5G MEC使能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的思考探討

1背景需求及挑戰(zhàn)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟(jì)深度融合的全新工業(yè)生態(tài)、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和新型應(yīng)用模式。伴隨著以智能制造為主的工業(yè)4.0時(shí)代到來，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)核心產(chǎn)業(yè)規(guī)模已超萬億。國家相關(guān)部門于2021年發(fā)布《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確指出積極發(fā)展高效協(xié)同的融合新型基礎(chǔ)設(shè)施，打破傳統(tǒng)的ISA96金字塔架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、規(guī)?；ㄖ埔约胺?wù)化延伸；工業(yè)場(chǎng)景復(fù)雜，設(shè)備種類繁多，需要滿足人、機(jī)、物的多樣化連接，對(duì)網(wǎng)絡(luò)確定性通信能力要求高。尤其是在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，確定、穩(wěn)定、可靠的網(wǎng)絡(luò)連接是基本要求，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和智能控制的基礎(chǔ)。同時(shí)，隨著工業(yè)數(shù)據(jù)和應(yīng)用上云，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要面向不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景，提供基于云邊端多級(jí)協(xié)同計(jì)算架構(gòu)的海量異構(gòu)數(shù)據(jù)智能處理能力；因此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要IT、CT、OT技術(shù)深度融合，5G、MEC將成為工業(yè)數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型的重要手段。5G，作為驅(qū)動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，可有效解決工業(yè)有線技術(shù)移動(dòng)性差、組網(wǎng)不靈活、特殊環(huán)境鋪設(shè)困難等問題。但是隨著5G在生產(chǎn)控制環(huán)節(jié)不斷深入發(fā)展，在核心場(chǎng)景（工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)）下，仍然存在較大挑戰(zhàn)；在現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)方面，由于CT、IT、OT網(wǎng)絡(luò)各自為主發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制與感知數(shù)據(jù)采集協(xié)議繁多且互不相通、控制與感知數(shù)采網(wǎng)絡(luò)形態(tài)各異相互獨(dú)立、網(wǎng)絡(luò)過程節(jié)點(diǎn)較多、組網(wǎng)復(fù)雜，以及現(xiàn)場(chǎng)對(duì)無線信號(hào)的屏蔽等因素，都導(dǎo)致了無法保證網(wǎng)絡(luò)的確定性服務(wù)，難以滿足未來工廠柔性生產(chǎn)需求；在現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算方面，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在大量的數(shù)據(jù)感知和采集，往往由工業(yè)云負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的全量存儲(chǔ)、管理以及中心決策，會(huì)造成業(yè)務(wù)處理時(shí)延增大，通信傳輸負(fù)載高等問題，且計(jì)算節(jié)點(diǎn)間沒有建立有效的協(xié)同機(jī)制，當(dāng)大量的數(shù)據(jù)處理、計(jì)算等下沉至邊緣時(shí)，勢(shì)必會(huì)有一些計(jì)算節(jié)點(diǎn)處于空閑的狀態(tài)，無法靈活分配當(dāng)前算力資源。MEC（Multi-AccessEdgeComputing，多接入邊緣計(jì)算），同時(shí)融合了網(wǎng)絡(luò)CT、IT技術(shù)，MEC節(jié)點(diǎn)是位于網(wǎng)絡(luò)邊緣的算網(wǎng)樞紐，集“網(wǎng)絡(luò)連接、算力資源、能力應(yīng)用”為一體，提供就近的ICT融合業(yè)務(wù)服務(wù)，MEC成為了在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的關(guān)鍵抓手之一。但為了解決當(dāng)前生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)仍存在的問題，亟待底層網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)支持，突破原有瓶頸，滿足未來網(wǎng)絡(luò)要求，目前正處在5G商用推進(jìn)與6G研究布局的疊加期；3GPP在2021年4月就確定以5G-Advanced作為5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的理念，R18標(biāo)準(zhǔn)化工作正逐步推進(jìn)，聚焦解決5G網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際部署應(yīng)用中出現(xiàn)的痛點(diǎn)問題和迫切問題，推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)扁平化，高實(shí)時(shí)控制信息與非實(shí)時(shí)過程信息同步傳輸；解決工業(yè)制造中控制與網(wǎng)絡(luò)傳輸分離，無法剪辮子的問題，實(shí)現(xiàn)柔性制造。綜上，本文將從面向5GMEC標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)演進(jìn)趨勢(shì)，以及在實(shí)際工業(yè)場(chǎng)景下應(yīng)用MEC解決問題的關(guān)鍵技術(shù)展開。

2MEC標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)趨勢(shì)

