基于GRE隧道的5G+MEC列控反向控制實現(xiàn)機制研究

楊躍平 俞春信

【摘要】? ? 當前城軌交通車地無線通信廣泛使用LTE-M網(wǎng)絡，隨著智慧軌道交通的發(fā)展，LTE-M技術(shù)瓶頸逐漸顯現(xiàn)，南京聯(lián)通提出基于5G+邊緣計算平臺的智慧軌道交通解決方案，利用5G大帶寬、低時延、廣連接特性，疊加MEC本地化平臺能力，以滿足智慧軌道交通對車地大數(shù)據(jù)回傳、低時延控制、差異化傳送通道等需求。

【關(guān)鍵詞】? ? 智慧城軌? ? 5G+MEC? ? 列控系統(tǒng)? ? GRE隧道? ? 反向控制

引言：

在現(xiàn)代交通運輸中，城軌交通系統(tǒng)是城市交通系統(tǒng)的重要組成部分，被稱為城市交通的主動脈。我國已開通城軌交通的城市共有47個，交通線路長度共計6730.27千米[1]，我國已是軌道交通強國。

基于通信的列控系統(tǒng)（CBTC）是城軌交通的大腦。隨著全自動系統(tǒng)的推廣及各廠家互聯(lián)互通系統(tǒng)的實施，各設備間的耦合度也越來越強，這也就對CBTC通信的時延和質(zhì)量有了更高的要求[2]。而5G時代的到來賦能城軌交通為其智能化變革帶來新契機。

一、南京5G+MEC+智慧城軌項目

（一）項目背景

2019年12月，南京地鐵建設有限責任公司、西門子交通技術(shù)（北京）有限公司、中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司南京市分公司聯(lián)合規(guī)劃，初期在地鐵2號線馬群車輛測試基地進行地鐵控制信號5G試點工作，協(xié)力在打造全國首個5G智慧軌道示范項目。

（二）5G+MEC方案

南京馬群車輛基地目前已完成對軌道、站臺、機房、車庫、檢修車間等場景基于NSA和SA的地鐵專網(wǎng)覆蓋，1.2KM模擬隧道場景的3.5GHz漏纜覆蓋，以及省內(nèi)首個現(xiàn)場級MEC節(jié)點的搭建與調(diào)試。

如圖所示，其基于5G網(wǎng)絡能力和邊緣計算能力，通過UPF和算力下沉實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)在運營商邊緣機房或客戶側(cè)機房的本地卸載，提升數(shù)據(jù)安全（不出園區(qū)）和快速響應（低時延）能力[3]。

（三） 智慧城軌

該項目已具備地鐵三大業(yè)務系統(tǒng)全部向MEC平臺的遷移條件并進行創(chuàng)新可行性研究：1.列控系統(tǒng)能實現(xiàn)更低的控制時延，提升安全性;2.車載大數(shù)據(jù)故障診斷系統(tǒng)能實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的實時回傳;3.CCTV業(yè)務系統(tǒng)十個受邀廠家對行業(yè)應用進行測試。

二、列控反向控制問題原理

（一）列控系統(tǒng)

南京馬群地車輛基地在CBTC模式下使用的是西門子的TGMT（TrainGuard MT）移動閉塞信號系統(tǒng)。通過無線通信和無線定位技術(shù)，實現(xiàn)運行停車點、緊急停車、折返、速度監(jiān)視和停車點監(jiān)視、車地通信、巡航/惰行、計算車速、管理車次號/車組號和里程等功能[4]。

如圖3.1所示，TGMT列控系統(tǒng)反向控制流程：TGMT列控平臺->TGMT交換機-> FW -> GW -> DC -> UPF -> GW -> DC -> ASG ->基站->終端。

（二） 問題描述

列控系統(tǒng)進行控制調(diào)試時，由車載計算機向列控平臺發(fā)起的正向連接可以正常Ping通。經(jīng)過測試分析，通過此連接可以有效回傳車輛數(shù)據(jù)至列控平臺，時延方面滿足標準要求。

