鐵路5G網絡邊緣計算技術研究

葛偉濤

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

隨著大數據、云計算、物聯網、5G、BIM、北斗導航、人工智能等一系列新興技術的發展，國內邁入了智能鐵路時代。低時延、大帶寬、廣連接、高可靠是智能鐵路的重要技術特征。大量新興技術在智能鐵路上的應用，使鐵路數據量巨增，從而對鐵路的計算、傳輸、存儲資源提出了更高的要求。目前鐵路無線通信系統采用的是GSM-R 移動通信系統，其只能承載話音和少量的數據業務，已經無法滿足智能鐵路的需求。

5G 具有大帶寬、低時延、廣連接、高可靠等特點，符合智能鐵路數據傳輸需求。隨著5G 標準的推進以及在公網領域和垂直行業的成功應用，鐵路下一代專用移動通信系統將采用5G 技術。移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）是5G網絡的關鍵技術之一，不僅可以有效地減少端到端用戶時延，還可以降低網絡回傳帶寬需求，因此有必要對邊緣計算技術開展研究，助力鐵路5G 應用，加快智能鐵路建設。

1 邊緣計算網絡架構

MEC 網絡架構與傳統核心網、無線接入網不同，MEC 是在網絡邊緣靠近用戶側部署一種具備計算、存儲和IT 服務的系統。通俗地說，就是通過在網絡邊緣部署具備存儲、計算的網絡設備，提供低時延、高帶寬的網絡服務，以便于本地網絡快速獲取相關數據或服務，提升用戶體驗。

MEC 與5G 網絡結合，將互聯網概念融入了移動通信網，產生了融合移動通信網。MEC 通過本地分流降低網絡時延，給用戶帶來了極致的速度體驗，還節省了數據回傳至核心網時網絡的帶寬。MEC在網絡邊緣提供了計算、存儲服務，為移動網絡邊緣的多元接入提供了無限可能。

一般情況下，MEC 部署在5G 網絡邊緣靠近用戶側。MEC 與核心網的用戶面功能UPF 相連。MEC 可以充當應用服務或數據網絡的角色。邊緣計算與5G 的網絡架構如圖1 所示。

圖1 邊緣計算與5G的網絡架構Fig.1 Edge Computing and 5G network architecture

2 邊緣計算分流方案

邊緣計算技術其本質上是對特定的數據流量進行本地分流。3GPP 標準主要定義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數據網絡分流。

2.1 上行分類器分流

在5G 網絡中，是否對PDU 會話的數據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，決定為其插入一個上行分類器的UPF，或者刪除一個帶有上行分類器的UPF。帶有上行分類器的UPF 與SMF 的流過濾器進行對比，將某些流量進行分流。

2.2 IPv6多歸屬分流

多歸屬PDU 會話是指一個PDU 會話可能對應多個IPv6 前綴。多歸屬PDU 會話通過多個PDU會話錨點訪問數據網絡。各個PDU 會話錨點對應的數據通道最后都會匯聚于一個公共的UPF，這個公共的UPF 轉發上行流量到不同的PDU 會話錨點，并匯聚發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 會話的數據路徑上插入或者刪除這個公共的UPF。這個公共的UPF 根據SMF 下發的過濾規則，通過檢查數據包源IP 地址進行分流，向上轉發上行業務包到不同的PDU 錨點，向下將各個錨點轉發過來的數據合并。

2.3 本地數據網絡分流

本地數據網絡分流和應用的服務范圍區域有關。當用戶使用某個應用或服務時，一定是通過本地數據網絡訪問，當用戶的位置不在本地數據網絡的服務范圍內時，不能接入。為了支持本地數據網絡對訪問范圍的限制，5G 核心網的接入管理功能網元將本地數據網絡的名稱和服務范圍發送給終端，終端根據所處位置決定是否可以發起PDU 會話建立請求。SMF 判斷終端位于本地數據網服務范圍后下發策略給UPF， UPF 采用相關策略進行分流。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《鐵路5G 專網業務和功能需求暫行規范》（鐵科信[2021]63 號）（簡稱鐵路5G 需求規范），鐵路5G 專網未來將承載90 項業務，不同的業務的應用場景不同，對5G 網絡的時延、帶寬要求也不同，鐵路MEC 的分流方案需結合業務需求以及應用場景選擇相適應的方案。