傳統(tǒng)來說，MEC一般與第三方應(yīng)用部署在靠近用戶附著接入點(diǎn)的位置，通過本地用戶面分流降低時(shí)延并實(shí)現(xiàn)高效的業(yè)務(wù)分發(fā)，并為用戶提供差異化的服務(wù)感知。5G核心網(wǎng)控制面與用戶面分離，用戶面網(wǎng)元UPF靈活下沉部署到網(wǎng)絡(luò)邊緣，策略控制網(wǎng)元PCF以及會(huì)話管理網(wǎng)元SMF等控制面功能一般集中部署，當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)支撐邊緣計(jì)算時(shí)，ApplicationFunction向NEF（非授信域）或者向PCF（授信域）發(fā)送AFRequest，具體如圖1所示。圖1傳統(tǒng)5GMEC架構(gòu)從標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)進(jìn)展看來，當(dāng)前處于5G-A階段，ETSI、3GPP、CCSA等標(biāo)準(zhǔn)組織正在積極進(jìn)行邊緣計(jì)算的研究，為適應(yīng)新需求，目前整體架構(gòu)上有了新變化。2.1

ETSI

ETSI（EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)），于2014年開始MEC規(guī)范研究，旨在定義基于NFV架構(gòu)的MEC平臺(tái)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，主要定義了MEO/MEAO/NFVO、MEPM、MEP等核心組件，當(dāng)前已處于第三階段研究：除了繼續(xù)加強(qiáng)支持垂直行業(yè)應(yīng)用需求外，進(jìn)一步加強(qiáng)與其他標(biāo)準(zhǔn)組織（例如：3GPP、GSMA）的協(xié)作，進(jìn)行跨MEC系統(tǒng)及MEC與云之間協(xié)同并計(jì)劃新增組件、3GPPMEC架構(gòu)與ETSIMEC架構(gòu)映射研究；此外，也同步進(jìn)行企業(yè)園區(qū)專網(wǎng)研究，并同步開展對(duì)應(yīng)用開發(fā)者的支持（如：邊緣應(yīng)用包格式及模板定義）、MEC支持切片、支持O-RAN、QoS感知等內(nèi)容。MEC聯(lián)邦架構(gòu)（討論稿）如圖2所示。圖2MEC聯(lián)邦架構(gòu)（討論稿）2.2

3GPP

3GPP（3rdGenerationPartnershipProject，第三代合作伙伴計(jì)劃），定義了5G基于服務(wù)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，便于網(wǎng)絡(luò)定制化和開放化。從R14版本開始，3GPP開始支持邊緣部署的網(wǎng)絡(luò)側(cè)能力增強(qiáng)；2021年R17版本已完成了5G邊緣計(jì)算特性增強(qiáng)項(xiàng)目，重點(diǎn)研究了邊緣業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)、應(yīng)用遷移和網(wǎng)絡(luò)信息開放等內(nèi)容，面向5G-A，在R18階段，進(jìn)一步深入研究面向邊緣計(jì)算的5G網(wǎng)絡(luò)一系列增強(qiáng)技術(shù)問題，例如支持切片、強(qiáng)調(diào)應(yīng)用服務(wù)發(fā)現(xiàn)，3GPP關(guān)于邊緣計(jì)算增強(qiáng)研究分別在SA2、SA5、SA6三個(gè)工作組展開：

（1）SA2，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)定義，重點(diǎn)關(guān)注核心網(wǎng)絡(luò)能力增強(qiáng)，定義移動(dòng)場(chǎng)景下分流方式，業(yè)務(wù)連續(xù)性模式以及關(guān)注加強(qiáng)終端發(fā)現(xiàn)和使用邊緣服務(wù)的能力以及邊緣應(yīng)用發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)遷移、邊緣能力開放內(nèi)容研究。（2）SA5，重點(diǎn)針對(duì)邊緣計(jì)算系統(tǒng)管理編排、計(jì)費(fèi)展開；其中邊緣計(jì)算系統(tǒng)管理編排依托3GPPSA6架構(gòu)定義的AC（應(yīng)用客戶端）、EEC（邊緣使能客戶端）、EAS（邊緣應(yīng)用服務(wù)器）、EES（邊緣使能服務(wù)器）、ECS（邊緣配置服務(wù)器）等關(guān)鍵組件研究如何完成邊緣應(yīng)用的部署、服務(wù)保障以及生命周期管理等。計(jì)費(fèi)則針對(duì)使用邊緣服務(wù)的用戶進(jìn)行計(jì)費(fèi)方案討論。（3）SA6，作為5G新成立的一個(gè)組，側(cè)重應(yīng)用管理，定義了邊緣應(yīng)用使能架構(gòu)，并增強(qiáng)終端能力，研究加強(qiáng)終端與邊緣系統(tǒng)的協(xié)同，完成邊緣應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)和調(diào)用，依托SA2定義的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。3GPP定義邊緣應(yīng)用使能架構(gòu)如圖3所示。圖33GPP定義邊緣應(yīng)用使能架構(gòu)2.3

