邊緣計(jì)算技術(shù)在鐵路5G移動(dòng)通信中的應(yīng)用研究

李毅，董根才，藺偉，姜博，柴金川

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所，北京100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心，北京100081）

0 引言

智能鐵路是鐵路運(yùn)輸發(fā)展的必然方向，需要對(duì)鐵路行車(chē)狀態(tài)、設(shè)備健康狀況、自然環(huán)境條件等信息進(jìn)行全方位感知［1］。數(shù)據(jù)采集點(diǎn)增多，采集密度加大，數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)一步擴(kuò)充，數(shù)據(jù)類(lèi)型更加多樣，鐵路積累了大量實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和視頻、圖像、語(yǔ)音等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)有通信系統(tǒng)的傳輸能力、數(shù)據(jù)中心的安全、存儲(chǔ)和計(jì)算能力提出了更高要求。

目前，我國(guó)鐵路通信系統(tǒng)主要以900 MHz鐵路專(zhuān)用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM-R）和450 MHz的模擬無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)為主，面臨系統(tǒng)承載能力不足、頻率資源緊張、生命周期即將終結(jié)等問(wèn)題，不能有效滿足智能鐵路大容量數(shù)據(jù)的有效傳輸。大帶寬類(lèi)鐵路應(yīng)用通常利用公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，存在隱私泄露和安全性不足等問(wèn)題。此外，我國(guó)鐵路已形成中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司、鐵路局集團(tuán)公司2級(jí)信息處理平臺(tái)，信息機(jī)房布局基本形成，初步實(shí)現(xiàn)了計(jì)算和存儲(chǔ)資源的共享［2］。但在鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)中，大量鐵路應(yīng)用部署在鐵路沿線設(shè)施附近，現(xiàn)有信息平臺(tái)面臨處理實(shí)時(shí)性不高的問(wèn)題。

第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）作為最新一代的信息通信技術(shù)，可有效滿足增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)和超高可靠低時(shí)延通信三大應(yīng)用場(chǎng)景的信息傳輸需求。5G系統(tǒng)在熱點(diǎn)區(qū)域的峰值速率可達(dá)20 Gb/s；廣域覆蓋場(chǎng)景下的用戶體驗(yàn)速率可達(dá)100 Mb/s；頻譜效率與第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4G）相比提升3倍；能效優(yōu)于4G網(wǎng)絡(luò)；空中延遲低至1 ms；在高速場(chǎng)景下支持500 km/h的移動(dòng)性；支持高達(dá)106個(gè)/km2的用戶連接密度。邊緣計(jì)算（MEC）是滿足5G關(guān)鍵性能指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)推動(dòng)5G技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用具有重要作用。

邊緣計(jì)算是在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣整合信息化架構(gòu)和云計(jì)算能力，利用無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)就近提供低時(shí)延與高帶寬的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，在本地網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)內(nèi)容、服務(wù)及應(yīng)用的快速獲取，提升用戶體驗(yàn)。邊緣計(jì)算使內(nèi)容與應(yīng)用下沉到本地存儲(chǔ)，能夠降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延；支持本地路由和轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)不出園區(qū)，滿足鐵路行業(yè)的數(shù)據(jù)安全隱私需求；能夠向第三方應(yīng)用提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、位置和其他網(wǎng)絡(luò)能力，優(yōu)化所部署的應(yīng)用性能；作為智慧網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)，提供算力和存儲(chǔ)資源，使能大數(shù)據(jù)和人工智能，提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維效率，改善網(wǎng)絡(luò)性能。

研究如何將5G邊緣計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于智能鐵路，滿足鐵路業(yè)務(wù)的大帶寬、低時(shí)延和數(shù)據(jù)安全需求，進(jìn)一步提升鐵路通信系統(tǒng)和信息處理平臺(tái)的性能是非常必要的。

1 MEC典型業(yè)務(wù)應(yīng)用

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中［3］將MEC的應(yīng)用對(duì)象分為終端消費(fèi)者、運(yùn)營(yíng)商和行業(yè)三大類(lèi)。其中，面向行業(yè)的應(yīng)用主要包括:

