楊躍平 俞春信

【摘要】? ? 當(dāng)前城軌交通車地?zé)o線通信廣泛使用LTE-M網(wǎng)絡(luò)，隨著智慧軌道交通的發(fā)展，LTE-M技術(shù)瓶頸逐漸顯現(xiàn)，南京聯(lián)通提出基于5G+邊緣計(jì)算平臺(tái)的智慧軌道交通解決方案，利用5G大帶寬、低時(shí)延、廣連接特性，疊加MEC本地化平臺(tái)能力，以滿足智慧軌道交通對(duì)車地大數(shù)據(jù)回傳、低時(shí)延控制、差異化傳送通道等需求。

【關(guān)鍵詞】? ? 智慧城軌? ? 5G+MEC? ? 列控系統(tǒng)? ? GRE隧道? ? 反向控制

引言：

在現(xiàn)代交通運(yùn)輸中，城軌交通系統(tǒng)是城市交通系統(tǒng)的重要組成部分，被稱為城市交通的主動(dòng)脈。我國(guó)已開(kāi)通城軌交通的城市共有47個(gè)，交通線路長(zhǎng)度共計(jì)6730.27千米[1]，我國(guó)已是軌道交通強(qiáng)國(guó)。

基于通信的列控系統(tǒng)（CBTC）是城軌交通的大腦。隨著全自動(dòng)系統(tǒng)的推廣及各廠家互聯(lián)互通系統(tǒng)的實(shí)施，各設(shè)備間的耦合度也越來(lái)越強(qiáng)，這也就對(duì)CBTC通信的時(shí)延和質(zhì)量有了更高的要求[2]。而5G時(shí)代的到來(lái)賦能城軌交通為其智能化變革帶來(lái)新契機(jī)。

一、南京5G+MEC+智慧城軌項(xiàng)目

（一）項(xiàng)目背景

2019年12月，南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司、西門(mén)子交通技術(shù)（北京）有限公司、中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司南京市分公司聯(lián)合規(guī)劃，初期在地鐵2號(hào)線馬群車輛測(cè)試基地進(jìn)行地鐵控制信號(hào)5G試點(diǎn)工作，協(xié)力在打造全國(guó)首個(gè)5G智慧軌道示范項(xiàng)目。

（二）5G+MEC方案

南京馬群車輛基地目前已完成對(duì)軌道、站臺(tái)、機(jī)房、車庫(kù)、檢修車間等場(chǎng)景基于NSA和SA的地鐵專網(wǎng)覆蓋，1.2KM模擬隧道場(chǎng)景的3.5GHz漏纜覆蓋，以及省內(nèi)首個(gè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)MEC節(jié)點(diǎn)的搭建與調(diào)試。

如圖所示，其基于5G網(wǎng)絡(luò)能力和邊緣計(jì)算能力，通過(guò)UPF和算力下沉實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在運(yùn)營(yíng)商邊緣機(jī)房或客戶側(cè)機(jī)房的本地卸載，提升數(shù)據(jù)安全（不出園區(qū)）和快速響應(yīng)（低時(shí)延）能力[3]。

（三） 智慧城軌

該項(xiàng)目已具備地鐵三大業(yè)務(wù)系統(tǒng)全部向MEC平臺(tái)的遷移條件并進(jìn)行創(chuàng)新可行性研究：1.列控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)更低的控制時(shí)延，提升安全性;2.車載大數(shù)據(jù)故障診斷系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳;3.CCTV業(yè)務(wù)系統(tǒng)十個(gè)受邀廠家對(duì)行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試。

二、列控反向控制問(wèn)題原理

（一）列控系統(tǒng)

南京馬群地車輛基地在CBTC模式下使用的是西門(mén)子的TGMT（TrainGuard MT）移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)。通過(guò)無(wú)線通信和無(wú)線定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行停車點(diǎn)、緊急停車、折返、速度監(jiān)視和停車點(diǎn)監(jiān)視、車地通信、巡航/惰行、計(jì)算車速、管理車次號(hào)/車組號(hào)和里程等功能[4]。

如圖3.1所示，TGMT列控系統(tǒng)反向控制流程：TGMT列控平臺(tái)->TGMT交換機(jī)-> FW -> GW -> DC -> UPF -> GW -> DC -> ASG ->基站->終端。

（二） 問(wèn)題描述

列控系統(tǒng)進(jìn)行控制調(diào)試時(shí)，由車載計(jì)算機(jī)向列控平臺(tái)發(fā)起的正向連接可以正常Ping通。經(jīng)過(guò)測(cè)試分析，通過(guò)此連接可以有效回傳車輛數(shù)據(jù)至列控平臺(tái)，時(shí)延方面滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

