★中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò )通信有限公司研究院黃倩

★中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò )通信有限公司上海市分公司劉彤

★中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò )通信有限公司研究院黃蓉

1　背景需求及挑戰

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)濟深度融合的全新工業(yè)生態(tài)、關(guān)鍵基礎設施和新型應用模式。伴隨著(zhù)以智能制造為主的工業(yè)4.0時(shí)代到來(lái)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)核心產(chǎn)業(yè)規模已超萬(wàn)億。國家相關(guān)部門(mén)于2021年發(fā)布《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規劃》明確指出積極發(fā)展高效協(xié)同的融合新型基礎設施，打破傳統的ISA96金字塔架構，實(shí)現智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò )化協(xié)同、規?；ㄖ埔约胺?wù)化延伸；工業(yè)場(chǎng)景復雜，設備種類(lèi)繁多，需要滿(mǎn)足人、機、物的多樣化連接，對網(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，確定、穩定、可靠的網(wǎng)絡(luò )連接是基本要求，是實(shí)現數據采集和智能控制的基礎。同時(shí)，隨著(zhù)工業(yè)數據和應用上云，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協(xié)同計算架構的海量異構數據智能處理能力；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)數字化和智能化轉型的重要手段^[1]。

5G，作為驅動(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(xiàn)技術(shù)移動(dòng)性差、組網(wǎng)不靈活、特殊環(huán)境鋪設困難等問(wèn)題。但是隨著(zhù)5G在生產(chǎn)控制環(huán)節不斷深入發(fā)展，在核心場(chǎng)景（工業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)）下，仍然存在較大挑戰；在現場(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)現場(chǎng)控制與感知數據采集協(xié)議繁多且互不相通、控制與感知數采網(wǎng)絡(luò )形態(tài)各異相互獨立、網(wǎng)絡(luò )過(guò)程節點(diǎn)較多、組網(wǎng)復雜，以及現場(chǎng)對無(wú)線(xiàn)信號的屏蔽等因素，都導致了無(wú)法保證網(wǎng)絡(luò )的確定性服務(wù)，難以滿(mǎn)足未來(lái)工廠(chǎng)柔性生產(chǎn)需求；在現場(chǎng)計算方面，工業(yè)現場(chǎng)存在大量的數據感知和采集，往往由工業(yè)云負責完成數據的全量存儲、管理以及中心決策，會(huì )造成業(yè)務(wù)處理時(shí)延增大，通信傳輸負載高等問(wèn)題，且計算節點(diǎn)間沒(méi)有建立有效的協(xié)同機制，當大量的數據處理、計算等下沉至邊緣時(shí)，勢必會(huì )有一些計算節點(diǎn)處于空閑的狀態(tài)，無(wú)法靈活分配當前算力資源。

MEC（Multi-Access Edge Computing，多接入邊緣計算），同時(shí)融合了網(wǎng)絡(luò )CT、IT技術(shù)，MEC節點(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。但為了解決當前生產(chǎn)現場(chǎng)仍存在的問(wèn)題，亟待底層網(wǎng)絡(luò )新技術(shù)支持，突破原有瓶頸，滿(mǎn)足未來(lái)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標準化工作正逐步推進(jìn)，聚焦解決5G網(wǎng)絡(luò )在實(shí)際部署應用中出現的痛點(diǎn)問(wèn)題和迫切問(wèn)題，推動(dòng)網(wǎng)絡(luò )架構扁平化，高實(shí)時(shí)控制信息與非實(shí)時(shí)過(guò)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(wú)法剪辮子的問(wèn)題，實(shí)現柔性制造。

綜上，本文將從面向5GMEC標準架構演進(jìn)趨勢，以及在實(shí)際工業(yè)場(chǎng)景下應用MEC解決問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)。

2　MEC標準演進(jìn)趨勢

傳統來(lái)說(shuō)，MEC一般與第三方應用部署在靠近用戶(hù)附著(zhù)接入點(diǎn)的位置，通過(guò)本地用戶(hù)面分流降低時(shí)延并實(shí)現高效的業(yè)務(wù)分發(fā)，并為用戶(hù)提供差異化的服務(wù)感知。5G核心網(wǎng)控制面與用戶(hù)面分離，用戶(hù)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(huà)管理網(wǎng)元SMF等控制面功能一般集中部署，當5G網(wǎng)絡(luò )支撐邊緣計算時(shí)，Application Function向NEF（非授信域）或者向PCF（授信域）發(fā)送AFRequest，具體如圖1所示^[2]。