CCSA

CCSA（ChinaCommunicationStandardsAssociation，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)），在TC5目前已完成了5G核心網(wǎng)邊緣計(jì)算平臺(tái)技術(shù)要求、測(cè)試方法、能力開放、邊緣計(jì)算編排器、核心網(wǎng)功能增強(qiáng)等方面的基礎(chǔ)技術(shù)研究；并同步開展了邊緣計(jì)算支持網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)研究、TC1邊緣云互聯(lián)互通技術(shù)研究等開放課題研究。TC13已有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，并同步進(jìn)行5G工業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)下邊緣計(jì)算接口技術(shù)要求等。此外，在邊緣應(yīng)用特設(shè)組TC610，圍繞邊緣應(yīng)用包格式、應(yīng)用使能接口等內(nèi)容開展了相關(guān)團(tuán)標(biāo)研究，為國內(nèi)邊緣云建設(shè)提供參考依據(jù)；除上述標(biāo)準(zhǔn)組織外，還有垂直行業(yè)聯(lián)盟或者開源組織，例如：5GAA、AII等圍繞邊緣計(jì)算開展不同方面研究，本文不再逐一贅述。3MEC賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵能力

工業(yè)領(lǐng)域細(xì)分行業(yè)眾多，不同細(xì)分行業(yè)業(yè)務(wù)類型和場(chǎng)景豐富，各業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求也不盡相同，為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的算網(wǎng)資源分配和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源策略保障；邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)與5G網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)和建設(shè)上深度綁定，面向用戶業(yè)務(wù)開放5G網(wǎng)絡(luò)能力，根據(jù)業(yè)務(wù)需求對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行靈活的配置；此外，邊緣計(jì)算平臺(tái)可進(jìn)行云原生升級(jí)，完成云化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)邊緣網(wǎng)絡(luò)的資源編排、納管、調(diào)度分配；本文重點(diǎn)圍繞典型能力：開放設(shè)備管理能力、QoS感知、融合TSN、支持邊緣AI推理、支持云網(wǎng)邊端協(xié)同等幾個(gè)關(guān)鍵方面展開。3.1

設(shè)備管理

當(dāng)前OT設(shè)備具備復(fù)雜性和多樣性，而通信技術(shù)相對(duì)獨(dú)立（例如：5G/4G、WLAN、藍(lán)牙等），加之OT數(shù)據(jù)敏感性極高，隱私性極強(qiáng)；部署在工業(yè)園區(qū)本地的MEC，通常需要支持設(shè)備身份管理（例如企業(yè)級(jí)AAA認(rèn)證）、設(shè)備標(biāo)識(shí)/位置信息設(shè)備組管理等功能。（1）企業(yè)級(jí)AAA認(rèn)證系統(tǒng):可支持固移融合的終端認(rèn)證鑒權(quán)、固定IP地址分配管理、CPE下掛終端管理、黑白名單管理等功能。（2）設(shè)備標(biāo)識(shí)/位置信息：LocalUPF/NEF能夠通過AF提供的UE信息返回UE的標(biāo)識(shí)信息和位置信息，可返回UE標(biāo)識(shí)信息，包括：UEIP、IMSI、MSISDN、SUPI、GPSI；可返回UE的位置信息，包括：UE的小區(qū)號(hào)、接入基站號(hào)、經(jīng)緯度、高度等位置信息；當(dāng)前以上信息因受MEC部署方式以及核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)能力開放方式影響，如不考慮引進(jìn)融合定位技術(shù)（例如UWB）UE位置信息開放精度暫無法達(dá)到工業(yè)級(jí)需求。（3）設(shè)備組管理：邊緣計(jì)算平臺(tái)提供基于用戶終端設(shè)備IMSI/MSISDN/IP標(biāo)識(shí)，可以被應(yīng)用調(diào)用從而實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的訪問控制功能，方便對(duì)在企業(yè)園區(qū)應(yīng)用訪問進(jìn)行控制。MEP可以獲取移動(dòng)用戶的用戶標(biāo)識(shí)，滿足基于用戶的網(wǎng)絡(luò)訪問控制，本地分流控制等需求：查看、檢索、創(chuàng)建、編輯終端設(shè)備組。3.2

