郜城城,周 旭,范鵬飛,任勇毛

1(中國(guó)科學(xué)院 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心,北京 100190)

2(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

隨著鐵路信息化的高速發(fā)展,鐵路網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)通信提出了越來越高的要求.自鐵路網(wǎng)絡(luò)誕生之初,鐵路網(wǎng)絡(luò)通信主要基于GSM-R[1]系統(tǒng),但由于GSM-R作為一種窄帶通信系統(tǒng),僅能用于鐵路的日常運(yùn)營(yíng)管理,難以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前鐵路諸多業(yè)務(wù)的承載,隨后研發(fā)了LTER[2]系統(tǒng).在LTE-R系統(tǒng)中,雖然在列車管理運(yùn)營(yíng),旅客上網(wǎng)沖浪等方面有了更好的支持.但是,在高鐵網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下,由于列車自身移動(dòng)速度快,無線傳輸?shù)目湛谫Y源有限,仍存在以下問題:

(1)車地之間無線資源有限,利用效率低.由于車地之間空口資源是有限的,車地之間所有數(shù)據(jù)都需通過空口鏈路傳輸.鏈路中的重復(fù)流量,未經(jīng)壓縮的流量,都會(huì)降低車地之間空口資源利用效率.

(2)車地之間傳輸穩(wěn)定性差,吞吐量低.由于車地之間是無線傳輸,而且是在移動(dòng)場(chǎng)景下的無線傳輸,相比有線傳輸而言,穩(wěn)定性會(huì)差,丟包率高,進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)吞吐量.

(3)列車和列車之間傳輸時(shí)延高.在LTE-R系統(tǒng)中,列車和列車之間的通信必須經(jīng)過核心網(wǎng)完成.由于高鐵列車行進(jìn)速度快,這種場(chǎng)景下帶來的高時(shí)延對(duì)行車安全有很大隱患.

由于LTE-R系統(tǒng)中存在上述問題無法解決.本文利用5G技術(shù)中移動(dòng)邊緣計(jì)算[3–5](Mobile Edge Computing,MEC)的概念,將MEC的理念應(yīng)用到LTE-R系統(tǒng)中,提出基于移動(dòng)邊緣計(jì)算的解決方案.移動(dòng)邊緣計(jì)算由ETSI國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織提出并制定,是基于5G架構(gòu)將基站與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)相融合的技術(shù);是利用無線接入網(wǎng),將就近電信用戶所需的服務(wù)融于云計(jì)算能力,所搭建的電信級(jí)服務(wù)環(huán)境.具體方案為在LTE-R系統(tǒng)基礎(chǔ)上,分別在高鐵車廂和沿途基站部署MEC服務(wù)器.高鐵車內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求先發(fā)送給車載MEC服務(wù)器,由車載MEC服務(wù)器負(fù)責(zé)和基站處MEC服務(wù)器通信,最后基站處MEC服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)通信,完成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的訪問.

當(dāng)分別在車廂和沿途基站部署了MEC服務(wù)器之后,車內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求通過車載MEC服務(wù)器發(fā)出,在MEC服務(wù)器上采用緩存技術(shù)和多流合并技術(shù),消除無線鏈路上的重復(fù)流量,提高車地之間無線空口資源利用率.其次,車載MEC服務(wù)器和基站處MEC服務(wù)器通信時(shí)采用特定的協(xié)議保障機(jī)制,提高車地之間無線傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性.最后,基于基站處MEC服務(wù)器的計(jì)算能力,在列車之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí),可直接通過基站處MEC服務(wù)器傳輸,縮短傳輸時(shí)延,提高列車運(yùn)行安全.

終上所述,在原有LTE-R系統(tǒng)基礎(chǔ)上,通過增加基站一側(cè)的MEC服務(wù)器和車廂內(nèi)部的MEC服務(wù)器,可以提高車地之間空口資源利用效率,保障車地之間無線傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性,降低列車之間數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延,解決現(xiàn)有LTE-R系統(tǒng)存在的問題.后面章節(jié)中,將詳細(xì)論述本文如何將MEC技術(shù)應(yīng)用到LTE-R系統(tǒng)中.其中,第一章詳細(xì)講述了MEC的概念及整體架構(gòu).第二章介紹了MEC在高鐵網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上的應(yīng)用.

1 LTE-MEC系統(tǒng)整體概述

邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟對(duì)邊緣計(jì)算[6]的定義是指在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè),融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的開放平臺(tái),就近提供邊緣智能服務(wù),滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求.