（1）視頻緩存、壓縮和分析。對(duì)下行無(wú)線鏈路的吞吐量進(jìn)行估計(jì)并提供給視頻服務(wù)器，用于選擇合適的視頻編碼碼率并進(jìn)行流量擁塞控制；對(duì)監(jiān)測(cè)視頻和傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和實(shí)時(shí)分析，提取部分重要數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳，降低承載網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸壓力。

（2）位置追蹤。在GPS不能覆蓋的區(qū)域，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和定位算法，確定終端裝置的實(shí)時(shí)位置。

（3）服務(wù)質(zhì)量管理。為MEC上部署的應(yīng)用提供在線性能監(jiān)測(cè)功能，保障應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量等級(jí)。

（4）企業(yè)園區(qū)專(zhuān)網(wǎng)。提供本地分流功能，終端直接與本地MEC服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不需要訪問(wèn)遠(yuǎn)程的核心網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)本地處理，保證數(shù)據(jù)不出園區(qū)。

（5）車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信。MEC服務(wù)器通過(guò)接收并分析車(chē)輛信息和路旁傳感器信息，將事故預(yù)警信息及時(shí)發(fā)送給同一區(qū)域內(nèi)的相鄰車(chē)輛。

（6）面向特定用戶群組的應(yīng)用。通過(guò)接收核心網(wǎng)的用戶組簽約信息，MEC上部署的應(yīng)用只向特定用戶組提供服務(wù)。

（7）車(chē)載MEC設(shè)備。提供車(chē)載MEC主機(jī)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化車(chē)載通信平臺(tái)，以支持安全相關(guān)、遠(yuǎn)程信息處理、導(dǎo)航及視頻娛樂(lè)等不同類(lèi)型業(yè)務(wù)的統(tǒng)一部署。

（8）計(jì)算密集型業(yè)務(wù)。終端可將計(jì)算和分析任務(wù)上傳至MEC進(jìn)行統(tǒng)一處理，以最大化電池使用時(shí)間，降低終端的自身造價(jià)和協(xié)作成本。

（9）工廠自動(dòng)化。為工廠內(nèi)的傳感網(wǎng)絡(luò)提供計(jì)算資源，存儲(chǔ)敏感數(shù)據(jù)并進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理分析，發(fā)現(xiàn)異常檢測(cè)數(shù)據(jù)。為工廠中的移動(dòng)平臺(tái)（機(jī)器人、自動(dòng)導(dǎo)航車(chē)等）提供遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

以鐵路站場(chǎng)為例，可在MEC服務(wù)器上部署相關(guān)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電子自動(dòng)派單、調(diào)車(chē)前方路況直傳司機(jī)、機(jī)車(chē)燈顯多媒體調(diào)度、機(jī)車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷（CMD）系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下載、高清視頻監(jiān)控、檢修圖像實(shí)時(shí)分析、機(jī)車(chē)實(shí)時(shí)定位等應(yīng)用，提升站場(chǎng)的信息化水平。

以鐵路列車(chē)為例，可在MEC服務(wù)器上部署相關(guān)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)車(chē)載設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、列車(chē)監(jiān)控視頻實(shí)時(shí)分析、旅客在途娛樂(lè)和辦公等服務(wù)，提升動(dòng)車(chē)組的智能化水平。

2 MEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

MEC標(biāo)準(zhǔn)主要由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）和第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）兩大標(biāo)準(zhǔn)組織制定。其中，ETSI負(fù)責(zé)制定邊緣計(jì)算平臺(tái)的參考架構(gòu)、能力開(kāi)放接口、應(yīng)用場(chǎng)景、部署環(huán)境等。3GPP負(fù)責(zé)制定支持邊緣計(jì)算的5G系統(tǒng)架構(gòu)、分流機(jī)制和業(yè)務(wù)質(zhì)量保障等。

