5G网络针对工业互联网需求的边缘云解决方案

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邮电设计技术/2022/02 —————————— 收稿日期：2021-12-02 1 背景 工业互联网是新一代信息通信技术与现代工业 技术深度融合的产物，是制造业数字化、网络化、智能 化的重要载体，也是全球新一轮产业竞争的制高点。 继德国提出工业 4.0 计划，美国提出工业互联网概念 之 后 ，我 国 自 2015 年 以 来 陆 续 出 台 了“ 中 国 制 造 2025”、 “互联网+”等多项产业政策，推动工业互联网 的建设。作为第一大工业强国、第二大互联网产业强 国，中国的工业互联网发展前景广阔。 5G 是新一代移动通信系统，5G 与工业生产融合 之后，逐步成为支撑工业生产的基础设施。5G 与工业 生产中既有的研发设计系统、生产控制系统及服务管 理系统等相结合，可以全面推动 5G 垂直行业的研发 设计、生产制造、管理服务等生产流程的深刻变革，实 现制造业向智能化、服务化、高端化转型。同时，工业 互联网具有难度大、风险高、成本高、跨领域等特点， 因此 5G+工业互联网既具有广阔的前景，也是最具挑 战性的领域。 一汽是吉林省 TOP 行业客户，也是工业互联网应 5G网络针对 工业互联网需求的边缘云解决方案 Edge Cloud Solution of 5G Network for Industrial Internet Demand 关键词： 5G；MEC；工业互联网；切片 doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2022.02.015 文章编号：1007-3043（2022）02-0081-07 中图分类号：TN915 文献标识码：A 开放科学（资源服务）标识码（OSID）： 摘 要： 阐述了如何利用 5G网络为一汽工业园区各生产线的智能化生产提供强有力的 网络支撑，探讨通过边缘云（MEC）建设为其打造一个安全、稳定、可靠的 5G 虚 拟企业专网。探讨了 MEC 网络建设方案、工业边缘云平台建设方案和 5G 无线 专网组网及承载网支撑方案，讨论了如何利用 5G 的低时延、高带宽特性结合 MEC 对远程控制指令、设备数据采集、视频监控码流的近端处理等进行支撑、 赋能工业互联网。 Abstract： It expounds how to use 5G network to provide strong network support for the intelligent production of each production line in FAW Industrial Park，and discusses how to build a safe，stable and reliable 5G virtual enterprise private network through the construction of edge cloud（MEC）. It discusses the MEC network construction scheme，the industrial edge cloud platform construction scheme and the 5G wireless private network and bearer network support scheme，and discusses how to use the low delay and high bandwidth characteristics of 5G and MEC to support and enable the industrial Internet，such as remote control instructions，equipment data acquisition and near-end processing of video monitoring code stream. Keywords： 5G；MEC；Industrial internet；Slicing 李 爽 1，郭忠志 1，肖 羽 2，王 帅 3（1. 中国联合网络通信有限公司吉林分公司，吉林 长春 130021；2. 中国联通智网创新中 心，北京 100048；3. 