高鐵數(shù)據(jù)傳輸中融合MEC理論的核心技術(shù)

王萬(wàn)齊 沈海燕 程清波 端嘉盈 魯玉龍

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所 北京市 100081）

現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展為人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)極大便利，而數(shù)據(jù)通訊技術(shù)已經(jīng)成為必不可少的工作與生活組成部分。為深化貫徹國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略及落實(shí)“交通強(qiáng)國(guó)、鐵路先行”，穩(wěn)定可靠的通信質(zhì)量才能不斷深化總公司“提質(zhì)增效、強(qiáng)基達(dá)標(biāo)”工作主題，全面提升鐵路安全生產(chǎn)、運(yùn)輸管理、客運(yùn)服務(wù)的信息化、數(shù)字化、智能化水平。

1 高鐵網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀及問(wèn)題分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料顯示，鐵路網(wǎng)絡(luò)自從誕生之日開(kāi)始，便在實(shí)施環(huán)節(jié)以GSM-R 系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，但是這種系統(tǒng)在使用中因?yàn)槭钦瓗ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，所以只能夠局限應(yīng)用在日常運(yùn)用管理環(huán)節(jié)。由于GSM-R 技術(shù)制約性，相繼研發(fā)出LTE-R 系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在使用過(guò)程中，雖然能夠在高鐵列車運(yùn)營(yíng)管理環(huán)節(jié)以及乘客上網(wǎng)環(huán)節(jié)中提供良好服務(wù)，但在高鐵高速運(yùn)行場(chǎng)景下，所能夠提供的無(wú)線傳輸空口資源數(shù)量相對(duì)不足，總體而言，仍舊存在以下三個(gè)方面不足：

（1）高鐵列車與地面之間所具備的無(wú)線資源相對(duì)有限，并且在利用的時(shí)候效率也相對(duì)不高。因?yàn)榭湛谫Y源的數(shù)量不足，在高鐵列車和地面之間進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)均需要在傳輸?shù)臅r(shí)候全部通過(guò)空口鏈接，造成鏈路之中出現(xiàn)流量重復(fù)的現(xiàn)象，此外還有流量沒(méi)有經(jīng)過(guò)壓縮，從而造成在高鐵列車和地面之間的空口資源具有較低的利用率。

（2）在高鐵列車和地面之間具有相對(duì)較差的傳輸穩(wěn)定性以及較低的吞吐量。這是因?yàn)樵诟哞F列車和地面之間進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)臅r(shí)候是基于移動(dòng)場(chǎng)景，這種方式與有線數(shù)據(jù)傳輸之間存在著很大的不同，這種方式具有較差的穩(wěn)定性，并且其丟包率也相對(duì)比較高，從而在很大程度上會(huì)降低傳輸網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

（3）在高鐵列車和高鐵列車之間存在著較高的傳輸延遲。在LTE-R 系統(tǒng)當(dāng)中，高速列車之間的通信必須要通過(guò)使用核心網(wǎng)才得以完成。因?yàn)楦哞F列車在行駛的過(guò)程中擁有極快的速度，在這種場(chǎng)景之下若是存在著較高的延遲，將會(huì)對(duì)高速列車的行駛產(chǎn)生很大的安全隱患。

在LTE-R 系統(tǒng)之中，尚不能針對(duì)上述問(wèn)題提出有效的解決方案，所以基于5G 技術(shù)的移動(dòng)邊緣計(jì)算MEC（Mobile Edge Computing，MEC）便隨著5G 技術(shù)的發(fā)展而被提出。在LTE-R 系統(tǒng)中運(yùn)用移動(dòng)邊緣計(jì)算，進(jìn)而提出以移動(dòng)邊緣作為基礎(chǔ)的高鐵列車網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案。具體的實(shí)施方案是以LTE-R 系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，分別的將MEC 服務(wù)器部署在沿途的基站以及高鐵的車廂之內(nèi)，高鐵列車在運(yùn)行的過(guò)程中，車內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求將首先會(huì)發(fā)送到車載的MEC 服務(wù)器內(nèi)，之后車載MEC 服務(wù)器便與基站位置的MEC 服務(wù)器進(jìn)行通信，完成用戶請(qǐng)求訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)。