ETSI標(biāo)準(zhǔn)制定分為3個(gè)階段。第1階段從2014年12月開(kāi)始，發(fā)布了邊緣計(jì)算的場(chǎng)景、需求、架構(gòu)、接口等；第2階段從2017年3月開(kāi)始，完成了MEC和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）的架構(gòu)融合，研究了應(yīng)用遷移機(jī)制，支持非3GPP接入，分析了MEC在5G中的部署方式。目前正在進(jìn)行第3個(gè)階段，與行業(yè)開(kāi)展合作，開(kāi)展面向行業(yè)的平臺(tái)能力設(shè)計(jì)。目前ETSI發(fā)布的MEC標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 ETSI制定的MEC標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容

3GPP R15和R16標(biāo)準(zhǔn)中，定義了5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)邊緣計(jì)算的支持機(jī)制；核心網(wǎng)設(shè)計(jì)了3種不同的流量分流方式，滿足不同場(chǎng)景下的分流需求；核心網(wǎng)的用戶面功能網(wǎng)元（UPF）作為連接5G網(wǎng)絡(luò)和邊緣計(jì)算的交匯點(diǎn)，可根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活部署在核心網(wǎng)或本地；核心網(wǎng)的應(yīng)用功能網(wǎng)元（AF）可以影響會(huì)話管理功能網(wǎng)元（SMF），進(jìn)行UPF的選擇和重選，支持UPF在本地按需增加和刪除；邊緣計(jì)算可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放功能網(wǎng)元（NEF）與5G核心網(wǎng)進(jìn)行信息交互等。3GPP制定的MEC標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容見(jiàn)表2。

表2 3GPP制定的MEC標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容

3 MEC架構(gòu)

3.1 平臺(tái)架構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)定義的邊緣計(jì)算架構(gòu)主要由主機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)2部分及各網(wǎng)元接口組成（見(jiàn)圖1）［4］。主機(jī)級(jí)包括虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施（含數(shù)據(jù)平面）、MEC平臺(tái)、MEC應(yīng)用、虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施管理器和MEC平臺(tái)管理器等；系統(tǒng)級(jí)包括MEC編排器、操作支持系統(tǒng)、應(yīng)用生命周期管理代理等；接口包括與MEC平臺(tái)的接口Mp、與網(wǎng)管的接口Mm、與外部實(shí)體的接口Mx等。

圖1 MEC平臺(tái)架構(gòu)

3.1.1 MEC主機(jī)級(jí)

虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施可為MEC應(yīng)用提供計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源，其中包含的數(shù)據(jù)平面能夠?yàn)榻邮諗?shù)據(jù)執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)和路由規(guī)則。

MEC平臺(tái)為應(yīng)用提供發(fā)布、發(fā)現(xiàn)、訂閱、消費(fèi)等服務(wù)能力，從MEC平臺(tái)管理器接收流量轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，通過(guò)Mp2參考點(diǎn)下發(fā)給數(shù)據(jù)平面，并提供應(yīng)用的狀態(tài)監(jiān)控功能。MEC平臺(tái)還可以通過(guò)Mp3參考點(diǎn)與其他MEC平臺(tái)進(jìn)行通信和協(xié)作。通過(guò)Mp1參考點(diǎn)與MEC應(yīng)用通信，完成生命周期、服務(wù)治理、流規(guī)則等相關(guān)交互。

MEC平臺(tái)管理器控制應(yīng)用程序的創(chuàng)建和終止，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)和流量過(guò)濾規(guī)則的配置，并且為MEC編排器提供應(yīng)用相關(guān)事件的指示消息。

虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施管理器負(fù)責(zé)為MEC應(yīng)用分配和釋放計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源。將虛擬資源的使用信息，通過(guò)Mm4、Mm6參考點(diǎn)分別上報(bào)給MEC編排器和MEC平臺(tái)管理器。

3.1.2 MEC系統(tǒng)級(jí)

MEC編排器是MEC的核心功能，宏觀掌控MEC網(wǎng)絡(luò)的資源和容量，通過(guò)衡量用戶需求和每個(gè)MEC主機(jī)的可用資源，為用戶選擇或切換到合適的主機(jī)。

