摘要：MEC和TSN借助5G網(wǎng)絡(luò )能夠發(fā)揮重要作用，尤其是在5G智能工廠(chǎng)的建設中。5G可以作為智能工廠(chǎng)的創(chuàng )新解決方案，在部署方式上，工廠(chǎng)內網(wǎng)結合TSN技術(shù)標準用5G網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行組網(wǎng)，通過(guò)下沉移動(dòng)網(wǎng)關(guān)、搭建MEC平臺連通工廠(chǎng)內外網(wǎng)。 5G智能工廠(chǎng)以數據為核心實(shí)現工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )以及工業(yè)設備的互聯(lián)互通，為有效利用工業(yè)數據、避免信息孤島、工業(yè)企業(yè)轉型升級提供助力。

關(guān)鍵詞：5G；TSN；MEC；智能工廠(chǎng)

1　引言 

隨著(zhù)5G商用如火如荼地進(jìn)行，5G面向各垂直行業(yè) 的商業(yè)部署也加快了腳步。國家對智能制造的高度重 視讓工業(yè)領(lǐng)域成為重點(diǎn)布局方向。5G智能工廠(chǎng)是工業(yè) 企業(yè)轉型的具體形式。工廠(chǎng)整體依靠5G作為網(wǎng)絡(luò )的主 要連接方式，以數據為核心實(shí)現工廠(chǎng)所有設備的互聯(lián) 互通。智能工廠(chǎng)需要5G MEC下沉移動(dòng)網(wǎng)關(guān)帶來(lái)低時(shí)延 高帶寬服務(wù)，打造能力開(kāi)放平臺承載AI應用、提供算 力、處理本地數據。同時(shí)，也需要在工廠(chǎng)內網(wǎng)構建確定性網(wǎng)絡(luò )保障工業(yè)生產(chǎn)。因此，MEC和TSN將會(huì )是5G智能工廠(chǎng)建設的重點(diǎn)。綜上，本文將首先介紹5G智能工廠(chǎng)架構，其次探討MEC在智能工廠(chǎng)的重要作用和具體應用，再對5G TSN架構在內網(wǎng)組網(wǎng)上的應用探討，最后討論MEC和TSN在5G智能工廠(chǎng)的統一部署。

2 工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )現狀及需求

工廠(chǎng)整體網(wǎng)絡(luò )架構分為工廠(chǎng)內網(wǎng)和工廠(chǎng)外網(wǎng)。傳統工廠(chǎng)內網(wǎng)分IT網(wǎng)絡(luò )和OT網(wǎng)絡(luò )獨立部署，整體分為工廠(chǎng)級、車(chē)間級和現場(chǎng)級[1]，層級間的配置和管理不互 通，工業(yè)網(wǎng)絡(luò )通信通常包括三種，即現場(chǎng)總線(xiàn)、工業(yè)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng) 。[2]現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)復雜繁多且存在通信能力和抗干擾能力差的問(wèn)題，互相不兼容；工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)主要應用的有WLAN、藍牙、ZigBee等，雖具備靈活部署的優(yōu)勢，但由于信號覆蓋弱容易受環(huán)境因素影響，制約了發(fā)展；工業(yè)以太網(wǎng)相對來(lái)說(shuō)成本較低通信良好，但鏈路層和應用層采用技術(shù)不同，設備互聯(lián)性上受到限制。

工廠(chǎng)外網(wǎng)的現狀是各工廠(chǎng)信息孤島現象仍存在， 停留在簡(jiǎn)單的商用信息溝通，服務(wù)單一。如今工業(yè)企業(yè)對外網(wǎng)業(yè)務(wù)需求擴大，不僅有企業(yè)上云需求，還有對各種能力和算力的需求，要求網(wǎng)絡(luò )靠近邊緣且具備差異化服務(wù)。