當(dāng)MEC 服務(wù)器部署在高鐵列車的沿途基站以及高鐵列車的車廂之內(nèi)，車內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求將會(huì)在發(fā)出之前通過(guò)車載MEC 服務(wù)器，而此時(shí)的車載MEC 服務(wù)器便會(huì)通過(guò)使用多流合并技術(shù)以及緩存技術(shù)將在無(wú)線鏈路上所出現(xiàn)的重復(fù)流量消除，從而提升在高鐵列車與地面基站之間的無(wú)線空口資源利用效率。其次，位于高鐵列車車廂內(nèi)的MEC 服務(wù)器和高鐵列車沿線基站位置的MEC 服務(wù)器，可以通過(guò)使用特定的協(xié)議保障機(jī)制完成通信，提升高鐵列車和地面之間的無(wú)線傳輸穩(wěn)定性以及傳輸?shù)乃俣?。在最后，以位于基站位置的MEC 服務(wù)器計(jì)算能力作為依據(jù)，在列車之間展開(kāi)傳輸數(shù)據(jù)信息時(shí)，便可以通過(guò)基站位置的MEC 服務(wù)器進(jìn)行直接傳輸，這種措施能夠很好的降低傳輸?shù)难訒r(shí)，提升高鐵列車在運(yùn)輸環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定性和列車安全性。

綜上而言，基于LTE-R 系統(tǒng)增加高鐵列車車廂內(nèi)部的MEC 服務(wù)器以及基站位置的MEC 服務(wù)器，能夠有效地提升高鐵列車和地面之間的空口資源利用效率，最大化的確保高鐵列車和地面之間具有穩(wěn)定的無(wú)線傳輸以及高速度的無(wú)線傳輸，從而實(shí)現(xiàn)高鐵列車在運(yùn)行過(guò)程中的傳輸時(shí)延，將LTE-R 系統(tǒng)所存在的不足予以解決。

2 LTE-MEC（移動(dòng)邊緣計(jì)算）系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

就邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟對(duì)邊緣計(jì)算的含義，是指在于數(shù)據(jù)源頭以及靠近物等網(wǎng)絡(luò)邊緣一側(cè)，與具有核心能力、計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力和融合網(wǎng)絡(luò)能力的開(kāi)放平臺(tái)相結(jié)合，就最近的位置提供電源智能服務(wù)。這項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用能夠滿足行業(yè)內(nèi)部對(duì)于數(shù)字化發(fā)展的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)需求、安全和隱私保護(hù)需求、敏捷連接需求、優(yōu)化數(shù)據(jù)信息需求和應(yīng)用智能技術(shù)的需求。

基于移動(dòng)邊緣計(jì)算的主要思想是在移動(dòng)接入網(wǎng)邊緣的位置，將云計(jì)算平臺(tái)遷移至此，嘗試性的將電信領(lǐng)域中傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)服務(wù)高度結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，最大限度的實(shí)現(xiàn)將在開(kāi)展移動(dòng)交付環(huán)節(jié)降低端到端之間所出現(xiàn)的延遲現(xiàn)象。通過(guò)多種方式將印在在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的能力發(fā)掘。具體而言，邊緣計(jì)算所具有的能力有計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力和網(wǎng)絡(luò)能力，這三項(xiàng)能力能夠以云為基礎(chǔ)眼神到網(wǎng)絡(luò)的邊緣位置，在網(wǎng)絡(luò)上增加邏輯重點(diǎn)，這種方式也是與計(jì)算結(jié)構(gòu)組成的重要內(nèi)容之一。通過(guò)將邊緣計(jì)算的概念和理論引入到研究工作當(dāng)中，能夠很好的緩存內(nèi)容，并且在網(wǎng)絡(luò)邊緣位置將各種服務(wù)進(jìn)行部署[1]。發(fā)展移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò)可以在最大化程度上實(shí)現(xiàn)擁塞降低的目的，為本地的需求提供有效的服務(wù)。

因?yàn)镸EC 服務(wù)器自身便具有網(wǎng)絡(luò)能力，存儲(chǔ)能力和計(jì)算能力，所以在使用的過(guò)程中可以為附近的基站提供智能化的服務(wù)，讓原本需要在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中展開(kāi)的業(yè)務(wù)能夠下沉到MEC 服務(wù)器之上進(jìn)行處理。這種方法可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)響應(yīng)延時(shí)降低的目標(biāo)，對(duì)已有的LTE-R 系統(tǒng)做出優(yōu)化。

3 基于高鐵網(wǎng)的MEC（移動(dòng)邊緣計(jì)算）平臺(tái)及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于高鐵網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的MEC服務(wù)器平臺(tái)

