高铁数据传输中融合MEC理论的核心技术

王万齐 沈海燕 程清波 端嘉盈 鲁玉龙

（中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所 北京市 100081）

现代信息技术发展为人们的生产和生活带来极大便利，而数据通讯技术已经成为必不可少的工作与生活组成部分。为深化贯彻国家创新驱动发展战略及落实“交通强国、铁路先行”，稳定可靠的通信质量才能不断深化总公司“提质增效、强基达标”工作主题，全面提升铁路安全生产、运输管理、客运服务的信息化、数字化、智能化水平。

1 高铁网络发展现状及问题分析

根据相关文献资料显示，铁路网络自从诞生之日开始，便在实施环节以GSM-R 系统作为基础，但是这种系统在使用中因为是窄带通信网络，所以只能够局限应用在日常运用管理环节。由于GSM-R 技术制约性，相继研发出LTE-R 系统，这种系统在使用过程中，虽然能够在高铁列车运营管理环节以及乘客上网环节中提供良好服务，但在高铁高速运行场景下，所能够提供的无线传输空口资源数量相对不足，总体而言，仍旧存在以下三个方面不足：

（1）高铁列车与地面之间所具备的无线资源相对有限，并且在利用的时候效率也相对不高。因为空口资源的数量不足，在高铁列车和地面之间进行传输的数据均需要在传输的时候全部通过空口链接，造成链路之中出现流量重复的现象，此外还有流量没有经过压缩，从而造成在高铁列车和地面之间的空口资源具有较低的利用率。

（2）在高铁列车和地面之间具有相对较差的传输稳定性以及较低的吞吐量。这是因为在高铁列车和地面之间进行无线传输的时候是基于移动场景，这种方式与有线数据传输之间存在着很大的不同，这种方式具有较差的稳定性，并且其丢包率也相对比较高，从而在很大程度上会降低传输网络的吞吐量。

（3）在高铁列车和高铁列车之间存在着较高的传输延迟。在LTE-R 系统当中，高速列车之间的通信必须要通过使用核心网才得以完成。因为高铁列车在行驶的过程中拥有极快的速度，在这种场景之下若是存在着较高的延迟，将会对高速列车的行驶产生很大的安全隐患。

在LTE-R 系统之中，尚不能针对上述问题提出有效的解决方案，所以基于5G 技术的移动边缘计算MEC（Mobile Edge Computing，MEC）便随着5G 技术的发展而被提出。在LTE-R 系统中运用移动边缘计算，进而提出以移动边缘作为基础的高铁列车网络建设方案。具体的实施方案是以LTE-R 系统作为基础，分别的将MEC 服务器部署在沿途的基站以及高铁的车厢之内，高铁列车在运行的过程中，车内的网络请求将首先会发送到车载的MEC 服务器内，之后车载MEC 服务器便与基站位置的MEC 服务器进行通信，完成用户请求访问网络的服务。

当MEC 服务器部署在高铁列车的沿途基站以及高铁列车的车厢之内，车内的网络请求将会在发出之前通过车载MEC 服务器，而此时的车载MEC 服务器便会通过使用多流合并技术以及缓存技术将在无线链路上所出现的重复流量消除，从而提升在高铁列车与地面基站之间的无线空口资源利用效率。其次，位于高铁列车车厢内的MEC 服务器和高铁列车沿线基站位置的MEC 服务器，可以通过使用特定的协议保障机制完成通信，提升高铁列车和地面之间的无线传输稳定性以及传输的速度。在最后，以位于基站位置的MEC 服务器计算能力作为依据，在列车之间展开传输数据信息时，便可以通过基站位置的MEC 服务器进行直接传输，这种措施能够很好的降低传输的延时，提升高铁列车在运输环节中的数据通信稳定性和列车安全性。