中讯邮电咨询设计院郑州分公司，河南 郑州450007） Li Shuang1，Guo Zhongzhi1，Xiao Yu2，Wang Shuai3（1. China Unicom Jilin Branch，Changchun 130021，China；2. Intelligent Network & Innovation Center of China Unicom，Beijing 100048，China；3. China Information Technology Designing & Consulting Institute Co.，Ltd. Zheng⁃ zhou Branch，Zhengzhou 450007，China） 李 爽，郭忠志，肖 羽，王 帅 5G网络针对工业互联网需求的边缘云解决方案 行业应用 Industry Application 引用格式：李爽，郭忠志，肖羽，等. 5G网络针对工业互联网需求的边缘云解决方案［J］. 邮电设计技术，2022（2）：81-87. 81 2022/02/DTPT 用的先行者，对 5G 在生产系统中的应用有较高的期 待，希望通过 5G 提升业务效率，降低成本。随着 5G SA网络的建成和商用，一汽希望和吉林联通一起基于 5G网络、先进的边缘计算和网络切片技术在工业互联 网领域的应用探索研究和商用部署，逐步推动工业互 联网应用提升企业的生产效率、降低生产成本、提高 企业生产经营的智能化程度，为企业带来真正的信息 化价值和能力。 前期，吉林联通和一汽通力合作，基于 5G NSA 网 络和 MEC 成功实现了一汽业务的 5G 接入和预测性维 护系统的部署，在汽车的生产装配领域智能化水平的 提升方面取得了突破性进展。 MEC 是连接 OT 域和 IT 域的桥梁，可以为一汽的 自动化、信息化和智慧化提供业务承载和高质量的网 络保障，因此一汽希望通过下沉园区的 SA 架构的 MEC建设，基于 MEC的网络切片功能的部署来进一步 提升一汽相关业务承载的安全性、稳定性、可靠性，实 现一汽生产业务和普通公众业务的物理隔离。同时 可以确保一汽业务带宽的不可抢占性（其业务带宽完 全不受公网业务流量大小的影响），更好地满足业务 安全性和网络专享带宽的需求，逐步试点开放内部业 务系统通过5G和MEC进行承载。 2 总体方案 针对不同场景下的业务需求，可以采用不同的 5G 虚拟企业专网建设模式，而不同模式的建设成本也不 相同。从所承载业务的颗粒度的角度划分，专网可以 分为企业粒度的基于 5G+MEC 构建虚拟企业专网、业 务粒度的基于5G+MEC+切片构建虚拟企业专网。 2.1 基于5G+MEC构建虚拟企业专网（企业粒度） a）“5G+MEC+智能化应用”可为行业的提质升级 提供高质量的网络保障，为企业搭建安全、可靠、低时 延的“5G虚拟企业专网”。 b）企业内部业务不分优先级、不分类型、不分带 宽均可享受虚拟专网无差别的统一承载服务（若结合 PCF可以划分等级，享受一定的差异化服务）。 c）结合 5G 的低时延、高带宽特性和 MEC 平台的 分流功能，可实现企业生产和管理数据的本地分流， 保障企业数据的低时延和安全私密性。5G+MEC构建 虚拟企业专网组网如图1所示。 图1 5G+MEC构建虚拟企业专网组网图 公有云 行业云 5G核心网 回传 5G NR 服务注册 ME-ICT-IaaS融合资源池 分流策略 DNS/NAT 安全管理 API网关 转译适配器 服务注册 VAS能力 APP应用 UPF/GW -U/DP 企业内网 互联网 中国联通MEC边缘云平台 2.2 基于 5G+MEC+切片构建虚拟企业专网（业务粒 度） a）根据企业对不同业务流安全隔离的要求，在 5G+MEC的基础上结合切片技术为企业构建业务粒度 级别的虚拟企业专网。 b）企业不同类型、不同隔离要求的业务流，如视 频类、工控类、办公类等业务可以划分为不同切片，享 受虚拟专网不同等级、带宽的承载服务，在不同的逻 辑管道进行隔离承载。 5G+MEC+切片构建虚拟企业专网组网如图 2 所 示。 综合考虑项目建设进度要求、技术成熟度等因 素，在一汽园区内采用“5G+MEC+切片”的方式为其构 建5G虚拟企业专网。 3 网络部署方案 3.1 MEC建设方案 3.1.1 目标架构 结合一汽智能化产线的实际业务场景需求，在其 厂区内部署 1套 MEC 边缘云（含 UPF 和 MEP 平台），目 李 爽，郭忠志，肖 羽，王 帅 5G网络针对工业互联网需求的边缘云解决方案 行业应用 Industry Application 82 邮电设计技术/2022/02 标组网示意图如图3所示。 “5G+MEC（含 UPF）+边缘智能化应用”可为一汽 各产线的智能化生产提供强有力的网络支撑，为其打 造一个安全、稳定、可靠的 5G 虚拟企业专网。