軌道交通邊緣計算應用研究

胡爽 王曉暉 李亞楠?

摘要： 在軌道交通行業(yè)中，CBTC、PIS等業(yè)務場景對時延和帶寬等傳輸質量具有較高的要求，若計算和存儲能力只有核心網側提供，則處理大量的業(yè)務數(shù)據都需要在核心網側才能進行，將會導致帶寬競爭激烈及網絡擁塞嚴重等問題，同時降低時延敏感性業(yè)務的傳輸質量。為解決上述問題，文章分析了邊緣計算的關鍵技術，針對軌道交通業(yè)務需求高的特點，論文提出了基于公網設施的邊緣云方案，并對MEC進行了時延和速率等重要指標的相關測試，驗證了邊緣計算方案的合理性和可行性。

關鍵詞：軌道交通;核心網;MEC

一、引言

MEC將云資源池和云平臺部署在靠近對象和數(shù)據源的網絡邊緣，MEC 可以在離數(shù)據源較近的本地網絡上運行，而且數(shù)據不用直接上傳到云端，降低了數(shù)據傳輸過程中的時延和成本，減少了傳輸網絡和核心網絡的擁堵和負擔，大大減輕了網絡帶寬的競爭壓力;一方面MEC 具備云計算資源的基本功能，另一方面MEC能夠將開放網絡與大數(shù)據/云計算相結合，通過相關的應用程序將MEC部署在網絡邊緣，可以明顯提升用戶的業(yè)務體驗，邊緣計算的場景要求如表1所示。

邊緣計算是保障通信效果并提供計算能力的重要手段，它將應用靠近軌道交通系統(tǒng)部署，能夠降低數(shù)據傳輸時延，支撐多樣化本地應用，滿足軌道交通行業(yè)多種業(yè)務需求（如PIS、IMS、CBTC等）的重要技術基礎。本文從邊緣計算的關鍵技術入手，研究了軌道交通中邊緣計算的應用，提出了基于公網設施的邊緣云方案，將MEC部署在終端側附近，實現(xiàn)業(yè)務之間的安全隔離，為終端提供專用的網絡和應用資源，最后進行了MEC測試，測試結果表明MEC發(fā)揮和大網同樣的水平，減少了時延，實現(xiàn)了數(shù)據的高速率、高可靠傳輸。

二、軌道交通邊緣計算關鍵技術

軌道交通領域存在數(shù)據量多、數(shù)據管理與處理復雜、多設備訪問數(shù)據集成和資源規(guī)劃與分配困難等問題，而邊緣計算正是解決上述一系列問題的最佳方法。邊緣計算主要包括邊緣智能、異構計算、互聯(lián)互通等關鍵技術，通過邊緣智能、異構計算等核心技術，邊緣計算可以提高數(shù)據管理和分析的能力;利用微服務和技術遷移等關鍵技術，邊緣計算可以解決資源利用效率和平臺服務能力低等問題。

（一）邊緣智能

邊緣智能提供了數(shù)據聚合、邊緣分析和建模的功能，是實現(xiàn)數(shù)字化轉變的關鍵技術。邊緣智能通過相關功能，可以加速邊緣節(jié)點的智能化推理，提升多節(jié)點智能訓練算法的效率，大大降低數(shù)據傳輸?shù)臅r延和內存使用等方面，實現(xiàn)一種輕量級、低延遲、高性能的 AI 計算框架。

（二）異構計算

異構計算是一種集成了不同結構的不同指令集和計算單元的構架，該構架發(fā)揮了不同指令集/計算單元的優(yōu)勢，可用于對不同類型的數(shù)據進行融合處理和內容分析，挖掘出數(shù)據中有用的信息和有效的數(shù)據，進而提升不同設備狀態(tài)檢測的精度和準確率，實現(xiàn)了低功耗、低成本、高性能、高可移植性等方面的平衡。

（三）互聯(lián)互通

互聯(lián)互通技術是將不同技術進行結合，從而滿足各種應用場景的傳輸需求，實現(xiàn)不同工業(yè)/軌道交通場景邊緣設備的接入，實現(xiàn)網絡互聯(lián)，使得軌道交通系統(tǒng)能夠快速調整和優(yōu)化車間設備網絡拓撲結構，大大提升網絡化協(xié)同制造和管理的靈活性。

（四）微服務

微服務是一種圍繞特定的業(yè)務功能構建的一組獨立可部署服務，每個應用程序都在獨立的微服務進程中運行，選擇一種資源消耗較少的輕量級通信機制，將其部署在邊緣端，降低了微服務的集中化管理。同時，采用不用的數(shù)據存書技術，提升異構邊緣計算資源的靈活性。

（五）計算遷移

計算遷移是一種將資源密集、計算量大的任務轉移到計算資源充足的設備上進行處理的方法，這種方法實現(xiàn)了資源的合理利用和調度，提高了設備的計算效率。邊緣計算遷移的過程如下：首先對邊緣設備采集和生成的大量數(shù)據進行預處理，去除掉其中的無效數(shù)據，減少數(shù)據傳輸中帶寬的占用;然后按照設備的需求進行動態(tài)規(guī)劃，將數(shù)據合理分配給邊緣設備進行處理，保證設備的計算資源充足，預防任務超載從而降低計算效率的情況。