3 鐵路5G網絡MEC部署建議

鐵路5G 網絡主要包括客站、貨站、鐵路線路、列車4 大應用場景。

3.1 客站

根據鐵路5G 需求規范，客站管理及信息傳送（包括語音通信、數據傳送、視頻通信、視頻傳送）、乘務管理及信息傳送（包括語音通信、數據傳送、視頻傳送）等業務將采用鐵路5G 專網承載。考慮到大型客站視頻業務大，這類eMBB 業務需要帶寬較大，為便于減小承載網回傳帶寬壓力，提升網絡傳輸效率，可在部分大型客站部署MEC 設備。為節約成本，小型車站可根據線路特點，就近利用大型客站的MEC 設備。客站邊緣計算組網示意如圖2 所示。

圖2 客站邊緣計算組網示意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，貨站有大量的調車作業。根據鐵路5G 需求規范，無線調車機車信號和監控系統信息傳送、遠程調車系統信息傳送、機車信號遠程監測信息傳送、養護維修作業、貨場貨運信息傳送、站場綜合自動信息傳送等業務將利用鐵路5G 專用網絡承載。這些信息傳送屬于高可靠、低時延的uRLLC 業務。為減小信息傳輸時延，可根據需要在貨站部署MEC 設備。貨站邊緣計算組網示意如圖3 所示。

圖3 貨站邊緣計算組網示意Fig.3 Edge computing networking diagram of freight station

3.3 線路

根據鐵路5G 需求規范，鐵路線路的災害防護與周界入侵監測信息傳送、空口及無線電干擾監測信息傳送、基礎設施動態綜合檢測信息傳送、基礎設施健康管理信息傳送、養護維修作業信息傳送、在途貨運信息傳送、公安通信、應急通信等業務將利用鐵路5G 專網承載。這些信息大部分屬于mMTC 業務，對傳輸帶寬和時延要求不高，因此可不設置MEC 設備。

3.4 列車

列車主要包括動車組、機車、車輛等，列車司機需與地面調度進行通信，還有大量的車載監控信息需與地面設備進行信息傳送。根據鐵路5G 需求規范，調度通信（包含語音、視頻）、司機通信、調度命令信息傳送、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、機車同步操控信息傳送、列控車載設備監測信息傳送、車載無線通信設備監測信息傳送、機車信號遠程監控、動車組司機操控信息傳送（包含語音、視頻）、機車遠程監測與診斷信息傳送等業務將利用鐵路5G 承載。這些業務涵蓋了eMBB、uRRLC、mMTC 等3 大應用場景，為減小系統時延、降低承載網傳輸壓力，建議在列車上部署MEC 設備。為保證列車內無線信號覆蓋質量，建議在列車內部署車載終端設備CPE，實現車-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）和射頻拉遠單元（RRU），實現車廂內信號覆蓋。列車邊緣計算組網示意如圖4 所示。

圖4 列車邊緣計算組網示意Fig.4 Train edge computing networking diagram

4 結束語

隨著行業內對鐵路5G 關鍵技術的研究，鐵路5G 專網業務需求、網絡架構、網絡功能以及覆蓋方案逐漸清晰，但其邊緣計算分流方案、部署原則、5G 網絡安全、運維管理等方面還需進一步研究。本文從5G 網絡邊緣計算的架構入手，分析了3 種主流的分流方案，并對其優缺點及應用場景進行介紹，最后結合鐵路業務需求，提出鐵路MEC 邊緣節點部署建議。