在邊緣計(jì)算的基礎(chǔ)上,移動(dòng)邊緣計(jì)算[7]的思想是把云計(jì)算平臺(tái)遷移到移動(dòng)接入網(wǎng)邊緣,試圖將傳統(tǒng)電信蜂窩網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)行深度融合,減少移動(dòng)業(yè)務(wù)交付的端到端時(shí)延,發(fā)掘無線網(wǎng)絡(luò)的能力,提升用戶體驗(yàn).具體來講,邊緣計(jì)算將網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)能力從云延伸到網(wǎng)絡(luò)邊緣,在網(wǎng)絡(luò)中加入一個(gè)邏輯終點(diǎn),是云計(jì)算結(jié)構(gòu)的組成部分.通過引入邊緣計(jì)算的理念,在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署各種服務(wù)和緩存內(nèi)容,移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步減輕了擁塞,并且可以有效地服務(wù)本地需求.

圖1 LTE-MEC整體架構(gòu)圖

如圖1所示,是在LTE-R系統(tǒng)中加入MEC服務(wù)器之后的架構(gòu)圖.因MEC服務(wù)器自身具備計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等能力,可以在基站附近提供智能服務(wù),使原本必須在互聯(lián)網(wǎng)中處理的業(yè)務(wù),可以下沉到MEC服務(wù)器上運(yùn)行,從而降低服務(wù)響應(yīng)時(shí)延,優(yōu)化現(xiàn)有LTE-R系統(tǒng).

2 MEC在高鐵網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上的應(yīng)用

2.1 MEC平臺(tái)及其在高鐵網(wǎng)絡(luò)中的架構(gòu)

圖2給出了MEC平臺(tái)[8]示意,主要包括MEC平臺(tái)物理設(shè)施層、MEC應(yīng)用平臺(tái)及MEC應(yīng)用層.

圖2 MEC平臺(tái)示意

(1)MEC平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施層基于通用服務(wù)器,采用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的方式,為MEC應(yīng)用平臺(tái)層提供底層硬件的計(jì)算、存儲(chǔ)等物理資源.

(2)由MEC的虛擬化管理和應(yīng)用平臺(tái)功能組件組成.其中,MEC虛擬化管理采用以基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)的思想,為應(yīng)用層提供一個(gè)靈活高效、多個(gè)應(yīng)用獨(dú)立運(yùn)行的平臺(tái)環(huán)境.MEC應(yīng)用平臺(tái)功能組件主要包括流量分析、緩存資源、流量壓縮合并、流量分拆、流量解壓縮、傳輸協(xié)議優(yōu)化等功能,并通過開放的API向上層應(yīng)用開放.

(3)基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化VM應(yīng)用架構(gòu),將MEC應(yīng)用平臺(tái)功能組件進(jìn)一步組合封裝成虛擬的應(yīng)用(流量壓縮緩存、多流合并、傳輸協(xié)議優(yōu)化),并通過標(biāo)準(zhǔn)接口開放給第三方業(yè)務(wù)應(yīng)用.

MEC在高鐵網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的應(yīng)用主要是通過在車廂內(nèi)部署MEC服務(wù)器,以及在LTE-R系統(tǒng)中的軌道基站一側(cè)部署MEC服務(wù)器共同實(shí)現(xiàn).如圖3所示,車內(nèi)的服務(wù)請(qǐng)求,按照車載網(wǎng)關(guān)MEC服務(wù)器、基站網(wǎng)關(guān)MEC服務(wù)器、互聯(lián)網(wǎng)的順序進(jìn)行發(fā)送.

在服務(wù)請(qǐng)求過程中,車載網(wǎng)關(guān)的MEC服務(wù)器具備以下4點(diǎn)功能:

(1)分析車內(nèi)請(qǐng)求.對(duì)于可以本地處理的服務(wù)請(qǐng)求,由車載網(wǎng)關(guān)的MEC服務(wù)器進(jìn)行本地化處理.對(duì)于不能本地化處理的服務(wù)請(qǐng)求,將以代理的形式,向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求.

(2)緩存網(wǎng)絡(luò)資源.列車曾經(jīng)訪問的網(wǎng)絡(luò)資源,將被緩存在車載MEC服務(wù)器中,為本地化處理做準(zhǔn)備.