三、基于公網設施的邊緣云方案

面對軌道交通應用的特點，傳統(tǒng)的大規(guī)模集中式通信已經不能滿足需求，MEC 邊緣云應運而生。MEC 作為5G演進中的一項關鍵技術，以超低延遲、超大帶寬、定位化、高實時分析和處理等特點，為移動網絡邊緣的邊緣應用提供了云計算能力和 IT 服務環(huán)境。將MEC設備部署在整個網絡架構的邊緣，同時在終端設備上運行邊緣服務，提高網絡的反饋速率，實現(xiàn)數(shù)據傳輸?shù)脱舆t。MEC 減少了計算能力，提供了智能業(yè)務調度，不僅可以提高用戶的業(yè)務體驗，而且可以降低骨干傳輸網的資源消耗。基于公網設施的邊緣云方案如圖1所示，圖中UDM、PCF、AMF等控制面網元共享;N3將5G網絡的數(shù)據流量傳輸?shù)絆CC機房MEC設備的UPF中，通過UPF將PCF和AF中的本地流量進行卸載，而N9將非本地流量傳輸?shù)胶诵木W進而上傳到公網，實現(xiàn)了本地數(shù)據流量不上傳公網，僅在軌道交通系統(tǒng)內部傳輸?shù)倪吘壴品桨浮?/p>

四、MEC測試

（一）背景

為驗證某地區(qū)自動駕駛道路基站接入MEC服務器的分流效果和網絡性能改善情況，故進行本測試。連接MEC IP和公網IP地址，在同一個位置，相同測試終端，進行PING，及數(shù)據DL對比測試。

（二）測試結果分析

在速率測試中，采用直接的HTTP連接下載，內網下載速率為904.29mbps，外網下載速率為1110.18mbps，內網速度為外網速度的81.45%左右，測試結果如圖2所示。

在時延測試中，直接用測試軟件對內外網服務器進行發(fā)起ping服務，來進行端到端回環(huán)時延測試，本次評估分為大包測試（2000 byte）和小包測試（32 byte），其結果如圖3所示。

綜上所述，在速率測試中MEC發(fā)揮和大網同樣的水平，下載速率會受到服務器本身影響;通過對比驗證測試，接入MEC服務器后，平均時延較公網服務器縮短5ms下載，速率同公網服務器對比，無異常波動，SA模式平均下載速率在900Mbps以上。

五、結束語

邊緣計算能夠有效為用戶提供低時延、高可用性的服務，減少核心網數(shù)據傳輸?shù)膲毫Γ瑸檐壍澜煌▽＞W建設提供了基礎，加強了軌道交通與5G技術的融合，提高了軌道交通中各種業(yè)務服務質量。本文將軌道交通與邊緣計算技術相結合，提出了基于公共設施的邊緣云方案，提高了軌道交通傳輸?shù)膶崟r性，實現(xiàn)了數(shù)據的低時延和高可靠。然而相較于核心網云計算中心，處于網絡邊緣側的邊緣計算設施通常直接暴露于存在安全威脅的網絡環(huán)境中，因此對邊緣計算的安全研究將會是下一步的重點。

作者單位：胡爽? ? 王曉暉? ? 李亞楠? ? 濟南軌道交通集團有限公司

參? 考? 文? 獻

[1]尹曉東.基于邊緣計算的軌道交通智慧運控平臺解決方案[J].自動化博覽，2021，38（02）：104-107.

[2]劉佳佳，吳昊，李盼盼.鐵路5G移動通信系統(tǒng)邊緣計算安全研究[J].計算機工程與應用，2021，57（12）：1-10.

[3]張博，余曉君，衛(wèi)建芳，郭昕蓓.城市軌道交通5G虛擬專網建設方案研究[J].電子技術應用，2021，47（05）：19-24.

[4]李士東，戴克平.5G在城市軌道交通行業(yè)中的應用分析[J].鐵道通信信號，2020，56（07）：89-93.

[5]李成，高韻，張生太.MEC應用場景及商業(yè)模式分析[J].郵電設計技術，2021（10）：42-47.

[6]韓超鼎. 面向軌道交通的邊緣緩存技術研究[D].中國石油大學（北京），2018.

[7]高洪皓，殷昱煜，夏云霓，等.智能化邊緣計算專題序言[J].計算機科學，2021，48（01）：3-6.

[8]曾黃宇.基于分布式邊緣服務架構的地鐵自動售檢票系統(tǒng)研究[J].電子技術與軟件工程，2020（23）：20-21.

[9]李士東，戴克平.5G在城市軌道交通行業(yè)中的應用分析[J].鐵道通信信號，2020，56（07）：89-93.

[10]王悅婷.城市軌道交通通信信號智慧化運維系統(tǒng)框架研究[J].城市軌道交通研究，2020，23（S2）：111-114.