軌道交通邊緣計(jì)算應(yīng)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(wù)場(chǎng)景對(duì)時(shí)延和帶寬等傳輸質(zhì)量具有較高的要求，若計(jì)算和存儲(chǔ)能力只有核心網(wǎng)側(cè)提供，則處理大量的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)都需要在核心網(wǎng)側(cè)才能進(jìn)行，將會(huì)導(dǎo)致帶寬競(jìng)爭(zhēng)激烈及網(wǎng)絡(luò)擁塞嚴(yán)重等問(wèn)題，同時(shí)降低時(shí)延敏感性業(yè)務(wù)的傳輸質(zhì)量。為解決上述問(wèn)題，文章分析了邊緣計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)軌道交通業(yè)務(wù)需求高的特點(diǎn)，論文提出了基于公網(wǎng)設(shè)施的邊緣云方案，并對(duì)MEC進(jìn)行了時(shí)延和速率等重要指標(biāo)的相關(guān)測(cè)試，驗(yàn)證了邊緣計(jì)算方案的合理性和可行性。

關(guān)鍵詞：軌道交通;核心網(wǎng);MEC

一、引言

MEC將云資源池和云平臺(tái)部署在靠近對(duì)象和數(shù)據(jù)源的網(wǎng)絡(luò)邊緣，MEC 可以在離數(shù)據(jù)源較近的本地網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，而且數(shù)據(jù)不用直接上傳到云端，降低了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的時(shí)延和成本，減少了傳輸網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)的擁堵和負(fù)擔(dān)，大大減輕了網(wǎng)絡(luò)帶寬的競(jìng)爭(zhēng)壓力;一方面MEC 具備云計(jì)算資源的基本功能，另一方面MEC能夠?qū)㈤_(kāi)放網(wǎng)絡(luò)與大數(shù)據(jù)/云計(jì)算相結(jié)合，通過(guò)相關(guān)的應(yīng)用程序?qū)EC部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣，可以明顯提升用戶(hù)的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，邊緣計(jì)算的場(chǎng)景要求如表1所示。

邊緣計(jì)算是保障通信效果并提供計(jì)算能力的重要手段，它將應(yīng)用靠近軌道交通系統(tǒng)部署，能夠降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，支撐多樣化本地應(yīng)用，滿(mǎn)足軌道交通行業(yè)多種業(yè)務(wù)需求（如PIS、IMS、CBTC等）的重要技術(shù)基礎(chǔ)。本文從邊緣計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)入手，研究了軌道交通中邊緣計(jì)算的應(yīng)用，提出了基于公網(wǎng)設(shè)施的邊緣云方案，將MEC部署在終端側(cè)附近，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)之間的安全隔離，為終端提供專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用資源，最后進(jìn)行了MEC測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明MEC發(fā)揮和大網(wǎng)同樣的水平，減少了時(shí)延，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速率、高可靠傳輸。

二、軌道交通邊緣計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)

軌道交通領(lǐng)域存在數(shù)據(jù)量多、數(shù)據(jù)管理與處理復(fù)雜、多設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)集成和資源規(guī)劃與分配困難等問(wèn)題，而邊緣計(jì)算正是解決上述一系列問(wèn)題的最佳方法。邊緣計(jì)算主要包括邊緣智能、異構(gòu)計(jì)算、互聯(lián)互通等關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)邊緣智能、異構(gòu)計(jì)算等核心技術(shù)，邊緣計(jì)算可以提高數(shù)據(jù)管理和分析的能力;利用微服務(wù)和技術(shù)遷移等關(guān)鍵技術(shù)，邊緣計(jì)算可以解決資源利用效率和平臺(tái)服務(wù)能力低等問(wèn)題。

（一）邊緣智能

邊緣智能提供了數(shù)據(jù)聚合、邊緣分析和建模的功能，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵技術(shù)。邊緣智能通過(guò)相關(guān)功能，可以加速邊緣節(jié)點(diǎn)的智能化推理，提升多節(jié)點(diǎn)智能訓(xùn)練算法的效率，大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延和內(nèi)存使用等方面，實(shí)現(xiàn)一種輕量級(jí)、低延遲、高性能的 AI 計(jì)算框架。

（二）異構(gòu)計(jì)算

異構(gòu)計(jì)算是一種集成了不同結(jié)構(gòu)的不同指令集和計(jì)算單元的構(gòu)架，該構(gòu)架發(fā)揮了不同指令集/計(jì)算單元的優(yōu)勢(shì)，可用于對(duì)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理和內(nèi)容分析，挖掘出數(shù)據(jù)中有用的信息和有效的數(shù)據(jù)，進(jìn)而提升不同設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)的精度和準(zhǔn)確率，實(shí)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(shù)是將不同技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，從而滿(mǎn)足各種應(yīng)用場(chǎng)景的傳輸需求，實(shí)現(xiàn)不同工業(yè)/軌道交通場(chǎng)景邊緣設(shè)備的接入，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，使得軌道交通系統(tǒng)能夠快速調(diào)整和優(yōu)化車(chē)間設(shè)備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大大提升網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造和管理的靈活性。

（四）微服務(wù)

