网络功能虚拟化及其在轨道交通通信网络中的应用研究

网络功能虚拟化及其在轨道交通通信网络中的应用研究

厉栋

宁波轨道交通集团有限公司运营分公司    浙江省   宁波市   315000

摘要：随着城轨交通的高质量发展，通信技术的应用愈加受到重视。通过网络功能虚拟化研究，有助于实现连续、可靠、安全、不间断的城市轨道通信保障。轨道交通系统需要高效、安全的通信网络来支持列车控制、故障监测和乘客信息传输等功能。网络功能虚拟可以通过软件定义的方式提供更加灵活、可扩展的网络功能。基于此，本文主要分析了网络功能虚拟化及其在轨道交通通信网络中的应用。

关键词：网络功能虚拟化；轨道交通通信网络；应用

引言

在轨道交通通信网络中，网络功能虚拟化具有重要的应用价值。将网络功能虚拟技术引入轨道交通领域是一个复杂而具有挑战性的任务，需要综合考虑实时性、网络安全性、资源管理和调度、整合与互操作性，以及系统可靠性与容错性等重点难点，并采取相应的解决措施，以确保轨道交通系统的正常运行和安全性。

1轨道交通通信系统概述

轨道交通通信系统是指在轨道交通运营过程中，为确保安全、高效的信息传递和控制而建立的一系列通信技术系统的总称。这些系统不仅涵盖了车站与列车之间、列车之间以及列车与指挥中心之间的无线通信，还包括了有线通信、数据传输、公共通信等多个方面。通信系统作为城市轨道交通运营的重要组成部分，为实现轨道交通信息传输提供了技术保障。通信系统是城市轨道交通传输语音、数据、图像等信息，为运输生产和运营管理提供通信业务的关键系统，主要包括传输子系统、支撑子系统和业务子系统[1]。随着城市轨道交道运营线路条数、运营车站数、运营里程数、跨线路业务数的大幅度增长，对交通通信系统设备运行性能的要求也逐渐升高。为了提高通信系统设备运行的质量与效率，充分发挥通信系统设备的性能与效应，在当前大规模网络化运营下，针对城市轨道交通，开展了通信系统设备运营与维护的深入研究。

2网络功能虚拟化分析

基于网络管理系统的运行要求，在应用虚拟化技术的过程中，要结合系统规范制定相应的技术处理规划，确保技术处理体系和运行管理效果均能满足预期，确保实时性分析控制的合理性。随着虚拟化技术的发展进步，网络管理系统中虚拟化技术的应用效果受到了更多的关注，要积极整合具体的管理内容，建构完整管控机制的同时，确保协同控制环节的合理性和规范性，更好地维护虚拟化平台功能效果[2]。

3网络功能虚拟化在轨道交通通信网络中的应用

随着智能化等新的数字信息技术在智能交通领域的广泛应用和各种国家级纲要文件的颁布执行，道路交通发展进入转型升级的黄金期，道路网络规模和质量都有了突飞猛进的提高。以交通强国的建设为引领，提出建设集经济性、便捷性、通畅性、高效性、智能型、前瞻性、安全性为一体的可靠的交通运输领域。

3.1专用通信网络

目前，现有轨道交通专用全球移动通信系统作为窄带宽和低速率的通信系统不能满足智能轨道交通服务的要求，包括列车多媒体调度通信、智能运营和维护等。同时，GSM-R还面临着产业链支撑不足的问题，迫切需要向新一代轨道交通通信系统演进。为了满足高数据速率和大规模连接网络及协议的要求，5G-R已引起了广泛关注。5G的高数据速率、低延迟和高连接密度特性可以为智能轨道交通应用提供高质量的服务。将5G通信技术应用在大规模天线阵列中，能够使同频率资源实现多条信号的传输，充分利用稀缺频带资源使网络容量得到提高。大规模天线阵列能够实现轨道交通系统的设备接入，并且波束赋形存在方向性和抗干扰能力，使列车运行过程中的稳定性增加，还能够辅助轨迹追踪、车辆定位等[3]。