但由列控平臺向車載計算機所發(fā)起的反向控制連接卻無法Ping通，從而導致列控平臺無法正常下發(fā)指令控制車輛運行。經(jīng)過多次調(diào)試與分析，發(fā)現(xiàn)由于車載計算機位于5G終端后，使用的是私網(wǎng)地址。其使用網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換協(xié)議（NAT）通過公用網(wǎng)關(guān)訪問Internet，私網(wǎng)的計算機可向Internet上的其他計算機發(fā)送連接請求，但Internet上其他的計算機無法向私網(wǎng)的計算機發(fā)送連接請求?；谒骄W(wǎng)地址對公共網(wǎng)絡的不可見性，所以由列控平臺發(fā)起的反向控制連接無法正常Ping通。

三、解決方案與效果

（一）解決方案

針對此問題，擬在MEC的UPF側(cè)與5G終端之間搭建一條GRE （Generic Routing Encapsulation）隧道。GRE是一種隧道技術(shù)，其特定示例是IP-in-IP隧道。連接兩個端點（MEC的UPF側(cè)和5G終端）的IP隧道充當IP骨干網(wǎng)的覆蓋，并且通過隧道發(fā)送的流量對于基礎骨干是不透明的。 實際上IP骨干網(wǎng)被用作鏈路層技術(shù)，并且隧道形成了被視為虛擬鏈路的點對點鏈路。以此來實現(xiàn)從列控平臺到車載計算機的聯(lián)通。

（二）測試環(huán)境

在5G+MEC專網(wǎng)環(huán)境下布置1.2KM的3.5GHz漏纜模擬城軌隧道場景信號覆蓋，通過使用TGMT列控系統(tǒng)，驗證所搭建的GRE隧道是否可以聯(lián)通車載計算機并下發(fā)控車指令，實現(xiàn)列控反向控制。

如表1所示，在地址為192.168.255.46的MEC端UPF側(cè)與地址為10.0.1.5的5G終端之間搭建一條GRE隧道。其中5G終端的虛擬接口IP設置為：10.10.10.1、UPF側(cè)的虛擬接口IP設置為：10.10.10.2。

（三）測試結(jié)果

使用Ping命令來檢測從列控平臺（使用Ubuntu系統(tǒng)，IP地址為：10.32.255.254）至車載計算機（IP地址為：10.32.48.1）的聯(lián)通性，每0.2秒Ping一次，每個包64字節(jié)，共Ping 581次，共發(fā)出581個包，收到581個包，丟包率為0%。其中最小反應時間為5.846ms，最大反應時間為102.562ms，平均反應時間為9.281ms，本機硬件耗費時間為4.456ms。結(jié)果表明，從列控平臺至車載計算機已成功聯(lián)通并可下發(fā)指令實現(xiàn)反向控制。時延方面也滿足行業(yè)5G標準要求。

四、結(jié)束語

南京地鐵馬群車輛基地作為全國首個承載智慧城軌交通的5G邊緣云平臺，該項目具有示范性意義。本文提出在MEC的UPF側(cè)和5G終端之間搭建一條GRE隧道，用來解決從列控平臺到私網(wǎng)內(nèi)的車載計算機的反向聯(lián)通。測試結(jié)果表明通過搭建IP-in-IP的GRE隧道，從列控平臺成功Ping通車載計算機，并在時延方面也達到5G行業(yè)標準規(guī)范要求，實現(xiàn)列控反向控制。該解決方案也為5G+MEC信號領域的探索提供了范例。

作者單位：楊躍平? ? 俞春信? ? 南京聯(lián)通

參? 考? 文? 獻

[1]韓寶明， 陳佳豪， 楊運節(jié)， et al. 2019年世界城市軌道交通運營統(tǒng)計與分析綜述[J]. 都市快軌交通， 2020， v.33;No.161（01）：12-16.

[2] Zhu L， Yao D， Zhao H. Reliability Analysis of Next-Generation CBTC Data Communication Systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2019， 68（3）：2024-2034.

[3] Yang L ， Zhang H ， Li M ， et al. Mobile Edge Computing Empowered Energy Efficient Task Offloading in 5G[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2018：1-1.

[4]陳裕明， 李小兵， 閔鵬. 城軌交通西門子TGMT移動閉塞信號培訓測試系統(tǒng)[J]. 鐵道通信信號， 2019（3）.