(3)接收并處理來自基站MEC服務(wù)器的數(shù)據(jù).由于基站MEC服務(wù)器會(huì)對(duì)流量進(jìn)行合并及壓縮以節(jié)省空口帶寬資源,故車載MEC服務(wù)器需要對(duì)這部分流量進(jìn)行分拆和解壓縮.

(4)優(yōu)化無線傳輸.配合基站網(wǎng)關(guān)的MEC服務(wù)器共同提升無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性,降低丟包率.

在服務(wù)請(qǐng)求過程中,基站網(wǎng)關(guān)的MEC服務(wù)器有3點(diǎn)功能:

(1)分析車載MEC服務(wù)器的請(qǐng)求,合并重復(fù)流量.由于基站的空口資源有限,當(dāng)基站處MEC服務(wù)器分析到車載網(wǎng)關(guān)發(fā)出多個(gè)重復(fù)請(qǐng)求后,基站網(wǎng)關(guān)MEC服務(wù)器在返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)將只返回一份數(shù)據(jù).

(2)壓縮流量.為提高空口資源利用率,當(dāng)基站網(wǎng)關(guān)MEC服務(wù)器向車載網(wǎng)關(guān)MEC服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮.

(3)優(yōu)化無線傳輸.配合車載網(wǎng)關(guān)的MEC服務(wù)器共同提升無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性,降低丟包率.

圖3 整體架構(gòu)示意圖

如圖3所示,在車廂和基站處部署MEC服務(wù)器之后,基于兩級(jí)MEC服務(wù)器的功能,通過協(xié)同配合,將完成下述功能:

(1)基于MEC的流量緩存與壓縮.

(2)基于MEC的多流合并.

(3)車地之間無線傳輸優(yōu)化.

(4)車車之間數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延優(yōu)化.

在本章接下來的小節(jié)中,將詳細(xì)介紹以上4點(diǎn)功能.

2.2 基于MEC的流量緩存與壓縮

高鐵網(wǎng)絡(luò)中,車地之間的數(shù)據(jù)通過無線進(jìn)行傳輸.但由于無線資源有限,如何在有限的帶寬資源下,確保列車和乘客的需求得到滿足,及確保帶寬資源的合理分配及利用,提高空口帶寬利用效用,成為一個(gè)有待解決的問題.

面對(duì)該問題,本節(jié)提出兩個(gè)方案解決上述問題:

(1)基于MEC服務(wù)器,對(duì)靜態(tài)內(nèi)容緩存.

(2)基于MEC服務(wù)器,對(duì)單一流量壓縮.

圖4 基于MEC的流量緩存與壓縮時(shí)序圖

如圖4所示,當(dāng)列車或乘客發(fā)送一個(gè)內(nèi)容請(qǐng)求時(shí),首先會(huì)在車載MEC服務(wù)器中查找該內(nèi)容是否存在.如果車載MEC服務(wù)器已經(jīng)緩存過該內(nèi)容,則直接由車載MEC服務(wù)器將內(nèi)容返回,完成此次內(nèi)容請(qǐng)求.這樣既可以節(jié)省車地之間有限的傳輸帶寬,同時(shí)由于車載MEC服務(wù)器本地處理請(qǐng)求,用戶將會(huì)有更佳的用戶體驗(yàn).

否則,如果車載MEC服務(wù)器沒有緩存過該內(nèi)容,則車載MEC服務(wù)器將該請(qǐng)求發(fā)送給基站MEC服務(wù)器,基站MEC服務(wù)器再向互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行請(qǐng)求.當(dāng)基站MEC服務(wù)器收到互聯(lián)網(wǎng)返回的數(shù)據(jù)時(shí),要針對(duì)這部分流量做壓縮處理,然后將壓縮后的流量發(fā)送至列車.當(dāng)列車接收到這部分流量時(shí),先對(duì)壓縮的流量做解壓縮處理,并選取合適的內(nèi)容做緩存,同時(shí)將解壓后的內(nèi)容發(fā)送至列車或乘客處.由于在無線鏈路上傳輸?shù)氖墙?jīng)過壓縮之后的流量,將會(huì)降低鏈路的占用率.這樣,在無線鏈路帶寬資源有限的前提下,將可以承載更多業(yè)務(wù),有效提升帶寬資源利用效率.

通過上述兩個(gè)方案,可以提高車地之間無線資源的利用效率.同時(shí),當(dāng)乘客訪問已緩存內(nèi)容時(shí),可以獲得更好的用戶體驗(yàn).

