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(fā)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(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據業(yè)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(yè)的成功應用，鐵路下一代專用移動通信系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)。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(jié)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(fā)上行流量到不同的PDU 會話錨點，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(fā)的過濾規(guī)則，通過檢查數據包源IP 地址進行分流，向上轉發(fā)上行業(yè)務包到不同的PDU 錨點，向下將各個錨點轉發(fā)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(qū)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(fā)送給終端，終端根據所處位置決定是否可以發(fā)起PDU 會話建立請求。SMF 判斷終端位于本地數據網服務范圍后下發(fā)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(yè)務和功能需求暫行規(guī)范》（鐵科信[2021]63 號）（簡稱鐵路5G 需求規(guī)范），鐵路5G 專網未來將承載90 項業(yè)務，不同的業(yè)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(yè)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(guī)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(yè)務將采用鐵路5G 專網承載。考慮到大型客站視頻業(yè)務大，這類eMBB 業(yè)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(jié)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?？驼具吘売嬎憬M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(yè)。根據鐵路5G 需求規(guī)范，無線調車機車信號和監(jiān)控系統(tǒng)信息傳送、遠程調車系統(tǒng)信息傳送、機車信號遠程監(jiān)測信息傳送、養(yǎng)護維修作業(yè)、貨場貨運信息傳送、站場綜合自動信息傳送等業(yè)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(yè)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(guī)范，鐵路線路的災害防護與周界入侵監(jiān)測信息傳送、空口及無線電干擾監(jiān)測信息傳送、基礎設施動態(tài)綜合檢測信息傳送、基礎設施健康管理信息傳送、養(yǎng)護維修作業(yè)信息傳送、在途貨運信息傳送、公安通信、應急通信等業(yè)務將利用鐵路5G 專網承載。這些信息大部分屬于mMTC 業(yè)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(jiān)控信息需與地面設備進行信息傳送。根據鐵路5G 需求規(guī)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(jiān)測信息傳送、車載無線通信設備監(jiān)測信息傳送、機車信號遠程監(jiān)控、動車組司機操控信息傳送（包含語音、視頻）、機車遠程監(jiān)測與診斷信息傳送等業(yè)務將利用鐵路5G 承載。這些業(yè)務涵蓋了eMBB、uRRLC、mMTC 等3 大應用場景，為減小系統(tǒng)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(yè)內對鐵路5G 關鍵技術的研究，鐵路5G 專網業(yè)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(yōu)缺點及應用場景進行介紹，最后結合鐵路業(yè)務需求，提出鐵路MEC 邊緣節(jié)點部署建議。