在圖1 平臺(tái)示意圖中所包含的內(nèi)容有MEC 平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施層、MEC 應(yīng)用平臺(tái)層和MEC 應(yīng)用層。

MEC 平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施層是以通用的服務(wù)器作為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)的，在計(jì)算和存儲(chǔ)MEC 應(yīng)用平臺(tái)底層物理資源的時(shí)候，需要使用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的方式展開(kāi)。

圖1：MEC（移動(dòng)邊緣計(jì)算）平臺(tái)示意圖

MEC 數(shù)字化管理是基于基礎(chǔ)設(shè)施為服務(wù)的思想，將高效靈活以及擁有多個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的平臺(tái)環(huán)境提供給應(yīng)用層。MEC 應(yīng)用平臺(tái)的功能組件，主要包含有資源的緩存、合并和壓縮流量、分解和壓縮流量、優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、分解流量以及分析流量等功能，通過(guò)使用具有開(kāi)放性的API 向上層應(yīng)用開(kāi)放。

Vm 應(yīng)用架構(gòu)是以網(wǎng)絡(luò)功能作為基礎(chǔ)進(jìn)行虛擬化而獲得，是需要將MEC 應(yīng)用平臺(tái)功能組件進(jìn)行更深入的組合和封裝，從而形成具有虛擬性質(zhì)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化傳輸協(xié)議、合并多流量以及緩存壓縮流量的目的，借助于標(biāo)準(zhǔn)接口開(kāi)放為第三方業(yè)務(wù)提供服務(wù)[2]。

在高鐵建設(shè)中的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，若是運(yùn)用MEC，那么便需要將MEC 服務(wù)器部署在高鐵列車的車廂之內(nèi)，同時(shí)還需要將MEC 服務(wù)器部署在LTE-R 系統(tǒng)軌道基站一側(cè)，使得兩個(gè)位置的MEC 服務(wù)器共同實(shí)現(xiàn)其功能。詳細(xì)如圖2 所示。

在圖2 中，高鐵列車的車廂以及基站位置所部署的Mac 服務(wù)器部署完成之后，需要以兩級(jí)MEC 服務(wù)器功能作為依據(jù)，高效配合和協(xié)調(diào)其功能。在使用當(dāng)中需要完成以下四個(gè)方面的功能。

（1）要以MEC 服務(wù)器作為基礎(chǔ)進(jìn)行壓縮和緩存流量。

（2）要以MEC 服務(wù)器作為基礎(chǔ)進(jìn)行多流合并，

（3）在高鐵列車和地面之間進(jìn)行無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。

（4）在高鐵列車和高鐵列車之間優(yōu)化傳輸網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)。

3.2 基于MEC（移動(dòng)邊緣計(jì)算）理論的壓縮和緩存流量技術(shù)

在高鐵列車到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)當(dāng)中，需要實(shí)現(xiàn)高鐵列車和地面兩者之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。但是因?yàn)橛邢薜臒o(wú)限資源，所以，需要不斷對(duì)帶寬的資源進(jìn)行優(yōu)化，保證利用的合理性和分配的高效性，提升空口帶寬的使用效率。

圖2：邊緣計(jì)算服務(wù)器部署架構(gòu)示意圖

當(dāng)高鐵列車或者是位于列車內(nèi)部的乘客將一個(gè)請(qǐng)求內(nèi)容發(fā)送時(shí)，首先該請(qǐng)求內(nèi)容將會(huì)與車廂內(nèi)部所安置的MEC 服務(wù)器是否存在該內(nèi)容進(jìn)行匹配，倘若在車載的MEC 服務(wù)器當(dāng)中能夠匹配到請(qǐng)求的內(nèi)容，請(qǐng)求的內(nèi)容將會(huì)直接由車載MEC 服務(wù)器返回，當(dāng)該環(huán)節(jié)結(jié)束以后，則意味著已經(jīng)完成的本次內(nèi)容請(qǐng)求的任務(wù)。這種方式的出現(xiàn)和使用，可以解決在地面與高鐵列車在運(yùn)行過(guò)程中浪費(fèi)有線傳輸帶寬的現(xiàn)象。，與此同時(shí)還能夠提升列車MEC 服務(wù)器處理本地請(qǐng)求的能力，滿足高鐵列車上的乘客以及高鐵列車的用網(wǎng)體驗(yàn)[3]。若是請(qǐng)求的內(nèi)容沒(méi)有在車載MEC 中得到匹配，那么便會(huì)繼續(xù)由車載MEC 服務(wù)器將請(qǐng)求的內(nèi)容傳輸?shù)降孛婊綧EC 服務(wù)器之中，位于地面的基站MEC 服務(wù)器需要將請(qǐng)求內(nèi)容傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)。當(dāng)?shù)孛婊綧EC 服務(wù)器在接收到來(lái)自于互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息時(shí)，便會(huì)對(duì)這部分流量展開(kāi)壓縮處理，將其發(fā)送到列車車載MEC 服務(wù)器。當(dāng)列車接觸到這部分流量時(shí)，對(duì)其作出再次處理和壓縮，緩存合適的數(shù)據(jù)內(nèi)容。另外，在對(duì)數(shù)據(jù)信息壓縮完成之后，將會(huì)在最短的時(shí)間內(nèi)將其傳輸?shù)接脩舳??；跓o(wú)線鏈路在傳輸?shù)臅r(shí)，通過(guò)完成流量壓縮，能夠在很大程度上降低鏈路占用率保證無(wú)線鏈路帶寬資源有限的前提之下，承載更多的業(yè)務(wù)需求，提升利用帶寬資源的效率。