结合 5G 图3 一汽5G+MEC组网目标示意图 切片管理（其他类） 切片管理（业务类） 切片管理（工控类） 其他类 工控类 业务类 业务数据流 5G终端 5G终端 5G终端 5G承载 运营商网络 CU+DU XX公司5G虚拟企业专网（切片） 中国联通MEC平台 普通数据 业务类 工控类 其他类 5G NR 5G NR 5GC 互联网 端到端切片管理系统 MEP平台 UPF3 UPF2 UPF1 UPF3 3 2 工控类 服务器 其他类 服务器 业务类 服务器 图2 5G+MEC+切片构建虚拟企业专网组网图 5G NR CPE 数据采集 4K/8K摄像头 AGV AR眼镜 服务注册 分流策略 DNS/NAT 安全管理 API网关 服务注册 企业级AAA MEP平台 ME ICT IaaS VAS能力 状态监测 视频处理 预测性维护 AMF 视频监控大屏 5G核心网 UPF/GW-U SMF UDM NRF 锚点 UPF 一汽MEC 互联网流量 一汽业务流量 一汽 数据中心 的低时延、高带宽特性和 MEC 对远程控制指令、设备 数据采集、视频监控码流的近端处理、编码解码、AI 算 法等功能，为一汽汽车生产装配应用场景的实现提供 高质量的信息基础设施。一部分业务数据通过分流 模块本地分流至 MEC 平台部署的预测性维护系统，另 一部分数据分流至一汽数据中心，节约了网络回传带 宽、实现了业务数据处理的低时延，保障了业务数据 的安全性和私密性。 3.1.2 MEC网络建设方案 将 MEC 设备设置在一汽园区的机房中，统一接入 联通山东大区的华为 5GC SA 2B网络中进行管理和信 令接续。采用 ULCL（Uplink Classifier）分流方式，厂区 内终端流量按照 LBO 方式进行本地卸载，终端出厂区 （为厂区规划的TA覆盖区列表，该TA列表在PCF中进 行签约）后将不能访问边缘云和企业内网，以保障企 业网络和业务的安全性。 对于一汽各类产线的生产类、设备采集类等与企 业生产经营相关的数据在本地进行卸载，实现企业数 据在厂区内的闭环。生产线现场 5G 终端的信令送至 5G 核心网后，5GC 判别该类业务属于一汽，业务数据 李 爽，郭忠志，肖 羽，王 帅 5G网络针对工业互联网需求的边缘云解决方案 行业应用 Industry Application 83 2022/02/DTPT 通过厂区 5G 基站传送至本项目部署的 UPF，UPF 通过 IP 地址和端口号、或 DNS 解析等方式进行业务分流， 经 N6 接口以局域网方式送至 MEC 平台，MEC 平台对 业务数据进行清洗、整理、编解码等实时处理，部分处 理过的数据需要回传至一汽的数据中心。对于需要 访问互联网或公有云的数据，一汽的UPF经N9接口通 过联通智能城域网（或 IPRAN）对接至长春 2B 网络锚 点 UPF，长春锚点 UPF连接至互联网或公有云，实现外 网的访问。 一汽的注册用户可按一汽的需求访问不同网络， 在兼顾企业虚拟专网和公网业务的同时，实现基于厂 区范围的网络隔离，保证了企业数据的安全性和隔离 性。公网用户访问互联网按照图 4 中的①路由执行， 一汽厂区5G虚拟专网用户按照②路由执行。 图4 MEC建设架构图 服务注册 ME-ICT-IaaS融合资源池 分流策略 DNS/NAT 安全管理 API网关 转译适配器 服务注册 VAS能力 APP应用 用户自服务 UPF 数据中心 企业管理员 一汽集团 公网用户 5G宏站/室分 IP RAN 中国联通MEC边缘云平台 FW 互联网 FW FW ⓐ AMF UDM SMF PCF UPF NEF ⓒ ⓑ ⓓ ① ② 5GC 为一汽生产厂区规划独立的 TA 区（TA 列表），分 配专用的 MEC DNN，在 PCF中为一汽的行业终端签约 允许访问边缘云和内网的TA列表。 采用 ULCL 的分流方式，对于 5G 终端无感知，5G 终端仅激活一个 PDU Session 即可。在厂区基站覆盖 区划分独立 TA 区（或 TA 区的列表集合），进入厂区独 立 TA 后由 5GC 为业务指定本地 ULCL UPF，根据目的 IP+端口、或DNS解析进行业务分流。 业务流程如下。 a）AMF配置根据TAI+DNN选择SMF。 b）SMF通过DNN选择大网UPF做为主锚点UPF。 c）针对厂区内的行业终端（一汽厂区的 TA 覆盖 区），SMF 根据用户实时位置（由 AMF 传递给 SMF）、 PCF 中签约的位置触发 ULCL 策略，数据报文此时会 经厂区 ULCL UPF 进行转发，ULCL UPF 执行分流策略 （分流策略可由一汽自定义通过 MEPM 下发给 MEP， MEP 通过 MP2 接口下发给 UPF），根据数据报文的目 的IP+端口（或DNS解析）进行SPI匹配。 