综上而言，基于LTE-R 系统增加高铁列车车厢内部的MEC 服务器以及基站位置的MEC 服务器，能够有效地提升高铁列车和地面之间的空口资源利用效率，最大化的确保高铁列车和地面之间具有稳定的无线传输以及高速度的无线传输，从而实现高铁列车在运行过程中的传输时延，将LTE-R 系统所存在的不足予以解决。

2 LTE-MEC（移动边缘计算）系统整体结构

就边缘计算产业联盟对边缘计算的含义，是指在于数据源头以及靠近物等网络边缘一侧，与具有核心能力、计算能力、存储能力和融合网络能力的开放平台相结合，就最近的位置提供电源智能服务。这项技术的运用能够满足行业内部对于数字化发展的实时业务需求、安全和隐私保护需求、敏捷连接需求、优化数据信息需求和应用智能技术的需求。

基于移动边缘计算的主要思想是在移动接入网边缘的位置，将云计算平台迁移至此，尝试性的将电信领域中传统的蜂窝网络服务高度结合互联网业务，最大限度的实现将在开展移动交付环节降低端到端之间所出现的延迟现象。通过多种方式将印在在无线网络当中的能力发掘。具体而言，边缘计算所具有的能力有计算能力、存储能力和网络能力，这三项能力能够以云为基础眼神到网络的边缘位置，在网络上增加逻辑重点，这种方式也是与计算结构组成的重要内容之一。通过将边缘计算的概念和理论引入到研究工作当中，能够很好的缓存内容，并且在网络边缘位置将各种服务进行部署[1]。发展移动核心网络可以在最大化程度上实现拥塞降低的目的，为本地的需求提供有效的服务。

因为MEC 服务器自身便具有网络能力，存储能力和计算能力，所以在使用的过程中可以为附近的基站提供智能化的服务，让原本需要在互联网环境中展开的业务能够下沉到MEC 服务器之上进行处理。这种方法可以实现服务响应延时降低的目标，对已有的LTE-R 系统做出优化。

3 基于高铁网的MEC（移动边缘计算）平台及关键技术

3.1 基于高铁网络架构的MEC服务器平台

在图1 平台示意图中所包含的内容有MEC 平台基础设施层、MEC 应用平台层和MEC 应用层。

MEC 平台基础设施层是以通用的服务器作为基础而设计的，在计算和存储MEC 应用平台底层物理资源的时候，需要使用网络功能虚拟化的方式展开。

图1：MEC（移动边缘计算）平台示意图

MEC 数字化管理是基于基础设施为服务的思想，将高效灵活以及拥有多个独立运行的平台环境提供给应用层。MEC 应用平台的功能组件，主要包含有资源的缓存、合并和压缩流量、分解和压缩流量、优化数据传输协议、分解流量以及分析流量等功能，通过使用具有开放性的API 向上层应用开放。

Vm 应用架构是以网络功能作为基础进行虚拟化而获得，是需要将MEC 应用平台功能组件进行更深入的组合和封装，从而形成具有虚拟性质的应用，实现优化传输协议、合并多流量以及缓存压缩流量的目的，借助于标准接口开放为第三方业务提供服务[2]。

在高铁建设中的网络架构，若是运用MEC，那么便需要将MEC 服务器部署在高铁列车的车厢之内，同时还需要将MEC 服务器部署在LTE-R 系统轨道基站一侧，使得两个位置的MEC 服务器共同实现其功能。详细如图2 所示。

在图2 中，高铁列车的车厢以及基站位置所部署的Mac 服务器部署完成之后，需要以两级MEC 服务器功能作为依据，高效配合和协调其功能。在使用当中需要完成以下四个方面的功能。

（1）要以MEC 服务器作为基础进行压缩和缓存流量。

（2）要以MEC 服务器作为基础进行多流合并，

（3）在高铁列车和地面之间进行无线传输网络的优化。

（4）在高铁列车和高铁列车之间优化传输网络的延时。

3.2 基于MEC（移动边缘计算）理论的压缩和缓存流量技术

在高铁列车到网络系统建设当中，需要实现高铁列车和地面两者之间的无线数据传输。但是因为有限的无限资源，所以，需要不断对带宽的资源进行优化，保证利用的合理性和分配的高效性，提升空口带宽的使用效率。