但由列控平臺(tái)向車載計(jì)算機(jī)所發(fā)起的反向控制連接卻無(wú)法Ping通，從而導(dǎo)致列控平臺(tái)無(wú)法正常下發(fā)指令控制車輛運(yùn)行。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試與分析，發(fā)現(xiàn)由于車載計(jì)算機(jī)位于5G終端后，使用的是私網(wǎng)地址。其使用網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換協(xié)議（NAT）通過(guò)公用網(wǎng)關(guān)訪問(wèn)Internet，私網(wǎng)的計(jì)算機(jī)可向Internet上的其他計(jì)算機(jī)發(fā)送連接請(qǐng)求，但I(xiàn)nternet上其他的計(jì)算機(jī)無(wú)法向私網(wǎng)的計(jì)算機(jī)發(fā)送連接請(qǐng)求?；谒骄W(wǎng)地址對(duì)公共網(wǎng)絡(luò)的不可見(jiàn)性，所以由列控平臺(tái)發(fā)起的反向控制連接無(wú)法正常Ping通。

三、解決方案與效果

（一）解決方案

針對(duì)此問(wèn)題，擬在MEC的UPF側(cè)與5G終端之間搭建一條GRE （Generic Routing Encapsulation）隧道。GRE是一種隧道技術(shù)，其特定示例是IP-in-IP隧道。連接兩個(gè)端點(diǎn)（MEC的UPF側(cè)和5G終端）的IP隧道充當(dāng)IP骨干網(wǎng)的覆蓋，并且通過(guò)隧道發(fā)送的流量對(duì)于基礎(chǔ)骨干是不透明的。 實(shí)際上IP骨干網(wǎng)被用作鏈路層技術(shù)，并且隧道形成了被視為虛擬鏈路的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路。以此來(lái)實(shí)現(xiàn)從列控平臺(tái)到車載計(jì)算機(jī)的聯(lián)通。

（二）測(cè)試環(huán)境

在5G+MEC專網(wǎng)環(huán)境下布置1.2KM的3.5GHz漏纜模擬城軌隧道場(chǎng)景信號(hào)覆蓋，通過(guò)使用TGMT列控系統(tǒng)，驗(yàn)證所搭建的GRE隧道是否可以聯(lián)通車載計(jì)算機(jī)并下發(fā)控車指令，實(shí)現(xiàn)列控反向控制。

如表1所示，在地址為192.168.255.46的MEC端UPF側(cè)與地址為10.0.1.5的5G終端之間搭建一條GRE隧道。其中5G終端的虛擬接口IP設(shè)置為：10.10.10.1、UPF側(cè)的虛擬接口IP設(shè)置為：10.10.10.2。

（三）測(cè)試結(jié)果

使用Ping命令來(lái)檢測(cè)從列控平臺(tái)（使用Ubuntu系統(tǒng)，IP地址為：10.32.255.254）至車載計(jì)算機(jī)（IP地址為：10.32.48.1）的聯(lián)通性，每0.2秒Ping一次，每個(gè)包64字節(jié)，共Ping 581次，共發(fā)出581個(gè)包，收到581個(gè)包，丟包率為0%。其中最小反應(yīng)時(shí)間為5.846ms，最大反應(yīng)時(shí)間為102.562ms，平均反應(yīng)時(shí)間為9.281ms，本機(jī)硬件耗費(fèi)時(shí)間為4.456ms。結(jié)果表明，從列控平臺(tái)至車載計(jì)算機(jī)已成功聯(lián)通并可下發(fā)指令實(shí)現(xiàn)反向控制。時(shí)延方面也滿足行業(yè)5G標(biāo)準(zhǔn)要求。

四、結(jié)束語(yǔ)

南京地鐵馬群車輛基地作為全國(guó)首個(gè)承載智慧城軌交通的5G邊緣云平臺(tái)，該項(xiàng)目具有示范性意義。本文提出在MEC的UPF側(cè)和5G終端之間搭建一條GRE隧道，用來(lái)解決從列控平臺(tái)到私網(wǎng)內(nèi)的車載計(jì)算機(jī)的反向聯(lián)通。測(cè)試結(jié)果表明通過(guò)搭建IP-in-IP的GRE隧道，從列控平臺(tái)成功Ping通車載計(jì)算機(jī)，并在時(shí)延方面也達(dá)到5G行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)列控反向控制。該解決方案也為5G+MEC信號(hào)領(lǐng)域的探索提供了范例。

作者單位：楊躍平? ? 俞春信? ? 南京聯(lián)通

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]韓寶明， 陳佳豪， 楊運(yùn)節(jié)， et al. 2019年世界城市軌道交通運(yùn)營(yíng)統(tǒng)計(jì)與分析綜述[J]. 都市快軌交通， 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， 閔鵬. 城軌交通西門(mén)子TGMT移動(dòng)閉塞信號(hào)培訓(xùn)測(cè)試系統(tǒng)[J]. 鐵道通信信號(hào)， 2019（3）.