2.3 基于MEC的多流合并

為了能夠提高無線傳輸資源的利用效率,針對(duì)單個(gè)流量、以及靜態(tài)的互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容,提出了流量壓縮和緩存的策略.但是當(dāng)無線鏈路上傳輸?shù)氖嵌鄠€(gè)相同流量,并且處于動(dòng)態(tài)變化中時(shí),僅僅壓縮流量不足以提高利用率,同時(shí),由于內(nèi)容是動(dòng)態(tài)變化,車載MEC服務(wù)器中也無法實(shí)現(xiàn)緩存.可見,上一節(jié)的方案明顯不足以解決這類問題.這種情況下,本節(jié)提出基于MEC的多流合并策略.

基于MEC的多流合并是指,當(dāng)列車或車內(nèi)乘客發(fā)出多個(gè)相同請(qǐng)求時(shí),車載MEC服務(wù)器便向基站MEC服務(wù)器發(fā)送多個(gè)相同請(qǐng)求.但是,當(dāng)基站MEC服務(wù)器從互聯(lián)網(wǎng)上獲取到數(shù)據(jù)向車載MEC服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),會(huì)進(jìn)行流量合并,只發(fā)送一份數(shù)據(jù).車載MEC服務(wù)器在獲取數(shù)據(jù)之后,再將數(shù)據(jù)分為多份發(fā)送至請(qǐng)求者.整個(gè)過程對(duì)用戶而言,完全透明.整個(gè)傳輸過程如圖5所示.

圖5 基于MEC的多流合并示意圖

由于在無線鏈路上,對(duì)多個(gè)相同流量做流量合并,因此可以顯著消除重復(fù)流量的傳輸,提高無線鏈路資源的利用效率.該功能發(fā)揮作用的一個(gè)場(chǎng)景是在車內(nèi)觀看直播.當(dāng)車內(nèi)有多個(gè)乘客觀看同一個(gè)直播內(nèi)容時(shí),比如體育賽事直播,乘客請(qǐng)求的數(shù)據(jù)都是相同的,且進(jìn)度也是同步的.雖然每個(gè)用戶在請(qǐng)求時(shí),都發(fā)出各自的請(qǐng)求,但是當(dāng)數(shù)據(jù)從互聯(lián)網(wǎng)返回時(shí),在基站MEC服務(wù)器中會(huì)對(duì)著多個(gè)流量合并為一個(gè)流量,傳輸給車載MEC服務(wù)器.車載MEC服務(wù)器接收到之后,將數(shù)據(jù)分別返回給每個(gè)請(qǐng)求的用戶.這樣,就在滿足用戶需求的前提下,極大壓縮了無線鏈路的傳輸占用比例,提高無線鏈路的利用效率.

2.4 無線傳輸優(yōu)化

在高鐵網(wǎng)絡(luò)中,車地之間的傳輸采用無線傳輸.在高速移動(dòng)的場(chǎng)景下,無線鏈路上較高的誤碼率以及列車和基站之間的頻繁切換,會(huì)導(dǎo)致大量的丟包,而此刻的丟包并非是是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)擁塞引起的,但由于TCP協(xié)議自身特點(diǎn),TCP會(huì)啟動(dòng)不必要的擁塞機(jī)制,造成鏈路空閑,浪費(fèi)發(fā)送機(jī)會(huì),導(dǎo)致性能下降[9].為了提升無線鏈路的TCP性能問題,本機(jī)提出了針對(duì)TCP連接的傳輸優(yōu)化方案.

如圖6所示,傳輸過程優(yōu)化是指對(duì)列車和基站之間的TCP連接進(jìn)行性能優(yōu)化,優(yōu)化的方法是在基站處的MEC服務(wù)器和列車上的MEC服務(wù)器中分別部署Snoop代理[10],Snoop方法是一種利用了傳輸層知識(shí)的鏈路層協(xié)議.以基站處MEC舉例,具體表示為,在基站的MEC服務(wù)器中部署Snoop代理,該代理監(jiān)視每條TCP連接的每一個(gè)包,即監(jiān)視基站發(fā)往列車的TCP報(bào)文段和收到的ACK,同時(shí)緩存所有未應(yīng)答的TCP報(bào)文段.該代理通過收到多個(gè)重復(fù)的ACK,發(fā)生本地超時(shí),來判斷某個(gè)報(bào)文段在無線鏈路上丟失,將緩存中的TCP報(bào)文段重傳,扔掉由該報(bào)文段丟失引起的重復(fù)的ACK,既能將無線鏈路上丟失的報(bào)文段恢復(fù),又能防止了發(fā)送端TCP收到多個(gè)重復(fù)的ACK而啟動(dòng)快速重傳.反之對(duì)列車上的MEC服務(wù)器中的Snoop代理亦是如此.通過該方案,將可以改善基站到列車方向的性能,同時(shí)改善列車到基站方向的性能.