針對工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )現狀，基于5G的TSN和MEC將是有效的解決方案。TSN隨著(zhù)技術(shù)標準的成熟逐漸受到重視，它能夠支持確定性傳輸，非常適合工廠(chǎng)設備互通和生產(chǎn)制造等對時(shí)間敏感的業(yè)務(wù)，之前多用在工業(yè)以太網(wǎng)中，隨著(zhù)5G興起，5G與TSN結合寫(xiě)入標準，其融合架 構應用到工廠(chǎng)內網(wǎng)組網(wǎng)，通過(guò)應用5G無(wú)線(xiàn)技術(shù)作為網(wǎng)絡(luò )連接靈活部署，同時(shí)采用TSN技術(shù)標準保障傳輸質(zhì)量降低時(shí)延，提高互聯(lián)互通性。此外，構建5G MEC平臺也能改變工廠(chǎng)現狀，MEC通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)關(guān)下沉使網(wǎng)絡(luò )更 靠近邊緣，通過(guò)本地分流為工廠(chǎng)提供低時(shí)延、高帶寬網(wǎng)絡(luò )服務(wù)，同時(shí)平臺開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )能力靈活調用網(wǎng)絡(luò )差異化服務(wù)。

3 MEC平臺為工廠(chǎng)賦能

3.1 以5G MEC為主的工廠(chǎng)解決方案

工廠(chǎng)部署MEC平臺，相比于原先工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的構想由中心云平臺統一部署更靈活有效。目前工廠(chǎng)的主要需求是大帶寬、低時(shí)延、高算力，提供各種能力的開(kāi)放調用。MEC整體解決方案重點(diǎn)從三方面入手：一是計算能力的邊緣化。硬件上搭載高算力架構，軟件上整合各類(lèi)工業(yè)視覺(jué)技術(shù)，通過(guò)MEP平臺集成算法實(shí)現算力統一調度；二是數據本地化，通過(guò)5G代替傳統固網(wǎng)、Wi-Fi傳輸，在廠(chǎng)區內以及各廠(chǎng)區間實(shí)現5G全覆蓋，利用MEC將數據路由返回本地處理；三是構建云邊一體，在邊緣進(jìn)行數據分析、目標檢測識別，在云端進(jìn)行訓練和存儲。工廠(chǎng)位置決定MEC的部署位置，邊緣UPF下沉使MEC靠近工廠(chǎng)的網(wǎng)絡(luò )邊緣，具備低時(shí)延  和高帶寬傳輸，為工廠(chǎng)現場(chǎng)設備節點(diǎn)到云端控制節點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò )端到端保障。此外，MEC還開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )、應用能力，提供網(wǎng)絡(luò )和計算的本地服務(wù)。整體部署架構是邊緣計算網(wǎng)關(guān)部署在工廠(chǎng)現場(chǎng)，工業(yè)控制器、傳感器和智能生產(chǎn)設備作為邊緣計算的載體設備實(shí)現本地數據的實(shí)時(shí)處理，降低時(shí)延，提高可靠性。工廠(chǎng)外部搭建MEC平臺實(shí)現本地分流并承載第三方應用，通過(guò)開(kāi)發(fā)API的方式為第三方應用提供多種服務(wù)。MEC平臺設計包含了網(wǎng)絡(luò )、能力、資源和管理的開(kāi)放，對IT基礎資源（算力、存儲、網(wǎng)絡(luò )）進(jìn)行開(kāi)放為應用助力。

3.2 MEC在智能工廠(chǎng)中的重要作用

5G MEC通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)關(guān)的下沉能夠節省帶寬，確保低時(shí)延。除此之外還能進(jìn)行能力調用，打造成能力開(kāi)放平臺，提供網(wǎng)絡(luò )能力和應用能力。網(wǎng)絡(luò )能力如QoS保障提高網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量，還有電子圍欄、位置訂閱等等能力的開(kāi)放；應用能力如人臉識別、目標檢測等根據工業(yè)企業(yè)的實(shí)際需求進(jìn)行能力調用。目前已經(jīng)出現了眾多工業(yè)場(chǎng)景下的5G+智能應用的案例，如5G+工業(yè)視覺(jué)、AI視 頻監控、工業(yè)數據采集、智能巡檢、遠程控制、無(wú)人駕駛等，MEC為這些應用提供發(fā)揮的舞臺，給應用提供最好的網(wǎng)絡(luò )、算力保障，為工業(yè)企業(yè)在服務(wù)生產(chǎn)、降本增效、轉型升級上提供強有力的幫助。