微服務(wù)是一種圍繞特定的業(yè)務(wù)功能構(gòu)建的一組獨(dú)立可部署服務(wù)，每個(gè)應(yīng)用程序都在獨(dú)立的微服務(wù)進(jìn)程中運(yùn)行，選擇一種資源消耗較少的輕量級(jí)通信機(jī)制，將其部署在邊緣端，降低了微服務(wù)的集中化管理。同時(shí)，采用不用的數(shù)據(jù)存書(shū)技術(shù)，提升異構(gòu)邊緣計(jì)算資源的靈活性。

（五）計(jì)算遷移

計(jì)算遷移是一種將資源密集、計(jì)算量大的任務(wù)轉(zhuǎn)移到計(jì)算資源充足的設(shè)備上進(jìn)行處理的方法，這種方法實(shí)現(xiàn)了資源的合理利用和調(diào)度，提高了設(shè)備的計(jì)算效率。邊緣計(jì)算遷移的過(guò)程如下：首先對(duì)邊緣設(shè)備采集和生成的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除掉其中的無(wú)效數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)傳輸中帶寬的占用;然后按照設(shè)備的需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃，將數(shù)據(jù)合理分配給邊緣設(shè)備進(jìn)行處理，保證設(shè)備的計(jì)算資源充足，預(yù)防任務(wù)超載從而降低計(jì)算效率的情況。

三、基于公網(wǎng)設(shè)施的邊緣云方案

面對(duì)軌道交通應(yīng)用的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的大規(guī)模集中式通信已經(jīng)不能滿(mǎn)足需求，MEC 邊緣云應(yīng)運(yùn)而生。MEC 作為5G演進(jìn)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，以超低延遲、超大帶寬、定位化、高實(shí)時(shí)分析和處理等特點(diǎn)，為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣的邊緣應(yīng)用提供了云計(jì)算能力和 IT 服務(wù)環(huán)境。將MEC設(shè)備部署在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的邊緣，同時(shí)在終端設(shè)備上運(yùn)行邊緣服務(wù)，提高網(wǎng)絡(luò)的反饋速率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脱舆t。MEC 減少了計(jì)算能力，提供了智能業(yè)務(wù)調(diào)度，不僅可以提高用戶(hù)的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，而且可以降低骨干傳輸網(wǎng)的資源消耗?；诠W(wǎng)設(shè)施的邊緣云方案如圖1所示，圖中UDM、PCF、AMF等控制面網(wǎng)元共享;N3將5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量傳輸?shù)絆CC機(jī)房MEC設(shè)備的UPF中，通過(guò)UPF將PCF和AF中的本地流量進(jìn)行卸載，而N9將非本地流量傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)進(jìn)而上傳到公網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了本地?cái)?shù)據(jù)流量不上傳公網(wǎng)，僅在軌道交通系統(tǒng)內(nèi)部傳輸?shù)倪吘壴品桨浮?/p>

四、MEC測(cè)試

（一）背景

為驗(yàn)證某地區(qū)自動(dòng)駕駛道路基站接入MEC服務(wù)器的分流效果和網(wǎng)絡(luò)性能改善情況，故進(jìn)行本測(cè)試。連接MEC IP和公網(wǎng)IP地址，在同一個(gè)位置，相同測(cè)試終端，進(jìn)行PING，及數(shù)據(jù)DL對(duì)比測(cè)試。

（二）測(cè)試結(jié)果分析

在速率測(cè)試中，采用直接的HTTP連接下載，內(nèi)網(wǎng)下載速率為904.29mbps，外網(wǎng)下載速率為1110.18mbps，內(nèi)網(wǎng)速度為外網(wǎng)速度的81.45%左右，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

在時(shí)延測(cè)試中，直接用測(cè)試軟件對(duì)內(nèi)外網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行發(fā)起ping服務(wù)，來(lái)進(jìn)行端到端回環(huán)時(shí)延測(cè)試，本次評(píng)估分為大包測(cè)試（2000 byte）和小包測(cè)試（32 byte），其結(jié)果如圖3所示。

綜上所述，在速率測(cè)試中MEC發(fā)揮和大網(wǎng)同樣的水平，下載速率會(huì)受到服務(wù)器本身影響;通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證測(cè)試，接入MEC服務(wù)器后，平均時(shí)延較公網(wǎng)服務(wù)器縮短5ms下載，速率同公網(wǎng)服務(wù)器對(duì)比，無(wú)異常波動(dòng)，SA模式平均下載速率在900Mbps以上。

五、結(jié)束語(yǔ)

邊緣計(jì)算能夠有效為用戶(hù)提供低時(shí)延、高可用性的服務(wù)，減少核心網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫?，為軌道交通?zhuān)網(wǎng)建設(shè)提供了基礎(chǔ)，加強(qiáng)了軌道交通與5G技術(shù)的融合，提高了軌道交通中各種業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量。本文將軌道交通與邊緣計(jì)算技術(shù)相結(jié)合，提出了基于公共設(shè)施的邊緣云方案，提高了軌道交通傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的低時(shí)延和高可靠。然而相較于核心網(wǎng)云計(jì)算中心，處于網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)的邊緣計(jì)算設(shè)施通常直接暴露于存在安全威脅的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，因此對(duì)邊緣計(jì)算的安全研究將會(huì)是下一步的重點(diǎn)。

作者單位：胡爽? ? 王曉暉? ? 李亞楠? ? 濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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