铁路5G网络边缘计算技术研究

葛伟涛

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

随着大数据、云计算、物联网、5G、BIM、北斗导航、人工智能等一系列新兴技术的发展，国内迈入了智能铁路时代。低时延、大带宽、广连接、高可靠是智能铁路的重要技术特征。大量新兴技术在智能铁路上的应用，使铁路数据量巨增，从而对铁路的计算、传输、存储资源提出了更高的要求。目前铁路无线通信系统采用的是GSM-R 移动通信系统，其只能承载话音和少量的数据业务，已经无法满足智能铁路的需求。

5G 具有大带宽、低时延、广连接、高可靠等特点，符合智能铁路数据传输需求。随着5G 标准的推进以及在公网领域和垂直行业的成功应用，铁路下一代专用移动通信系统将采用5G 技术。移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）是5G网络的关键技术之一，不仅可以有效地减少端到端用户时延，还可以降低网络回传带宽需求，因此有必要对边缘计算技术开展研究，助力铁路5G 应用，加快智能铁路建设。

1 边缘计算网络架构

MEC 网络架构与传统核心网、无线接入网不同，MEC 是在网络边缘靠近用户侧部署一种具备计算、存储和IT 服务的系统。通俗地说，就是通过在网络边缘部署具备存储、计算的网络设备，提供低时延、高带宽的网络服务，以便于本地网络快速获取相关数据或服务，提升用户体验。

MEC 与5G 网络结合，将互联网概念融入了移动通信网，产生了融合移动通信网。MEC 通过本地分流降低网络时延，给用户带来了极致的速度体验，还节省了数据回传至核心网时网络的带宽。MEC在网络边缘提供了计算、存储服务，为移动网络边缘的多元接入提供了无限可能。

一般情况下，MEC 部署在5G 网络边缘靠近用户侧。MEC 与核心网的用户面功能UPF 相连。MEC 可以充当应用服务或数据网络的角色。边缘计算与5G 的网络架构如图1 所示。

图1 边缘计算与5G的网络架构Fig.1 Edge Computing and 5G network architecture

2 边缘计算分流方案

边缘计算技术其本质上是对特定的数据流量进行本地分流。3GPP 标准主要定义3 种分流方案，分别为上行分类器分流、IPv6 多归属分流以及本地数据网络分流。

2.1 上行分类器分流

在5G 网络中，是否对PDU 会话的数据路径上插入上行分配器是由SMF 决定的。SMF 在PDU会话建立或建立后，决定为其插入一个上行分类器的UPF，或者删除一个带有上行分类器的UPF。带有上行分类器的UPF 与SMF 的流过滤器进行对比，将某些流量进行分流。

2.2 IPv6多归属分流

多归属PDU 会话是指一个PDU 会话可能对应多个IPv6 前缀。多归属PDU 会话通过多个PDU会话锚点访问数据网络。各个PDU 会话锚点对应的数据通道最后都会汇聚于一个公共的UPF，这个公共的UPF 转发上行流量到不同的PDU 会话锚点，并汇聚发送到终端的下行流量。在PDU 会话建立过程中或者建立后，SMF 决定在PDU 会话的数据路径上插入或者删除这个公共的UPF。这个公共的UPF 根据SMF 下发的过滤规则，通过检查数据包源IP 地址进行分流，向上转发上行业务包到不同的PDU 锚点，向下将各个锚点转发过来的数据合并。

2.3 本地数据网络分流

本地数据网络分流和应用的服务范围区域有关。当用户使用某个应用或服务时，一定是通过本地数据网络访问，当用户的位置不在本地数据网络的服务范围内时，不能接入。为了支持本地数据网络对访问范围的限制，5G 核心网的接入管理功能网元将本地数据网络的名称和服务范围发送给终端，终端根据所处位置决定是否可以发起PDU 会话建立请求。SMF 判断终端位于本地数据网服务范围后下发策略给UPF， UPF 采用相关策略进行分流。3 种分流方案对比如表1 所示。