此外，MEC借助聯(lián)邦學(xué)習技術(shù)能在提供本地算力的同時(shí)保障廠(chǎng)區的數據安全。工業(yè)生產(chǎn)是個(gè)既開(kāi)放又需要數據保護的環(huán)境，一方面工業(yè)數據需要提供給云端進(jìn)行機器學(xué)習和深度學(xué)習，訓練工業(yè)模型為智能制造提供幫助，另一方面工業(yè)數據又屬于工業(yè)企業(yè)的隱私，涉及到公司機密，不希望被隨意上傳分享。聯(lián)邦學(xué)習就很好地解決了這個(gè)難題。在工廠(chǎng)部署的MEC平臺提供算力，工業(yè)數據上傳到本地MEC平臺進(jìn)行深度學(xué)習，訓練輕量級模型。要給云端上傳數據時(shí)只需要提供訓練得到的權重參數，不需要實(shí)際的工業(yè)數據， 云端集合各工廠(chǎng)訓練的權重參數進(jìn)行重量級模型訓練，得到優(yōu)化的模型返回給工廠(chǎng)使用，如此往復既能保護工業(yè)數據安全又能利用AI賦能工業(yè)生產(chǎn)，達到一舉兩得的效果。

3.3 小結

目前運營(yíng)商已經(jīng)在5G MEC的垂直行業(yè)應用進(jìn)行深耕，部署運營(yíng)的包括智慧物流、智慧礦區、智慧醫療、智能車(chē)網(wǎng)，智能工廠(chǎng)也是重點(diǎn)布局領(lǐng)域，如奇瑞汽車(chē)、海爾、三一重工等都在進(jìn)行基于MEC的智能工廠(chǎng)建設?？梢钥闯?G MEC商用得到了企業(yè)的重視，助力產(chǎn)業(yè)轉型升級。

4 以5G TSN為主的工廠(chǎng)組網(wǎng)

4.1 5G TSN部署方式

在工廠(chǎng)內網(wǎng)組網(wǎng)上各工廠(chǎng)方式各異，一般采用工業(yè)以太網(wǎng)、現場(chǎng)總線(xiàn)、ZigBee、Wi-Fi等方式，雖能保證工廠(chǎng)正常運轉，但與未來(lái)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展不符，存在著(zhù)諸多問(wèn)題。如現場(chǎng)總線(xiàn)布線(xiàn)繁瑣不易變更線(xiàn)路， Wi-Fi組網(wǎng)信號覆蓋范圍小、不穩定等。TSN非常適合應用在工業(yè)生產(chǎn)這樣對時(shí)間敏感的場(chǎng)景中。尤其是5G與TSN架構融合寫(xiě)入3GPP標準，這使得工廠(chǎng)可以采用 5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )靈活部署內網(wǎng)，并通過(guò)TSN實(shí)現確定性網(wǎng)絡(luò )傳輸，為5G智能工廠(chǎng)建設打下基礎。整體部署架構主要體現在以下方面：控制器到現場(chǎng)設備、控制器與控制器之間、IT與OT網(wǎng)絡(luò )之間、5G前傳網(wǎng)絡(luò )、IT網(wǎng)絡(luò )與 邊緣云平臺之間。在工業(yè)現場(chǎng)部署了基于5G的TSN網(wǎng)絡(luò )能夠滿(mǎn)足現場(chǎng)設備數據互聯(lián)互通的需求，打通從邊緣云平臺到生產(chǎn)現場(chǎng)的數據通路，實(shí)現確定性傳輸，保證工業(yè)控制的時(shí)間同步和安全性。TSN技術(shù)特點(diǎn)以及與5G架構的融合可以從它的相關(guān)技術(shù)標準看出。