操作支持系統(tǒng)從面向用戶的服務(wù)門(mén)戶和用戶終端接收MEC應(yīng)用的實(shí)例化或終止請(qǐng)求，檢查應(yīng)用數(shù)據(jù)的完整性和授權(quán)信息。

面向用戶的服務(wù)門(mén)戶相當(dāng)于第三方接入點(diǎn)，可使用該接口將第三方應(yīng)用接入運(yùn)營(yíng)商的MEC系統(tǒng)中。

用戶應(yīng)用生命周期代理是MEC用戶請(qǐng)求應(yīng)用相關(guān)的實(shí)例化和終止等服務(wù)的實(shí)體，負(fù)責(zé)對(duì)所有來(lái)自外部云的請(qǐng)求進(jìn)行認(rèn)證。

3.2 MEC與5G系統(tǒng)融合架構(gòu)

MEC與5G系統(tǒng)的融合架構(gòu)見(jiàn)圖2，其中3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的5G系統(tǒng)見(jiàn)圖左側(cè)，ETSI標(biāo)準(zhǔn)定義的MEC系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖右側(cè)。MEC部署在5G系統(tǒng)外部的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（DN）中，與核心網(wǎng)的UPF相連。MEC作為5G核心網(wǎng)的應(yīng)用功能（AF），與核心網(wǎng)的策略控制功能網(wǎng)元（PCF）交互請(qǐng)求流量控制。以下重點(diǎn)描述MEC的功能實(shí)體如何與5G核心網(wǎng)的各網(wǎng)絡(luò)功能（NF）進(jìn)行交互［5］。

圖2 MEC與5G的融合架構(gòu)

5G核心網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放功能網(wǎng)元（NEF）用于域外不受信任的實(shí)體訪問(wèn)5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。NEF充當(dāng)服務(wù)開(kāi)放的集中節(jié)點(diǎn)，對(duì)來(lái)自系統(tǒng)外部訪問(wèn)請(qǐng)求進(jìn)行鑒權(quán)。PCF用于處理5G系統(tǒng)中的策略和規(guī)則。PCF可以服務(wù)于MEC平臺(tái)以影響流量控制規(guī)則。受信任的應(yīng)用功能AF可以直接訪問(wèn)PCF，非授信的應(yīng)用功能AF要通過(guò)NEF來(lái)訪問(wèn)PCF。

SMF在控制UPF和配置其分流策略等方面起著重要作用，通常在數(shù)據(jù)中心集中部署。SMF允許MEC作為5G系統(tǒng)的AF管理協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）會(huì)話、對(duì)策略設(shè)置和流量規(guī)則進(jìn)行控制、訂閱相關(guān)會(huì)話管理事件的通知。

UPF在MEC部署中起著關(guān)鍵作用。基于5G核心網(wǎng)的控制面和用戶面分離式架構(gòu)，UPF需要下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣部署，以減少傳輸時(shí)延，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流量的本地分流。UPF的控制和路由規(guī)則配置遵循NEF—PCF—SMF的順序。本地MEC AF將UPF分流規(guī)則告知PCF，PCF將分流策略配置給SMF，SMF對(duì)所有流量進(jìn)行集中調(diào)度，將本地流量通過(guò)邊緣UPF進(jìn)行分流。

在圖2右側(cè)的MEC系統(tǒng)中，MEC編排器是1個(gè)MEC系統(tǒng)級(jí)功能實(shí)體，從5G核心網(wǎng)的角度，可作為外部應(yīng)用功能AF與網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放功能NEF交互。在MEC主機(jī)級(jí)別上，MEC平臺(tái)可作為應(yīng)用功能AF與5G系統(tǒng)的各NF交互。MEC主機(jī)通常部署在5G系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)DN中。

5G系統(tǒng)對(duì)MEC的支持，除選擇UPF和配置流量導(dǎo)向規(guī)則外，還可為MEC提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息（如接收信號(hào)功率/質(zhì)量）、相關(guān)用戶的位置和移動(dòng)性時(shí)間、無(wú)線連接情況、策略和計(jì)費(fèi)等相關(guān)服務(wù)，幫助在MEC主機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用程序進(jìn)行性能和服務(wù)優(yōu)化。