3.2监控系统和总体编排架构

在轨道交通基础设施上部署SDN通信网络，需要在外围位置首先实现先进的网络功能虚拟和边缘计算。基于网络功能虚拟的解决方案能够将可编程服务链功能应用于特定流量，其思路是在每个外围位置部署通用的IT资源，这些资源可以托管给位于中心点的协调器来动态创建多个VM（或虚拟容器），从而支持所需的特定服务。SDN网络设备可由SDN控制器编程，将特定业务流引导至每个VM，从而实现VNF的可配置链。

3.3列车通信系统

列车控制系统（以下简称“列控系统”）是保障城市轨道交通运营效率和运行安全的核心设备。得益于计算机、信息和通信技术的不断发展，列控系统已由人工控制、继电控制进入计算机和网络化控制时代，城市轨道交通的安全性和运营效率也由此得以不断提升。列车控制与监视系统是现代轨道车辆的关键系统之一，系统的功能安全是列车安全稳定运行的重要保障。随着网络通信技术的快速发展，轨道车辆信息化程度不断提高，列车控制与监视系统逐渐开始承载安全相关的控制功能，如方向控制、常用制动、超速防护等。通信功能作为列车控制与监视系统的关键功能之一，构建涉及安全功能的通信通道，实现安全数据的传输，是列车控制与监视系统实现所承担安全功能的必要环节。网络功能虚拟技术可以将列车通信功能虚拟化，并在列车和基站之间建立虚拟链路，提高通信效率和可靠性，同时降低成本

[4]。

3.4网络安全

过去需要沿着轨道交通配置一组基础设施设备时，技术人员必须手动和到达本地配置设备，此过程会导致配置的设备之间存在时间不同步的缺陷。在软件化的场景中，技术人员可以在必须配置的设备上进行远程操作。技术人员使用CA（Certificate Authority，证书颁发机构）的公钥对自己进行认证，CA验证技术人员身份是否受信任，并决定是否进行授权，若通过验证，授权并通知Orchestrator受信任的操作员请求服务。Orchestrator读入本地数据库，该数据库是技术人员被授权配置的设备和服务功能，并向VIM和WIM形成的底层基础设施发送服务实例化请求，VIM和WIM分别控制雾节点和网络中的虚拟资源，雾节点和网络通过考虑技术人员权限约束进行配置。利用网络功能虚拟技术，可以将网络安全功能虚拟化，并在列车通信系统和信号控制系统中部署虚拟防火墙和入侵检测系统，保障网络安全[6]。

结束语

综上所述，在当前城市轨道交通行业高速发展的趋势下，对通信系统运行质量的要求逐渐升高。网络功能虚拟化技术在轨道交通通信网络中的应用可以提高网络服务的效率和可靠性，降低成本，同时增强网络安全。未来，随着网络功能虚拟技术的不断发展和完善，它在轨道交通通信网络中的应用前景也将更加广阔。

参考文献

[1]周学兵，王坚，陈小柱，等.网络虚拟化在智能铁路调度中心的应用[J].铁路通信信号工程技术，2021,18(9):43-48.

[2]曹培选.基于SDN/NFV的端到端网络切片设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2019.

[3]苟建国，吕高锋，孙志刚，等.网络功能虚拟化技术综述[J].计算机工程与科学，2019,41(2):260-267.

[4]陈苏，赵晟.新一代铁路通信系统演进探讨[J].铁路通信信号工程技术，2022,19(8):45-50.

[5]吴新平，董德存.城市轨道交通信息集中监控系统的设计与实现[J].城市轨道交通研究，2005，8（4）：47-49.

[6]张　衡.城市轨道交通专用通信综合网络管理系统方案[J].铁道通信信号，2020，56（11）：86-88