圖6 無線傳輸優(yōu)化示意圖

在對(duì)無線傳輸優(yōu)化之前,由于無線傳輸不穩(wěn)定,造成丟包較為嚴(yán)重.對(duì)于采用TCP協(xié)議的應(yīng)用,頻繁出現(xiàn)丟包導(dǎo)致ACK無法及時(shí)確認(rèn),發(fā)送端將會(huì)以為網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)擁塞,從而降低發(fā)送窗口大小,降低無線鏈路吞吐量.在對(duì)無線傳輸優(yōu)化之后,對(duì)于采用TCP協(xié)議的應(yīng)用,即使頻繁出現(xiàn)丟包,由于Snoop代理的存在,并不會(huì)減小發(fā)送窗口大小,從而確保無線鏈路能擁有較大的吞吐量,優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸性能.

2.5 列車之間數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延優(yōu)化

對(duì)高鐵而言,一個(gè)重要特點(diǎn)是列車的行駛速度快.由于行駛速度快,列車與列車之間的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延如果高,將會(huì)給行車安全帶來威脅.傳統(tǒng)方案中,列車之間傳輸數(shù)據(jù)需要通過基站傳送至核心網(wǎng),由核心網(wǎng)傳輸給中央控制室,統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)列車之間的數(shù)據(jù).但由于高鐵場(chǎng)景中,列車行駛速度快,故該方案的高時(shí)延會(huì)威脅高鐵的行車安全.為優(yōu)化列車之間數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延,本節(jié)提出的方案將基于基站MEC服務(wù)器做數(shù)據(jù)傳輸,避免經(jīng)過核心網(wǎng)、中央控制室.從而有效節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延.

基于基站MEC服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是指,當(dāng)兩輛高鐵列車連接同一個(gè)基站,前方列車采集的數(shù)據(jù)向其后方列車發(fā)送時(shí),列車通過無線傳輸先發(fā)送至基站處的MEC服務(wù)器,然后基站處MEC服務(wù)器將采集的數(shù)據(jù),直接發(fā)送至該基站下的另一輛列車.

具體過程如圖7所示,前方行駛的列車,將列車的運(yùn)行狀態(tài)和路面信息先回傳至基站側(cè)MEC服務(wù)器,這時(shí)如果有其他車輛也連接在該基站下面,MEC服務(wù)器則直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給該車輛,無需將數(shù)據(jù)通過核心網(wǎng)發(fā)送至中央控制室,再由中央控制室發(fā)送給其他車輛.由于節(jié)省發(fā)送至中央控制室的步驟,故可以顯著降低其他列車接收數(shù)據(jù)的時(shí)延.因此,在前面列車發(fā)現(xiàn)路面有故障的情況下,后續(xù)列車可以在最短時(shí)間接收到故障信息,采取措施,避免由于時(shí)延過長(zhǎng)帶來的危險(xiǎn)因素,增加列車行駛過程中的安全系數(shù).

3 試驗(yàn)結(jié)果

基于本文提出的方案,在某鐵路局所屬路段部署了小規(guī)模試驗(yàn)網(wǎng),進(jìn)行了實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的測(cè)試驗(yàn)證.

3.1 試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)路段全長(zhǎng)X公里,包含三個(gè)基站及一套核心網(wǎng)系統(tǒng),拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示.三個(gè)基站分別標(biāo)記為YL-0、YZ-0和YZ-YL-0,位置關(guān)系如圖9所示,其中YZ-YL-0為中間基站,YL-0和YZ-0為兩端基站.YZ-0與YZ-YL-0之間的距離為12.4 km,YZ-YL-0和YL-0之間的距離為14.4 km.基站信號(hào)覆蓋高鐵鐵軌以及與鐵軌平行的高速公路.三個(gè)基站處均部署了本文提出的MEC基站網(wǎng)關(guān).基站網(wǎng)關(guān)連接至核心網(wǎng),通過核心網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng).