圖1 傳統5G MEC架構

從標準推進(jìn)進(jìn)展看來(lái)，當前處于5G-A階段，ETSI、3GPP、CCSA等標準組織正在積極進(jìn)行邊緣計算的研究，為適應新需求，目前整體架構上有了新變化。

2.1 ETSI

ETSI（European Telecommunications Standards Institute，歐洲電信標準協(xié)會(huì )），于2014年開(kāi)始MEC規范研究，旨在定義基于NFV架構的MEC平臺架構標準，主要定義了MEO/MEAO/NFVO、MEPM、MEP等核心組件，當前已處于第三階段研究：除了繼續加強支持垂直行業(yè)應用需求外，進(jìn)一步加強與其他標準組織（例如：3GPP、GSMA）的協(xié)作，進(jìn)行跨MEC系統及MEC與云之間協(xié)同并計劃新增組件^[3]、3GPPMEC架構與ETSIMEC架構映射研究^[5]；此外，也同步進(jìn)行企業(yè)園區專(zhuān)網(wǎng)研究，并同步開(kāi)展對應用開(kāi)發(fā)者的支持（如：邊緣應用包格式及模板定義）、MEC支持切片、支持O-RAN、QoS感知等內容。MEC聯(lián)邦架構（討論稿）如圖2所示。

圖2 MEC聯(lián)邦架構（討論稿）^[3]

2.2　3GPP

3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃），定義了5G基于服務(wù)化的網(wǎng)絡(luò )架構，便于網(wǎng)絡(luò )定制化和開(kāi)放化。從R14版本開(kāi)始，3GPP開(kāi)始支持邊緣部署的網(wǎng)絡(luò )側能力增強；2021年R17版本已完成了5G邊緣計算特性增強項目，重點(diǎn)研究了邊緣業(yè)務(wù)發(fā)現、應用遷移和網(wǎng)絡(luò )信息開(kāi)放等內容，面向5G-A，在R18階段，進(jìn)一步深入研究面向邊緣計算的5G網(wǎng)絡(luò )一系列增強技術(shù)問(wèn)題，例如支持切片、強調應用服務(wù)發(fā)現，3GPP關(guān)于邊緣計算增強研究分別在SA2、SA5、SA6三個(gè)工作組展開(kāi)：

（1）SA2，網(wǎng)絡(luò )架構定義，重點(diǎn)關(guān)注核心網(wǎng)絡(luò )能力增強，定義移動(dòng)場(chǎng)景下分流方式，業(yè)務(wù)連續性模式以及關(guān)注加強終端發(fā)現和使用邊緣服務(wù)的能力以及邊緣應用發(fā)現、業(yè)務(wù)遷移、邊緣能力開(kāi)放內容研究^[4]。

（2）SA5，重點(diǎn)針對邊緣計算系統管理編排、計費展開(kāi)；其中邊緣計算系統管理編排依托3GPP SA6架構定義的AC（應用客戶(hù)端）、EEC（邊緣使能客戶(hù)端）、EAS（邊緣應用服務(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用的部署、服務(wù)保障以及生命周期管理等。計費則針對使用邊緣服務(wù)的用戶(hù)進(jìn)行計費方案討論^[3]。

（3）SA6，作為5G新成立的一個(gè)組，側重應用管理，定義了邊緣應用使能架構，并增強終端能力，研究加強終端與邊緣系統的協(xié)同，完成邊緣應用的發(fā)現和調用，依托SA2定義的網(wǎng)絡(luò )架構。

3GPP定義邊緣應用使能架構如圖3所示。

圖3 3GPP定義邊緣應用使能架構^[5]

