基于GRE隧道的5G+MEC列控反向控制实现机制研究

杨跃平 俞春信

【摘要】    当前城轨交通车地无线通信广泛使用LTE-M网络，随着智慧轨道交通的发展，LTE-M技术瓶颈逐渐显现，南京联通提出基于5G+边缘计算平台的智慧轨道交通解决方案，利用5G大带宽、低时延、广连接特性，叠加MEC本地化平台能力，以满足智慧轨道交通对车地大数据回传、低时延控制、差异化传送通道等需求。

【关键词】    智慧城轨    5G+MEC    列控系统    GRE隧道    反向控制

引言：

在现代交通运输中，城轨交通系统是城市交通系统的重要组成部分，被称为城市交通的主动脉。我国已开通城轨交通的城市共有47个，交通线路长度共计6730.27千米[1]，我国已是轨道交通强国。

基于通信的列控系统（CBTC）是城轨交通的大脑。随着全自动系统的推广及各厂家互联互通系统的实施，各设备间的耦合度也越来越强，这也就对CBTC通信的时延和质量有了更高的要求[2]。而5G时代的到来赋能城轨交通为其智能化变革带来新契机。

一、南京5G+MEC+智慧城轨项目

（一）项目背景

2019年12月，南京地铁建设有限责任公司、西门子交通技术（北京）有限公司、中国联合网络通信有限公司南京市分公司联合规划，初期在地铁2号线马群车辆测试基地进行地铁控制信号5G试点工作，协力在打造全国首个5G智慧轨道示范项目。

（二）5G+MEC方案

南京马群车辆基地目前已完成对轨道、站台、机房、车库、检修车间等场景基于NSA和SA的地铁专网覆盖，1.2KM模拟隧道场景的3.5GHz漏缆覆盖，以及省内首个现场级MEC节点的搭建与调试。

如图所示，其基于5G网络能力和边缘计算能力，通过UPF和算力下沉实现业务数据在运营商边缘机房或客户侧机房的本地卸载，提升数据安全（不出园区）和快速响应（低时延）能力[3]。

（三） 智慧城轨

该项目已具备地铁三大业务系统全部向MEC平台的迁移条件并进行创新可行性研究：1.列控系统能实现更低的控制时延，提升安全性;2.车载大数据故障诊断系统能实现大数据的实时回传;3.CCTV业务系统十个受邀厂家对行业应用进行测试。

二、列控反向控制问题原理

（一）列控系统

南京马群地车辆基地在CBTC模式下使用的是西门子的TGMT（TrainGuard MT）移动闭塞信号系统。通过无线通信和无线定位技术，实现运行停车点、紧急停车、折返、速度监视和停车点监视、车地通信、巡航/惰行、计算车速、管理车次号/车组号和里程等功能[4]。

如图3.1所示，TGMT列控系统反向控制流程：TGMT列控平台->TGMT交换机-> FW -> GW -> DC -> UPF -> GW -> DC -> ASG ->基站->终端。

（二） 问题描述

列控系统进行控制调试时，由车载计算机向列控平台发起的正向连接可以正常Ping通。经过测试分析，通过此连接可以有效回传车辆数据至列控平台，时延方面满足标准要求。

但由列控平台向车载计算机所发起的反向控制连接却无法Ping通，从而导致列控平台无法正常下发指令控制车辆运行。经过多次调试与分析，发现由于车载计算机位于5G终端后，使用的是私网地址。其使用网络地址转换协议（NAT）通过公用网关访问Internet，私网的计算机可向Internet上的其他计算机发送连接请求，但Internet上其他的计算机无法向私网的计算机发送连接请求。基于私网地址对公共网络的不可见性，所以由列控平台发起的反向控制连接无法正常Ping通。

三、解决方案与效果

（一）解决方案

针对此问题，拟在MEC的UPF侧与5G终端之间搭建一条GRE （Generic Routing Encapsulation）隧道。GRE是一种隧道技术，其特定示例是IP-in-IP隧道。连接两个端点（MEC的UPF侧和5G终端）的IP隧道充当IP骨干网的覆盖，并且通过隧道发送的流量对于基础骨干是不透明的。 实际上IP骨干网被用作链路层技术，并且隧道形成了被视为虚拟链路的点对点链路。以此来实现从列控平台到车载计算机的联通。

（二）测试环境

在5G+MEC专网环境下布置1.2KM的3.5GHz漏缆模拟城轨隧道场景信号覆盖，通过使用TGMT列控系统，验证所搭建的GRE隧道是否可以联通车载计算机并下发控车指令，实现列控反向控制。

如表1所示，在地址为192.168.255.46的MEC端UPF侧与地址为10.0.1.5的5G终端之间搭建一条GRE隧道。其中5G终端的虚拟接口IP设置为：10.10.10.1、UPF侧的虚拟接口IP设置为：10.10.10.2。

（三）测试结果

使用Ping命令来检测从列控平台（使用Ubuntu系统，IP地址为：10.32.255.254）至车载计算机（IP地址为：10.32.48.1）的联通性，每0.2秒Ping一次，每个包64字节，共Ping 581次，共发出581个包，收到581个包，丢包率为0%。其中最小反应时间为5.846ms，最大反应时间为102.562ms，平均反应时间为9.281ms，本机硬件耗费时间为4.456ms。结果表明，从列控平台至车载计算机已成功联通并可下发指令实现反向控制。时延方面也满足行业5G标准要求。

四、结束语

南京地铁马群车辆基地作为全国首个承载智慧城轨交通的5G边缘云平台，该项目具有示范性意义。本文提出在MEC的UPF侧和5G终端之间搭建一条GRE隧道，用来解决从列控平台到私网内的车载计算机的反向联通。测试结果表明通过搭建IP-in-IP的GRE隧道，从列控平台成功Ping通车载计算机，并在时延方面也达到5G行业标准规范要求，实现列控反向控制。该解决方案也为5G+MEC信号领域的探索提供了范例。

作者单位：杨跃平    俞春信    南京联通

参  考  文  献

[1]韩宝明， 陈佳豪， 杨运节， et al. 2019年世界城市轨道交通运营统计与分析综述[J]. 都市快轨交通， 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， 闵鹏. 城轨交通西门子TGMT移动闭塞信号培训测试系统[J]. 铁道通信信号， 2019（3）.