4.2 TSN技術(shù)標準

TSN是IEEE 802.1[3，4]下基于以太網(wǎng)開(kāi)發(fā)的一套標準，區別于傳統以太網(wǎng)，TSN具有時(shí)鐘同步、流量調度和網(wǎng)絡(luò )配置的技術(shù)特點(diǎn)。時(shí)鐘同步機制是基于廣義精確時(shí)間協(xié)議（general precision time protocol），通過(guò)主從時(shí)鐘收發(fā)報文記錄時(shí)間戳來(lái)對不同網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行時(shí)鐘同步；流量調度主要是采用幀搶占策略讓高優(yōu)先級數據流可以無(wú)需緩沖進(jìn)行即時(shí)傳輸。這兩項技術(shù)使TSN能夠支持確定性周期通信。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò )配置上TSN任務(wù)組在IEEE 802.1Qcc-2018[5]中制定了全分布、全集中配置模型以及集中式網(wǎng)絡(luò )與集中式用戶(hù)組合的配置模型，靈活的網(wǎng)絡(luò )配置方式便于統一管理。

在5G與TSN融合架構下給出了幾種技術(shù)方案[6，7]。（1）5G系統（5GS）與TSN系統集成，UE/UPF端口增設TSN翻譯器，采用橋接方式實(shí)現5GS作為T(mén)SN 節點(diǎn)對接傳統TSN系統，使5GS可替換TSN系統中的固定網(wǎng)絡(luò )部分；（2）精確時(shí)鐘同步，基于5GS時(shí)鐘實(shí)現TSN節點(diǎn)的精準時(shí)鐘同步機制，考慮了兩個(gè)同步系統，NG RAN同步和TSN域同步。兩個(gè)同步過(guò)程彼此獨立，NG RAN同步主要通過(guò)5G內部系統時(shí)鐘同步實(shí)現，TSN域同步需要TSN翻譯器履行與IEEE 802.1相關(guān)的所有功能，如gPTP支持，時(shí)間戳、最佳主時(shí)鐘算法（BMCA），這些是實(shí)現同步的重要功能，NW-TT和 DS-TT收發(fā)gPTP消息并在其中加入時(shí)間戳以計算鏈路延遲再進(jìn)行相應調整完成TSN域同步；（3）QoS模型 映射，新的QoS模型以及TSN業(yè)務(wù)模型到3GPP QoS模型的映射，通過(guò)3GPP內的QoS調度、緩存和抖動(dòng)消除 功能實(shí)現TSN網(wǎng)絡(luò )要求的確定性傳輸。

4.3 小結

TSN與5G融合架構已初步成型，未來(lái)通過(guò)TSN工作組與3GPP組織的合力推動(dòng)，會(huì )進(jìn)一步完善相關(guān)標準形成更加成熟的體系。在商用方面，工業(yè)領(lǐng)域的各大廠(chǎng)商都在圍繞TSN進(jìn)行廣泛布局：自動(dòng)化廠(chǎng)商NI公司在2017年發(fā)布多款TSN集成控制器，2018年西門(mén)子的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議PROFINET集成了TSN并發(fā)布相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品，2019年三菱電機自動(dòng)化發(fā)布了CC-Link IE TSN產(chǎn)品，華為、思科等通信設備廠(chǎng)商也發(fā)布了TSN 交換機，芯片廠(chǎng)商Xilinx則提供了TSN技術(shù)的開(kāi)發(fā)板?？梢钥闯鯰SN將在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)占據重要一環(huán)，應用在5G智能工廠(chǎng)的組網(wǎng)中。