2.3　CCSA

CCSA（China Communication Standards Association，中國通信標準化協(xié)會(huì )），在TC5目前已完成了5G核心網(wǎng)邊緣計算平臺技術(shù)要求、測試方法、能力開(kāi)放、邊緣計算編排器、核心網(wǎng)功能增強等方面的基礎技術(shù)研究；并同步開(kāi)展了邊緣計算支持網(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(kāi)放課題研究。TC13已有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算系列行業(yè)標準發(fā)布，并同步進(jìn)行5G工業(yè)園區網(wǎng)絡(luò )下邊緣計算接口技術(shù)要求等。此外，在邊緣應用特設組TC610，圍繞邊緣應用包格式、應用使能接口等內容開(kāi)展了相關(guān)團標研究，為國內邊緣云建設提供參考依據；除上述標準組織外，還有垂直行業(yè)聯(lián)盟或者開(kāi)源組織，例如：5GAA、AII等圍繞邊緣計算開(kāi)展不同方面研究，本文不再逐一贅述。

3　MEC賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵能力

工業(yè)領(lǐng)域細分行業(yè)眾多，不同細分行業(yè)業(yè)務(wù)類(lèi)型和場(chǎng)景豐富，各業(yè)務(wù)場(chǎng)景對網(wǎng)絡(luò )的需求也不盡相同，為了實(shí)現精準的算網(wǎng)資源分配和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )資源策略保障；邊緣計算節點(diǎn)與5G網(wǎng)絡(luò )在結構和建設上深度綁定，面向用戶(hù)業(yè)務(wù)開(kāi)放5G網(wǎng)絡(luò )能力，根據業(yè)務(wù)需求對接入網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行靈活的配置；此外，邊緣計算平臺可進(jìn)行云原生升級，完成云化網(wǎng)絡(luò )平臺構建，實(shí)現邊緣網(wǎng)絡(luò )的資源編排、納管、調度分配；本文重點(diǎn)圍繞典型能力：開(kāi)放設備管理能力、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(kāi)。

3.1　設備管理

當前OT設備具備復雜性和多樣性，而通信技術(shù)相對獨立（例如：5G/4G、WLAN、藍牙等），加之OT數據敏感性極高，隱私性極強；部署在工業(yè)園區本地的MEC，通常需要支持設備身份管理（例如企業(yè)級AAA認證）、設備標識/位置信息設備組管理等功能。

（1）企業(yè)級AAA認證系統:可支持固移融合的終端認證鑒權、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）設備標識/位置信息：Local UPF/NEF能夠通過(guò)AF提供的UE信息返回UE的標識信息和位置信息，可返回UE標識信息，包括：UE IP、IMSI、MSISDN、SUPI、GPSI；可返回UE的位置信息，包括：UE的小區號、接入基站號、經(jīng)緯度、高度等位置信息；當前以上信息因受MEC部署方式以及核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )能力開(kāi)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(kāi)放精度暫無(wú)法達到工業(yè)級需求。

（3）設備組管理：邊緣計算平臺提供基于用戶(hù)終端設備IMSI/MSISDN/IP標識，可以被應用調用從而實(shí)現對用戶(hù)的訪(fǎng)問(wèn)控制功能，方便對在企業(yè)園區應用訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)行控制。MEP可以獲取移動(dòng)用戶(hù)的用戶(hù)標識，滿(mǎn)足基于用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)控制，本地分流控制等需求：查看、檢索、創(chuàng )建、編輯終端設備組。

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；隨著(zhù)5GS與邊緣計算功能之間的網(wǎng)絡(luò )信息開(kāi)放的交互，也需考慮網(wǎng)絡(luò )能力開(kāi)放的時(shí)延。5GS中當前的網(wǎng)絡(luò )開(kāi)放機制是基于NEF和其他控制平面NFs(如AMF、SMF、PCF等)設計。對于部署在邊緣托管環(huán)境中的應用程序，邊緣應用程序服務(wù)器可能是在本地部署的，但在當前的3GPP R16中定義，涉及網(wǎng)絡(luò )開(kāi)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(kāi)放路徑效率較低，導致時(shí)延。尤其在工業(yè)控制對網(wǎng)絡(luò )時(shí)延要求敏感的場(chǎng)景下：應用程序需要實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )信息調整它們的行為，不良的延遲會(huì )導致網(wǎng)絡(luò )信息延遲，從而導致不安全事故發(fā)生。亟需在網(wǎng)絡(luò )和應用程序功能(例如邊緣應用程序服務(wù)器)之間快速交換現有QoS信息^[4、5]。

3.3　融合TSN

隨著(zhù)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)現場(chǎng)對網(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)現多源數據整合共享、多業(yè)務(wù)（控制類(lèi)、狀態(tài)監控類(lèi)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，但是如果可以借助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；MEC通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)關(guān)下沉，更靠近網(wǎng)絡(luò )邊緣，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)^[6]。