4 MEC分流方案

標(biāo)準(zhǔn)中定義了5G網(wǎng)絡(luò)支持MEC的3種分流機(jī)制［6］，分別為上行分類(lèi)器（UL-CL）、第六代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IPv6）多歸屬和局域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（LADN），實(shí)現(xiàn)邊緣UPF的本地流量卸載。

（1）UL-CL。SMF根據(jù)需要在PDU會(huì)話的數(shù)據(jù)路徑中插入U(xiǎn)L-CL。支持UL-CL功能的UPF通過(guò)SMF下發(fā)的分流規(guī)則過(guò)濾上行數(shù)據(jù)包的IP目的地址，符合規(guī)則的數(shù)據(jù)包進(jìn)行本地分流。

（2）IPv6多歸屬。1個(gè)PDU會(huì)話可能關(guān)聯(lián)多個(gè)IPv6前綴，不同IPv6前綴通過(guò)公共UPF分別錨定到中心網(wǎng)絡(luò)的UPF和本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的UPF。公共UPF支持分支點(diǎn)功能，通過(guò)SMF下發(fā)的分流規(guī)則，檢查數(shù)據(jù)包源IP地址轉(zhuǎn)發(fā)上行流量到不同PDU會(huì)話錨點(diǎn)，并聚合從不同PDU會(huì)話錨點(diǎn)發(fā)送到終端的下行數(shù)據(jù)流。

（3）LADN。LADN是一種特殊的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，只允許終端在特定區(qū)域內(nèi)訪問(wèn)該數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，超出該區(qū)域時(shí)則不允許終端訪問(wèn)。為了支持LADN對(duì)訪問(wèn)區(qū)域的限制，5G核心網(wǎng)的接入管理功能網(wǎng)元（AMF）將LADN的名稱(chēng)和服務(wù)區(qū)域發(fā)送給終端，終端根據(jù)所處位置決定是否可以發(fā)起LADN PDU會(huì)話建立。SMF判斷終端位于LADN服務(wù)區(qū)域后下發(fā)策略給UPF，UPF采用相關(guān)策略進(jìn)行分流。

上述MEC分流機(jī)制比較見(jiàn)表3。

表3 MEC分流機(jī)制比較

5 MEC部署位置

在5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，MEC的部署位置以國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）定義的三大場(chǎng)景為基礎(chǔ)，綜合考慮業(yè)務(wù)時(shí)延、帶寬需求、數(shù)據(jù)安全、MEC服務(wù)范圍、可用站址和機(jī)房等物理資源等，在MEC編排器的統(tǒng)一控制下部署。邊緣計(jì)算服務(wù)器通常有3種部署位置:

（1）與基站共址。業(yè)務(wù)時(shí)延要求1～5 ms，用于車(chē)聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人機(jī)通信、自動(dòng)化控制等低時(shí)延業(yè)務(wù)，需要部署的數(shù)量多。

（2）接入?yún)R聚機(jī)房。業(yè)務(wù)時(shí)延要求5～10 ms，用于AR/VR和區(qū)域視頻類(lèi)等大帶寬業(yè)務(wù)，需要部署的數(shù)量中等。

（3）核心匯聚機(jī)房。業(yè)務(wù)時(shí)延要求大于20 ms，用于物聯(lián)網(wǎng)和中心控制類(lèi)業(yè)務(wù)，需要部署的數(shù)量較少，MEC能夠覆蓋更大的區(qū)域。

對(duì)于鐵路行業(yè)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活選擇MEC服務(wù)器的部署位置，如鐵路局集團(tuán)公司核心網(wǎng)機(jī)房、大型車(chē)站和編組站的接入機(jī)房等。

6 MEC在智能鐵路的應(yīng)用

根據(jù)智能鐵路業(yè)務(wù)需求和MEC技術(shù)特點(diǎn)，分別以站場(chǎng)場(chǎng)景和動(dòng)車(chē)組車(chē)內(nèi)場(chǎng)景為例，研究MEC的部署方案。