d）若匹配识别为本地业务，即经厂区 ULCL UPF 本地转发至一汽数据中心。 e）若匹配识别为大网业务，数据报文会经 N9 接 口由 ULCL UPF 转发到长春主锚点 UPF，通过主锚点 UPF传输到Internet。 在上述业务流程中，若一汽的终端移出厂区（为 一汽规划的独立 TA 区）后，终端的实时位置和签约位 置不匹配，将不能访问边缘云和企业内网，以保障企 业网络和业务的安全性。公众客户无论是在厂区内， 还是在厂区外发起业务时，都使用大网分配的公网 DNN，SMF 将选择长春大网的锚点 UPF 为客户提供数 据服务，公众客户终端将不能访问边缘云或企业内 网。 3.1.3 工业边缘云平台建设方案 中国联通 MEC 平台与已有工业产品/能力（PLC、 数据采集解析、工业大数据 PaaS、工业 SaaS）进行融 合，构成“新一代中国联通 5G 企业内网端到端综合解 决方案”。在 EdgePOD 基础网业协同平台基础之上部 署工业 PaaS 能力和 SaaS 应用，通过平台的 API 网关为 工业应用提供能力调用，赋能工业应用价值提升。工 业边缘云平台架构如图5所示。 该平台支持第三方基于平台进行工业应用的开 李 爽，郭忠志，肖 羽，王 帅 5G网络针对工业互联网需求的边缘云解决方案 行业应用 Industry Application 84 邮电设计技术/2022/02 发和部署，也支持一汽自助把现有的工业应用部署在 平台上，从而为一汽提供一个开放、高效、灵活的工业 边缘云平台。 在本项目中，为一汽提供的预测性维护系统将部 署于 MEC 平台，为一汽的汽车生产装配等业务提供先 进的信息化支撑工具和网络承载环境。 3.1.4 基于MEC的预测性维护系统 在一汽园区部署中国联通自主研发的 MEC 一体 化工业边缘云平台（EdgePOD），基于该平台部署了预 测性维护系统。预测性维护系统通过传感器采集、监 控一汽生产设备运行状态，实现设备运行数据的可视 化，根据历史数据和采集的实时数据，基于 AI 算法对 设备潜在故障进行预测，针对故障定位及部件损伤程 度安排备品备件，制定检修计划，可提前预知重大故 障隐患，避免突发停机风险。 采用“5G+边缘计算+预测性维护”方式是实现一 汽自动化流水线的必需步骤，预测性维护系统通过先 进的5G、边缘计算技术可以发挥最大效能。 a）传感器数据采集过程采用边缘计算技术预处 理，防止无效数据过大，为数据中心的模型机理的建 立、AI训练提供健康的数据来源。 b）一汽为行业龙头企业，相关的生产数据均为企 业机密，不能通过公众网络进行传输，需要通过 MEC 进行数据本地卸载，保障企业数据安全。 c）部分数据需要实时采集、判断，通过 MEC 降低 数据采集和处理时延。 3.2 5G网络切片方案 在一汽园区内建设基于 5G SA 网络的切片，核心 网侧新建专用的边缘 UPF。一汽 UPF 使用大区的物 网 5GC控制面。 a）整体业务实现方式：通过智能城域网设备实现 承载切片，UPF和基站版本暂不支持切片商用，本次不 部署，后续版本发布后再进行升级改造。 b）边缘 UPF 配套 EOR 设备使用支持切片功能的 NE9000-M8 设备，可以直接配合智能城域网将 FlexE 切片落地在EOR设备上。 c）智能城域网采用 FlexE 切片技术实现公众业务 和一汽业务的硬隔离，保障一汽业务的带宽和安全 性。 d）无线侧暂时通过 5QI 区分不同的业务，并保障 一汽业务的优先级和带宽。 A企业园区网络端到端切片组网图如图6所示。 5G 5G 企业系统：SCADA、HMI、MES 设备 设备 设备 设备 现场总线、网关 传感器、摄像头 软PLC 工控设备：PLC、DCS、CNC 数据采集及协议解析 网络转发 DPDK/SR-IOV 计算资源 存储资源 加速器资源 FPGA/GPU等 VM ME-ICT Iaas(电信级高可靠ICT融合) VM VM Container Container Container EdgePOD 基础网业 协同平台 带宽管理 UPF DP LB DNS NAT FW 动态路由 MEP 客户自服 务管理 API网关 RNIS 工业大数据PaaS 工具类 服务类 行业数据服务 时序 数据库 嵌入式 数据库 AI运行 框架 流式计算 消息队列 行业算法服务 事件服务 数据可视化服务 高速缓存 可视化 工具 数字 孪生 APP APP APP APP 第三方APP（赋能） 预测性维护 智能排产 AR/VR 机器视觉 行业应用商店（可预装） 图5 工业边缘云平台架构图 李 爽，郭忠志，肖 羽，王 帅 5G网络针对工业互联