3.4　邊緣AI推理

邊緣節點(diǎn)側重多維感知數據采集和前端智能處理；邊緣域側重感知數據匯聚、存儲、處理；邊緣側數據處理模塊對生產(chǎn)數據進(jìn)行初步處理、數據分流，一部分生產(chǎn)控制數據進(jìn)入邊緣生產(chǎn)控制系統進(jìn)行處理，一部分生產(chǎn)數據與其他分廠(chǎng)數據進(jìn)行互通，還有一部分業(yè)務(wù)類(lèi)數據向上采集到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的各生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)應用；由于邊緣側設備在計算、存儲、功耗等方面的限制，需設計特定的低精度和稀疏化等模式，實(shí)現小尺寸、低復雜度、低功耗等目標。進(jìn)一步，邊緣設備可基于本地數據訓練的模型優(yōu)化大模型的性能，實(shí)現邊緣自治，強調個(gè)性化增強學(xué)習^[7]。

3.5　云網(wǎng)邊端

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)園區、車(chē)間、現場(chǎng)三級區域內，拉通不同區域算力資源，進(jìn)一步滿(mǎn)足業(yè)務(wù)低時(shí)延、數據不出園區的需求，將算力呈現在云、邊、端立體泛在分布，實(shí)現算力有序流動(dòng)，滿(mǎn)足服務(wù)靈活動(dòng)態(tài)部署需求；“云、邊、端”的協(xié)同架構，云作為大腦智能中樞，應用大數據、人工智能技術(shù)，負責集中計算與全局數據處理；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；端側靠近工業(yè)現場(chǎng)，完成智能感知、數據采集；云邊端協(xié)同可以將泛在化、異構化的算力，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )化的方式連接在一起，高效分布，智能協(xié)同，實(shí)現算力的高效共享，提升資源利用率^[8]。

4　結束語(yǔ)

綜上，隨著(zhù)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)節逐步延伸至生產(chǎn)核心環(huán)節；聚焦工業(yè)園區的接入和服務(wù)能力，定位于實(shí)現制造型企業(yè)生產(chǎn)要素（人、機、料、法、環(huán)、測）的實(shí)時(shí)數據管理跟蹤和智能分析決策，推動(dòng)數字技術(shù)與工業(yè)深度融合，但當前5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展目前還處于上升階段，雖然已經(jīng)涌現了很多成功案例和實(shí)踐，但它的變革效應、降本增效等優(yōu)勢，其實(shí)還沒(méi)有完全顯現，未來(lái)2-3年才將進(jìn)入大規模成長(cháng)期。

MEC作為5G云網(wǎng)融合的錨點(diǎn)，賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)責無(wú)旁貸。本文探討了MEC的標準演進(jìn)趨勢和賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵能力。但技術(shù)的變革不是一朝一夕完成的，企業(yè)也不可能完全改用5G，而且當前標準演進(jìn)相對超前，受多種因素影響，遠超產(chǎn)品實(shí)現，如何讓MEC與傳統網(wǎng)絡(luò )穩步推進(jìn)才是下一步需要關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。

★基金項目：國家級城市群一體化新一代信息基礎設施建設與示范項目（2020YFB2104203）。

作者簡(jiǎn)介：

黃　倩（1992-），女，陜西人，工程師，碩士，現為中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò )通信有限公司研究院研究員，主要從事邊緣計算網(wǎng)絡(luò )架構和關(guān)鍵技術(shù)研究、5G/6G標準化工作。

劉　彤（1971-），女，上海人，高級工程師，碩士，現為中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò )通信有限公司上海市分公司副總經(jīng)理，負責政企業(yè)務(wù)總體發(fā)展策略，行業(yè)應用及產(chǎn)品規劃，長(cháng)期從事網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、下一代網(wǎng)絡(luò )架構與智慧城市領(lǐng)域行業(yè)應用場(chǎng)景融合等研究。

黃　蓉（1986-），女，四川人，正高級工程師，工學(xué)博士，現為中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò )通信有限公司研究院首席研究員，主要從事移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )架構和關(guān)鍵技術(shù)研究、標準化以及部署應用工作。

參考文獻：

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年8月刊