圖7 列車之間數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延優(yōu)化示意圖

圖8 試驗(yàn)環(huán)境拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本次試驗(yàn)還對(duì)一輛列車及一輛汽車進(jìn)行了改裝,在兩輛車上都部署了本文提出的MEC車載網(wǎng)關(guān).試驗(yàn)時(shí),使用改裝之后的車輛在三個(gè)基站附近往返完成相關(guān)網(wǎng)絡(luò)性能試驗(yàn).

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

試驗(yàn)一:網(wǎng)絡(luò)整體性能.分別在信號(hào)強(qiáng)弱方面選取好、中、差測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,當(dāng)測(cè)試終端附著到基站之后進(jìn)行FTP上下行傳輸測(cè)試,獲得上下行傳輸速率.

該試驗(yàn)針對(duì)基站的信號(hào)強(qiáng)弱做上傳下載速度測(cè)試,得到的最大下載速度是129.57 Mbps,最差下載速度是11.72 Mbps,該下載速度為后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果限定了下載速度的區(qū)間,即正常的下載結(jié)果應(yīng)介于11.72 Mbps和129.57 Mbps.網(wǎng)絡(luò)整體性能優(yōu)良.

試驗(yàn)二:車載網(wǎng)關(guān)的下載加速試驗(yàn).在行駛的車輛中將電腦連接車載網(wǎng)關(guān),從互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行軟件下載操作,分別在車載網(wǎng)關(guān)有緩存和無緩存的情況下,對(duì)比下載速度.

圖9 基站網(wǎng)關(guān)位置關(guān)系圖

表1 上傳下載試驗(yàn)結(jié)果

表2 有無緩存對(duì)照實(shí)驗(yàn)

表3 往返時(shí)延對(duì)照試驗(yàn)(單位:ms)

通過以上試驗(yàn)數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)車載MEC緩存對(duì)下載速度的提升十分明顯.

試驗(yàn)三:基站網(wǎng)關(guān)的下載加速試驗(yàn).

在車內(nèi)使用FTP工具,下載位于基站網(wǎng)關(guān)中的文件,測(cè)試得到下載平均速率為117 Mbps.

在車內(nèi)使用FTP工具,下載位于互聯(lián)網(wǎng)上的文件,測(cè)試得到的下載速率為13 Mbps.

通過對(duì)比,發(fā)現(xiàn)當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)下沉到基站MEC服務(wù)器時(shí),下載速度明顯改善.

試驗(yàn)四:傳輸時(shí)延優(yōu)化試驗(yàn).在車內(nèi)使用三組數(shù)據(jù)ping 不同網(wǎng)關(guān),每組數(shù)據(jù)是100個(gè)標(biāo)準(zhǔn)ping包,獲取傳輸時(shí)延數(shù)據(jù).

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在車內(nèi)訪問車載網(wǎng)關(guān)的平均時(shí)延只有0.19 ms,訪問基站網(wǎng)關(guān)的平均時(shí)延是14.827 ms,訪問互聯(lián)網(wǎng)的平均時(shí)延則是37.867 ms.采用了MEC基站網(wǎng)關(guān)后,數(shù)據(jù)傳輸與處理的時(shí)延相比互聯(lián)網(wǎng)減少23 ms左右.因此,將鐵路相關(guān)數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)下沉至基站可以有效減少服務(wù)的響應(yīng)時(shí)間.

4 結(jié)語(yǔ)

由于現(xiàn)有GSM-R系統(tǒng)和LTE-R系統(tǒng)無法徹底解決高鐵場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)通信中存在的問題,本文基于5G中邊緣計(jì)算的思想,將移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù),應(yīng)用到LTE-R系統(tǒng)中,為MEC技術(shù)在高鐵通信網(wǎng)絡(luò)中的研究奠定了基礎(chǔ).

為驗(yàn)證本文方案的有效性,在真實(shí)環(huán)境中部署了對(duì)應(yīng)設(shè)備并完成了相關(guān)試驗(yàn),驗(yàn)證了車載網(wǎng)關(guān)、基站網(wǎng)關(guān)在下載速度和傳輸時(shí)延方面的優(yōu)勢(shì).在后續(xù)工作中,還將在無線傳輸優(yōu)化、降低時(shí)延、流量壓縮等方面展開進(jìn)一步研究.