4 基于MEC的低延時(shí)數(shù)據(jù)傳輸解決方案

高鐵列車最大的特點(diǎn)是擁有極快的行駛速度，從而為列車運(yùn)行的安全造成嚴(yán)重的威脅。在傳統(tǒng)方案中，不同列車之間在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要通過(guò)使用基站將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)，再由核心網(wǎng)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街醒肟刂剖?，統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)到列車之間。但是因?yàn)楦哞F列車在運(yùn)行中擁有極快的運(yùn)行速度，所以此方案為高鐵安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。

為了對(duì)運(yùn)行高鐵列車時(shí)所出現(xiàn)的傳輸數(shù)據(jù)信息發(fā)生的時(shí)延，在本文的研究過(guò)程中，針對(duì)于這類問(wèn)題提出了基于基站MEC 服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)信息的方案，從而可以深入解決在傳輸數(shù)據(jù)信息時(shí)經(jīng)過(guò)中央控制室和核心網(wǎng)的問(wèn)題，通過(guò)削減傳輸環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)傳輸效率提升。當(dāng)兩輛高鐵列車連接到相同基站時(shí)，前方運(yùn)行的高鐵列車可以將采集到的數(shù)據(jù)信息，及時(shí)傳輸?shù)胶蠓降母哞F列車。列車可以通過(guò)無(wú)線傳輸將所獲取的信息數(shù)據(jù)發(fā)送到基站位置的MEC 服務(wù)器，當(dāng)位于基站位置的MEC 服務(wù)器在獲取數(shù)據(jù)信息時(shí)，直接發(fā)送到基站下一個(gè)方向的高鐵列車[4]。同時(shí)，前方行駛的高鐵列車在行駛途中可將面信以及運(yùn)行狀態(tài)首先傳送到位于地面的基站MEC 服務(wù)器。當(dāng)后方有高鐵列車與該基站的MEC 服務(wù)器連接時(shí)，運(yùn)行的高鐵列車便能夠及時(shí)獲取數(shù)據(jù)信息。此方案可以繞過(guò)中央控制室和核心網(wǎng)環(huán)節(jié)，提升數(shù)據(jù)信息傳輸速度，降低傳輸時(shí)延。并且，當(dāng)前面運(yùn)行的高鐵列車發(fā)現(xiàn)地面出現(xiàn)故障時(shí)，后續(xù)的高鐵列車能夠在最短的時(shí)間內(nèi)接受到前面的故障信息，及時(shí)采取有效控車措施，從而避免列車運(yùn)行中的安全威脅。這種方式能夠很好的避免時(shí)延過(guò)長(zhǎng)而帶來(lái)的安全隱患，極大提升高鐵列車在運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中的安全系數(shù)，為鐵路安全運(yùn)營(yíng)保駕護(hù)航。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析高鐵網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)LTE-R 和GSM-R 現(xiàn)狀及問(wèn)題，提出了LTE-MEC（移動(dòng)邊緣計(jì)算）系統(tǒng)整體架構(gòu)，構(gòu)建了基于高鐵網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的MEC（移動(dòng)邊緣計(jì)算）平臺(tái)，研究了基于MEC（移動(dòng)邊緣計(jì)算）理論的壓縮和緩存流量技術(shù)及工作原理，為MEC（移動(dòng)邊緣計(jì)算）在高鐵通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，具有參考和借鑒意義。