用数据的完整性和授权信息。

面向用户的服务门户相当于第三方接入点，可使用该接口将第三方应用接入运营商的MEC系统中。

用户应用生命周期代理是MEC用户请求应用相关的实例化和终止等服务的实体，负责对所有来自外部云的请求进行认证。

3.2 MEC与5G系统融合架构

MEC与5G系统的融合架构见图2，其中3GPP标准定义的5G系统见图左侧，ETSI标准定义的MEC系统架构见图右侧。MEC部署在5G系统外部的数据网络（DN）中，与核心网的UPF相连。MEC作为5G核心网的应用功能（AF），与核心网的策略控制功能网元（PCF）交互请求流量控制。以下重点描述MEC的功能实体如何与5G核心网的各网络功能（NF）进行交互［5］。

图2 MEC与5G的融合架构

5G核心网中的网络开放功能网元（NEF）用于域外不受信任的实体访问5G网络服务。NEF充当服务开放的集中节点，对来自系统外部访问请求进行鉴权。PCF用于处理5G系统中的策略和规则。PCF可以服务于MEC平台以影响流量控制规则。受信任的应用功能AF可以直接访问PCF，非授信的应用功能AF要通过NEF来访问PCF。

SMF在控制UPF和配置其分流策略等方面起着重要作用，通常在数据中心集中部署。SMF允许MEC作为5G系统的AF管理协议数据单元（PDU）会话、对策略设置和流量规则进行控制、订阅相关会话管理事件的通知。

UPF在MEC部署中起着关键作用。基于5G核心网的控制面和用户面分离式架构，UPF需要下沉到网络边缘部署，以减少传输时延，实现数据流量的本地分流。UPF的控制和路由规则配置遵循NEF—PCF—SMF的顺序。本地MEC AF将UPF分流规则告知PCF，PCF将分流策略配置给SMF，SMF对所有流量进行集中调度，将本地流量通过边缘UPF进行分流。

在图2右侧的MEC系统中，MEC编排器是1个MEC系统级功能实体，从5G核心网的角度，可作为外部应用功能AF与网络开放功能NEF交互。在MEC主机级别上，MEC平台可作为应用功能AF与5G系统的各NF交互。MEC主机通常部署在5G系统的数据网络DN中。

5G系统对MEC的支持，除选择UPF和配置流量导向规则外，还可为MEC提供无线网络信息（如接收信号功率/质量）、相关用户的位置和移动性时间、无线连接情况、策略和计费等相关服务，帮助在MEC主机上运行的应用程序进行性能和服务优化。

4 MEC分流方案

标准中定义了5G网络支持MEC的3种分流机制［6］，分别为上行分类器（UL-CL）、第六代互联网协议（IPv6）多归属和局域数据网络（LADN），实现边缘UPF的本地流量卸载。

（1）UL-CL。SMF根据需要在PDU会话的数据路径中插入UL-CL。支持UL-CL功能的UPF通过SMF下发的分流规则过滤上行数据包的IP目的地址，符合规则的数据包进行本地分流。

（2）IPv6多归属。1个PDU会话可能关联多个IPv6前缀，不同IPv6前缀通过公共UPF分别锚定到中心网络的UPF和本地数据网络的UPF。公共UPF支持分支点功能，通过SMF下发的分流规则，检查数据包源IP地址转发上行流量到不同PDU会话锚点，并聚合从不同PDU会话锚点发送到终端的下行数据流。

（3）LADN。LADN是一种特殊的数据网络，只允许终端在特定区域内访问该数据网络，超出该区域时则不允许终端访问。为了支持LADN对访问区域的限制，5G核心网的接入管理功能网元（AMF）将LADN的名称和服务区域发送给终端，终端根据所处位置决定是否可以发起LADN PDU会话建立。SMF判断终端位于LADN服务区域后下发策略给UPF，UPF采用相关策略进行分流。

上述MEC分流机制比较见表3。

表3 MEC分流机制比较

5 MEC部署位置

在5G网络架构中，MEC的部署位置以国际电信联盟（ITU）定义的三大场景为基础，综合考虑业务时延、带宽需求、数据安全、MEC服务范围、可用站址和机房等物理资源等，在MEC编排器的统一控制下部署。边缘计算服务器通常有3种部署位置:

（1）与基站共址。业务时延要求1～5 ms，用于车联网、无人机通信、自动化控制等低时延业务，需要部署的数量多。

（2）接入汇聚机房。业务时延要求5～10 ms，用于AR/VR和区域视频类等大带宽业务，需要部署的数量中等。

（3）核心汇聚机房。业务时延要求大于20 ms，用于物联网和中心控制类业务，需要部署的数量较少，MEC能够覆盖更大的区域。

对于铁路行业，根据业务需求灵活选择MEC服务器的部署位置，如铁路局集团公司核心网机房、大型车站和编组站的接入机房等。

6 MEC在智能铁路的应用

根据智能铁路业务需求和MEC技术特点，分别以站场场景和动车组车内场景为例，研究MEC的部署方案。

6.1 铁路站场MEC应用方案

铁路站场场景包括铁路车站（含站台面、站房内、地下通道等）、物流中心、编组站、机务段、车辆段、动车所等铁路作业区域。该场景特点是通信作业范围为面状区域，作业人员和车辆密集且业务量大，调车控制、自动驾驶、无线售票、机器人控制等业务对低时延需求较高，对生产作业过程中的数据安全和隐私性要求较高。因此，边缘计算技术可有效满足站场的上述需求。

MEC在铁路站场的应用方案见图3。其中，MEC服务器部署在站场接入汇聚机房，通过万兆网口与传输接入环传输设备对接，与站场应用服务器通过光纤或专线对接。MEC关键部件UPF/MEC平台部署在通用IT服务器上，铁路业务应用根据实际形态，可选择部署在站场应用服务器或MEC服务器上。汇聚机房需要打通MEC到5G核心网、到站场5G基站的路由。该方案中，MEC侧UPF做业务分流，通过MEC分流策略将站场应用业务分流到站场应用服务器，满足站场低时延和数据安全需求，并降低大容量数据回传对承载网的压力。

6.2 智能动车组车载MEC应用方案

为满足智能动车组内视频监控与处理、车载设备状态监测与分析、旅客在途娱乐和行程管理等服务需求，利用运营商在铁路沿线部署的5G网络，通过车载终端设备（CPE）、车内覆盖单元和车载MEC服务器，实现列车内部的5G信号覆盖（见图4）。其中，CPE作为室分空口，与沿线的地面基站进行信息传输；车内小基站的集中单元（CU）和分布式单元（DU）处理基带信号，射频拉远单元（RRU）实现每个车厢的信号覆盖，在列车车厢内划分蜂窝网，提升系统的容量；车载MEC服务器包含UPF，通过在边缘云服务器上部署视频处理、监测数据分析、旅客服务等应用，提升动车组的智能运营和服务水平。