图2：边缘计算服务器部署架构示意图

当高铁列车或者是位于列车内部的乘客将一个请求内容发送时，首先该请求内容将会与车厢内部所安置的MEC 服务器是否存在该内容进行匹配，倘若在车载的MEC 服务器当中能够匹配到请求的内容，请求的内容将会直接由车载MEC 服务器返回，当该环节结束以后，则意味着已经完成的本次内容请求的任务。这种方式的出现和使用，可以解决在地面与高铁列车在运行过程中浪费有线传输带宽的现象。，与此同时还能够提升列车MEC 服务器处理本地请求的能力，满足高铁列车上的乘客以及高铁列车的用网体验[3]。若是请求的内容没有在车载MEC 中得到匹配，那么便会继续由车载MEC 服务器将请求的内容传输到地面基站MEC 服务器之中，位于地面的基站MEC 服务器需要将请求内容传输到互联网。当地面基站MEC 服务器在接收到来自于互联网的相关数据信息时，便会对这部分流量展开压缩处理，将其发送到列车车载MEC 服务器。当列车接触到这部分流量时，对其作出再次处理和压缩，缓存合适的数据内容。另外，在对数据信息压缩完成之后，将会在最短的时间内将其传输到用户端。基于无线链路在传输的时，通过完成流量压缩，能够在很大程度上降低链路占用率保证无线链路带宽资源有限的前提之下，承载更多的业务需求，提升利用带宽资源的效率。

4 基于MEC的低延时数据传输解决方案

高铁列车最大的特点是拥有极快的行驶速度，从而为列车运行的安全造成严重的威胁。在传统方案中，不同列车之间在进行数据传输时，需要通过使用基站将数据信息传输到核心网，再由核心网将数据信息传输到中央控制室，统一转发到列车之间。但是因为高铁列车在运行中拥有极快的运行速度，所以此方案为高铁安全运行带来隐患。

为了对运行高铁列车时所出现的传输数据信息发生的时延，在本文的研究过程中，针对于这类问题提出了基于基站MEC 服务器传输数据信息的方案，从而可以深入解决在传输数据信息时经过中央控制室和核心网的问题，通过削减传输环节实现传输效率提升。当两辆高铁列车连接到相同基站时，前方运行的高铁列车可以将采集到的数据信息，及时传输到后方的高铁列车。列车可以通过无线传输将所获取的信息数据发送到基站位置的MEC 服务器，当位于基站位置的MEC 服务器在获取数据信息时，直接发送到基站下一个方向的高铁列车[4]。同时，前方行驶的高铁列车在行驶途中可将面信以及运行状态首先传送到位于地面的基站MEC 服务器。当后方有高铁列车与该基站的MEC 服务器连接时，运行的高铁列车便能够及时获取数据信息。此方案可以绕过中央控制室和核心网环节，提升数据信息传输速度，降低传输时延。并且，当前面运行的高铁列车发现地面出现故障时，后续的高铁列车能够在最短的时间内接受到前面的故障信息，及时采取有效控车措施，从而避免列车运行中的安全威胁。这种方式能够很好的避免时延过长而带来的安全隐患，极大提升高铁列车在运行过程当中的安全系数，为铁路安全运营保驾护航。

5 结束语

通过分析高铁网络中传统LTE-R 和GSM-R 现状及问题，提出了LTE-MEC（移动边缘计算）系统整体架构，构建了基于高铁网络架构的MEC（移动边缘计算）平台，研究了基于MEC（移动边缘计算）理论的压缩和缓存流量技术及工作原理，为MEC（移动边缘计算）在高铁通信网络中的应用奠定了技术基础，具有参考和借鉴意义。