Qos感知

通信網(wǎng)絡(luò)的QoS主要考慮通信業(yè)務(wù)的時(shí)延和吞吐率（MBR、GBR等）等與連接相關(guān)的性能指標(biāo)；隨著5GS與邊緣計(jì)算功能之間的網(wǎng)絡(luò)信息開放的交互，也需考慮網(wǎng)絡(luò)能力開放的時(shí)延。5GS中當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)開放機(jī)制是基于NEF和其他控制平面NFs(如AMF、SMF、PCF等)設(shè)計(jì)。對(duì)于部署在邊緣托管環(huán)境中的應(yīng)用程序，邊緣應(yīng)用程序服務(wù)器可能是在本地部署的，但在當(dāng)前的3GPPR16中定義，涉及網(wǎng)絡(luò)開放的一些控制平面NFs(如NEF和PCF)可能是集中部署的，為避免頻繁的重新選擇，此時(shí)可能因網(wǎng)絡(luò)開放路徑效率較低，導(dǎo)致時(shí)延。尤其在工業(yè)控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要求敏感的場(chǎng)景下：應(yīng)用程序需要實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)信息調(diào)整它們的行為，不良的延遲會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信息延遲，從而導(dǎo)致不安全事故發(fā)生。亟需在網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序功能(例如邊緣應(yīng)用程序服務(wù)器)之間快速交換現(xiàn)有QoS信息。3.3

融合TSN

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，IT和OT融合成為必然，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、確定性、可靠性、融合度、兼容性提出了新的要求，TSN（時(shí)延敏感）技術(shù)是必然選擇。實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)整合共享、多業(yè)務(wù)（控制類、狀態(tài)監(jiān)控類等）高質(zhì)量混合承載，多域流量（實(shí)時(shí)控制子網(wǎng)和非實(shí)時(shí)控制）確定性共網(wǎng)傳輸，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)部署了基于5G的TSN網(wǎng)絡(luò)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的需求，打通從邊緣云平臺(tái)到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)通路，實(shí)現(xiàn)確定性傳輸，保證工業(yè)控制的時(shí)間同步和安全性；TSN作為5G智能工廠內(nèi)網(wǎng)組網(wǎng)的主要方式，單獨(dú)部署成本較高，但是如果可以借助MEC平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)在平臺(tái)中進(jìn)行改進(jìn)和加設(shè)，將5G/TSN架構(gòu)中的TSNAF、CNC和CUC可以放入MEC平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理；MEC通過移動(dòng)網(wǎng)關(guān)下沉，更靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣，既節(jié)省成本又可以作為綜合解決方案結(jié)合MEC和TSN的優(yōu)勢(shì)，為客戶提供更好的服務(wù)。3.4

邊緣AI推理

邊緣節(jié)點(diǎn)側(cè)重多維感知數(shù)據(jù)采集和前端智能處理；邊緣域側(cè)重感知數(shù)據(jù)匯聚、存儲(chǔ)、處理；邊緣側(cè)數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理、數(shù)據(jù)分流，一部分生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)進(jìn)入邊緣生產(chǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，一部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)與其他分廠數(shù)據(jù)進(jìn)行互通，還有一部分業(yè)務(wù)類數(shù)據(jù)向上采集到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的各生產(chǎn)經(jīng)營應(yīng)用；由于邊緣側(cè)設(shè)備在計(jì)算、存儲(chǔ)、功耗等方面的限制，需設(shè)計(jì)特定的低精度和稀疏化等模式，實(shí)現(xiàn)小尺寸、低復(fù)雜度、低功耗等目標(biāo)。進(jìn)一步，邊緣設(shè)備可基于本地?cái)?shù)據(jù)訓(xùn)練的模型優(yōu)化大模型的性能，實(shí)現(xiàn)邊緣自治，強(qiáng)調(diào)個(gè)性化增強(qiáng)學(xué)習(xí)。3.5

云網(wǎng)邊端

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)、車間、現(xiàn)場(chǎng)三級(jí)區(qū)域內(nèi)，拉通不同區(qū)域算力資源，進(jìn)一步滿足業(yè)務(wù)低時(shí)延、數(shù)據(jù)不出園區(qū)的需求，將算力呈現(xiàn)在云、邊、端立體泛在分布，實(shí)現(xiàn)算力有序流動(dòng)，滿足服務(wù)靈活動(dòng)態(tài)部署需求；“云、邊、端”的協(xié)同架構(gòu)，云作為大腦智能中樞，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)，負(fù)責(zé)集中計(jì)算與全局?jǐn)?shù)據(jù)處理；邊作為中心云的觸點(diǎn)延伸，靈活解決近實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)需求；端側(cè)靠近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，完成智能感知、數(shù)據(jù)采集；云邊端協(xié)同可以將泛在化、異構(gòu)化的算力，通過網(wǎng)絡(luò)化的方式連接在一起，高效分布，智能協(xié)同，實(shí)現(xiàn)算力的高效共享，提升資源利用率。

4結(jié)束語

綜上，隨著5G賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)水平不斷提升，從生產(chǎn)外圍環(huán)節(jié)逐步延伸至生產(chǎn)核心環(huán)節(jié)；聚焦工業(yè)園區(qū)的接入和服務(wù)能力，定位于實(shí)現(xiàn)制造型企業(yè)生產(chǎn)要素（人、機(jī)、料、法、