5 基于MEC和TSN的智能工廠(chǎng)架構

5G智能工廠(chǎng)就是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎上構建的，通過(guò)5G無(wú)線(xiàn)技術(shù)作為工廠(chǎng)內外網(wǎng)的主要網(wǎng)絡(luò )連接方式， 降低數據采集布線(xiàn)的成本，此外由于傳統的工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)存在信號覆蓋差、干擾大的缺點(diǎn)，5G技術(shù)能有效解決這些問(wèn)題，提供高質(zhì)量的無(wú)線(xiàn)連接。在工廠(chǎng)內網(wǎng)上采用基于5G的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)，應用與5G橋接的TSN技術(shù)構建工 業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)實(shí)現確定性傳輸，在工廠(chǎng)外網(wǎng)上5G網(wǎng)絡(luò )能很好地支撐大流量業(yè)務(wù)，如虛擬工廠(chǎng)、視頻遠程維護、無(wú)線(xiàn)視頻監控的遠程控制等，滿(mǎn)足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用需求。同時(shí)，在工廠(chǎng)部署MEC平臺，構建適配邊緣計算架構的網(wǎng)絡(luò )連接，讓UPF下沉使整個(gè)網(wǎng)絡(luò )更靠近工廠(chǎng)現場(chǎng)， 提供網(wǎng)絡(luò )能力和應用能力的開(kāi)放調用。整體架構如圖1 所示。

圖1 智能工廠(chǎng)整體架構圖

在部署方案上5G智能工廠(chǎng)建設需要圍繞5G網(wǎng)絡(luò )打造工業(yè)邊緣云平臺，提供更多工業(yè)邊緣應用。同時(shí)， TSN作為5G智能工廠(chǎng)內網(wǎng)組網(wǎng)的主要方式，單獨部署成本較高，如果借助MEC平臺的優(yōu)勢在平臺中進(jìn)行改進(jìn)和加設，將5G/TSN架構中的TSN AF、CNC和CUC 可以放入MEC平臺進(jìn)行統一管理，部署方案如圖2所示。既節省成本又可以作為綜合解決方案結合MEC和TSN的優(yōu)勢，為客戶(hù)提供更好的服務(wù)。

圖2 TSN在5G/MEC架構下融合部署方案

6 結束語(yǔ)

5G時(shí)代改變了傳統生產(chǎn)方式，實(shí)現萬(wàn)物互聯(lián)。圍繞5G網(wǎng)絡(luò )打造的智能工廠(chǎng)也將順應此趨勢改變傳統工業(yè)生產(chǎn)模式實(shí)現工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的轉型升級，MEC和TSN作為5G網(wǎng)絡(luò )應用的具體實(shí)現方式將成為智能工廠(chǎng)建設的關(guān)鍵一步。本文分別探討了MEC和TSN在智能工廠(chǎng) 的應用以及部署架構，給出了統一部署下的方案建議。當然，生產(chǎn)方式的變革不是一朝一夕完成的，工廠(chǎng)企業(yè)也很難一下徹底拋棄原先的網(wǎng)絡(luò )部署改用5G，如何讓5G網(wǎng)絡(luò )與工廠(chǎng)傳統網(wǎng)絡(luò )結合進(jìn)行穩步推進(jìn)將會(huì )是進(jìn)一步需要探討的問(wèn)題。

作者簡(jiǎn)介：

唐 凌，碩士，現就職于中國電信股份有限公司研究院，主要研究方向為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )核心網(wǎng)和業(yè)務(wù)、邊緣計算等。

林奕琳，高級工程師，博士，現就職于中國電信股份有限公司研究院，主要研究方向為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )核心網(wǎng)和業(yè)務(wù)、邊緣計算等。

朱紅梅，高級工程師，碩士，現就職于中國電信股份有限公司研究院，主要研究方向為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )核心網(wǎng)和業(yè)務(wù)、邊緣計算等。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2021年2月刊