表1 3种分流方案对比Tab.1 Comparison of three diversion schemes

根据《铁路5G 专网业务和功能需求暂行规范》（铁科信[2021]63 号）（简称铁路5G 需求规范），铁路5G 专网未来将承载90 项业务，不同的业务的应用场景不同，对5G 网络的时延、带宽要求也不同，铁路MEC 的分流方案需结合业务需求以及应用场景选择相适应的方案。

3 铁路5G网络MEC部署建议

铁路5G 网络主要包括客站、货站、铁路线路、列车4 大应用场景。

3.1 客站

根据铁路5G 需求规范，客站管理及信息传送（包括语音通信、数据传送、视频通信、视频传送）、乘务管理及信息传送（包括语音通信、数据传送、视频传送）等业务将采用铁路5G 专网承载。考虑到大型客站视频业务大，这类eMBB 业务需要带宽较大，为便于减小承载网回传带宽压力，提升网络传输效率，可在部分大型客站部署MEC 设备。为节约成本，小型车站可根据线路特点，就近利用大型客站的MEC 设备。客站边缘计算组网示意如图2 所示。

图2 客站边缘计算组网示意Fig.2 Edge computing networking diagram of passenger station

3.2 货站

铁路货站主要包括物流基地、编组站（场）等，货站有大量的调车作业。根据铁路5G 需求规范，无线调车机车信号和监控系统信息传送、远程调车系统信息传送、机车信号远程监测信息传送、养护维修作业、货场货运信息传送、站场综合自动信息传送等业务将利用铁路5G 专用网络承载。这些信息传送属于高可靠、低时延的uRLLC 业务。为减小信息传输时延，可根据需要在货站部署MEC 设备。货站边缘计算组网示意如图3 所示。

图3 货站边缘计算组网示意Fig.3 Edge computing networking diagram of freight station

3.3 线路

根据铁路5G 需求规范，铁路线路的灾害防护与周界入侵监测信息传送、空口及无线电干扰监测信息传送、基础设施动态综合检测信息传送、基础设施健康管理信息传送、养护维修作业信息传送、在途货运信息传送、公安通信、应急通信等业务将利用铁路5G 专网承载。这些信息大部分属于mMTC 业务，对传输带宽和时延要求不高，因此可不设置MEC 设备。

3.4 列车

列车主要包括动车组、机车、车辆等，列车司机需与地面调度进行通信，还有大量的车载监控信息需与地面设备进行信息传送。根据铁路5G 需求规范，调度通信（包含语音、视频）、司机通信、调度命令信息传送、车次号信息传送、列控信息传送、自动驾驶信息传送、车-车通信、超视距信息传送、机车同步操控信息传送、列控车载设备监测信息传送、车载无线通信设备监测信息传送、机车信号远程监控、动车组司机操控信息传送（包含语音、视频）、机车远程监测与诊断信息传送等业务将利用铁路5G 承载。这些业务涵盖了eMBB、uRRLC、mMTC 等3 大应用场景，为减小系统时延、降低承载网传输压力，建议在列车上部署MEC 设备。为保证列车内无线信号覆盖质量，建议在列车内部署车载终端设备CPE，实现车-地信息传输；部署车载小基站集中处理单元（CU）、分布式单元（DU）和射频拉远单元（RRU），实现车厢内信号覆盖。列车边缘计算组网示意如图4 所示。

图4 列车边缘计算组网示意Fig.4 Train edge computing networking diagram

4 结束语

随着行业内对铁路5G 关键技术的研究，铁路5G 专网业务需求、网络架构、网络功能以及覆盖方案逐渐清晰，但其边缘计算分流方案、部署原则、5G 网络安全、运维管理等方面还需进一步研究。本文从5G 网络边缘计算的架构入手，分析了3 种主流的分流方案，并对其优缺点及应用场景进行介绍，最后结合铁路业务需求，提出铁路MEC 边缘节点部署建议。