6.1 鐵路站場(chǎng)MEC應(yīng)用方案

鐵路站場(chǎng)場(chǎng)景包括鐵路車(chē)站（含站臺(tái)面、站房?jī)?nèi)、地下通道等）、物流中心、編組站、機(jī)務(wù)段、車(chē)輛段、動(dòng)車(chē)所等鐵路作業(yè)區(qū)域。該場(chǎng)景特點(diǎn)是通信作業(yè)范圍為面狀區(qū)域，作業(yè)人員和車(chē)輛密集且業(yè)務(wù)量大，調(diào)車(chē)控制、自動(dòng)駕駛、無(wú)線售票、機(jī)器人控制等業(yè)務(wù)對(duì)低時(shí)延需求較高，對(duì)生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)安全和隱私性要求較高。因此，邊緣計(jì)算技術(shù)可有效滿足站場(chǎng)的上述需求。

MEC在鐵路站場(chǎng)的應(yīng)用方案見(jiàn)圖3。其中，MEC服務(wù)器部署在站場(chǎng)接入?yún)R聚機(jī)房，通過(guò)萬(wàn)兆網(wǎng)口與傳輸接入環(huán)傳輸設(shè)備對(duì)接，與站場(chǎng)應(yīng)用服務(wù)器通過(guò)光纖或?qū)＞€對(duì)接。MEC關(guān)鍵部件UPF/MEC平臺(tái)部署在通用IT服務(wù)器上，鐵路業(yè)務(wù)應(yīng)用根據(jù)實(shí)際形態(tài)，可選擇部署在站場(chǎng)應(yīng)用服務(wù)器或MEC服務(wù)器上。匯聚機(jī)房需要打通MEC到5G核心網(wǎng)、到站場(chǎng)5G基站的路由。該方案中，MEC側(cè)UPF做業(yè)務(wù)分流，通過(guò)MEC分流策略將站場(chǎng)應(yīng)用業(yè)務(wù)分流到站場(chǎng)應(yīng)用服務(wù)器，滿足站場(chǎng)低時(shí)延和數(shù)據(jù)安全需求，并降低大容量數(shù)據(jù)回傳對(duì)承載網(wǎng)的壓力。

6.2 智能動(dòng)車(chē)組車(chē)載MEC應(yīng)用方案

為滿足智能動(dòng)車(chē)組內(nèi)視頻監(jiān)控與處理、車(chē)載設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析、旅客在途娛樂(lè)和行程管理等服務(wù)需求，利用運(yùn)營(yíng)商在鐵路沿線部署的5G網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)車(chē)載終端設(shè)備（CPE）、車(chē)內(nèi)覆蓋單元和車(chē)載MEC服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)列車(chē)內(nèi)部的5G信號(hào)覆蓋（見(jiàn)圖4）。其中，CPE作為室分空口，與沿線的地面基站進(jìn)行信息傳輸；車(chē)內(nèi)小基站的集中單元（CU）和分布式單元（DU）處理基帶信號(hào)，射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）實(shí)現(xiàn)每個(gè)車(chē)廂的信號(hào)覆蓋，在列車(chē)車(chē)廂內(nèi)劃分蜂窩網(wǎng)，提升系統(tǒng)的容量；車(chē)載MEC服務(wù)器包含UPF，通過(guò)在邊緣云服務(wù)器上部署視頻處理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、旅客服務(wù)等應(yīng)用，提升動(dòng)車(chē)組的智能運(yùn)營(yíng)和服務(wù)水平。

圖3 MEC在鐵路站場(chǎng)的應(yīng)用

圖4 MEC在智能動(dòng)車(chē)組的應(yīng)用

7 結(jié)束語(yǔ)

介紹MEC的典型業(yè)務(wù)應(yīng)用和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展；論述5G與MEC的融合架構(gòu)，重點(diǎn)分析MEC的功能實(shí)體如何與5G核心網(wǎng)的各網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行交互；探討MEC的分流原理和部署位置；并針對(duì)智能鐵路在站場(chǎng)和動(dòng)車(chē)組場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)需求特點(diǎn)，分別提出2種工程可行的MEC部署方案。