中国电信：MEC和TSN在5G智能工厂中的应用探讨

       1 引言   

   随着5G商用如火如荼地进行，5G面向各垂直行业的商业部署也加快了脚步。国家对智能制造的高度重视让工业领域成为重点布局方向。5G智能工厂是工业企业转型的具体形式。工厂整体依靠5G作为网络的主要连接方式，以数据为核心实现工厂所有设备的互联互通。智能工厂需要5G MEC下沉移动网关带来低时延高带宽服务，打造能力开放平台承载AI应用、提供算力、处理本地数据。同时，也需要在工厂内网构建确定性网络保障工业生产。因此，MEC和TSN将会是5G智能工厂建设的重点。综上，本文将首先介绍5G智能工厂架构，其次探讨MEC在智能工厂的重要作用和具体应用，再对5G TSN架构在内网组网上的应用探讨，最后讨论MEC和TSN在5G智能工厂的统一部署。

       2 工厂网络现状及需求

   工厂整体网络架构分为工厂内网和工厂外网。传统工厂内网分IT网络和OT网络独立部署，整体分为工厂级、车间级和现场级，层级间的配置和管理不互通，工业网络通信通常包括三种，即现场总线、工业无线网和工业以太网。现场总线技术复杂繁多且存在通信能力和抗干扰能力差的问题，互相不兼容；工业无线网主要应用的有WLAN、蓝牙、ZigBee等，虽具备灵活部署的优势，但由于信号覆盖弱容易受环境因素影响，制约了发展；工业以太网相对来说成本较低通信良好，但链路层和应用层采用技术不同，设备互联性上受到限制。

   工厂外网的现状是各工厂信息孤岛现象仍存在，停留在简单的商用信息沟通，服务单一。如今工业企业对外网业务需求扩大，不仅有企业上云需求，还有对各种能力和算力的需求，要求网络靠近边缘且具备差异化服务。

   针对工厂网络现状，基于5G的TSN和MEC将是有效的解决方案。TSN随着技术标准的成熟逐渐受到重视，它能够支持确定性传输，非常适合工厂设备互通和生产制造等对时间敏感的业务，之前多用在工业以太网中，随着5G兴起，5G与TSN结合写入标准，其融合架构应用到工厂内网组网，通过应用5G无线技术作为网络连接灵活部署，同时采用TSN技术标准保障传输质量降低时延，提高互联互通性。此外，构建5G MEC平台也能改变工厂现状，MEC通过移动网关下沉使网络更靠近边缘，通过本地分流为工厂提供低时延、高带宽网络服务，同时平台开放网络能力灵活调用网络差异化服务。

       3 MEC平台为工厂赋能
     3.1 以5G MEC为主的工厂解决方案

   工厂部署MEC平台，相比于原先工业互联网的构想由中心云平台统一部署更灵活有效。目前工厂的主要需求是大带宽、低时延、高算力，提供各种能力的开放调用。MEC整体解决方案重点从三方面入手：一是计算能力的边缘化。硬件上搭载高算力架构，软件上整合各类工业视觉技术，通过MEP平台集成算法实现算力统一调度；二是数据本地化，通过5G代替传统固网、Wi-Fi传输，在厂区内以及各厂区间实现5G全覆盖，利用MEC将数据路由返回本地处理；三是构建云边一体，在边缘进行数据分析、目标检测识别，在云端进行训练和存储。工厂位置决定MEC的部署位置，边缘UPF下沉使MEC靠近工厂的网络边缘，具备低时延和高带宽传输，为工厂现场设备节点到云端控制节点提供网络端到端保障。此外，MEC还开放网络、应用能力，提供网络和计算的本地服务。整体部署架构是边缘计算网关部署在工厂现场，工业控制器、传感器和智能生产设备作为边缘计算的载体设备实现本地数据的实时处理，降低时延，提高可靠性。工厂外部搭建MEC平台实现本地分流并承载第三方应用，通过开发API的方式为第三方应用提供多种服务。MEC平台设计包含了网络、能力、资源和管理的开放，对IT基础资源（算力、存储、网络）进行开放为应用助力。

       3.2 MEC在智能工厂中的重要作用

   5G MEC通过移动网关的下沉能够节省带宽，确保低时延。除此之外还能进行能力调用，打造成能力开放平台，提供网络能力和应用能力。网络能力如QoS保障提高网络服务质量，还有电子围栏、位置订阅等等能力的开放；应用能力如人脸识别、目标检测等根据工业企业的实际需求进行能力调用。目前已经出现了众多工业场景下的5G+智能应用的案例，如5G+工业视觉、AI视频监控、工业数据采集、智能巡检、远程控制、无人驾驶等，MEC为这些应用提供发挥的舞台，给应用提供最好的网络、算力保障，为工业企业在服务生产、降本增效、转型升级上提供强有力的帮助。

   此外，MEC借助联邦学习技术能在提供本地算力的同时保障厂区的数据安全。工业生产是个既开放又需要数据保护的环境，一方面工业数据需要提供给云端进行机器学习和深度学习，训练工业模型为智能制造提供帮助，另一方面工业数据又属于工业企业的隐私，涉及到公司机密，不希望被随意上传分享。联邦学习就很好地解决了这个难题。在工厂部署的MEC平台提供算力，工业数据上传到本地MEC平台进行深度学习，训练轻量级模型。要给云端上传数据时只需要提供训练得到的权重参数，不需要实际的工业数据，云端集合各工厂训练的权重参数进行重量级模型训练，得到优化的模型返回给工厂使用，如此往复既能保护工业数据安全又能利用AI赋能工业生产，达到一举两得的效果。

       3.3 小结  

   目前运营商已经在5G MEC的垂直行业应用进行深耕，部署运营的包括智慧物流、智慧矿区、智慧医疗、智能车网，智能工厂也是重点布局领域，如奇瑞汽车、海尔、三一重工等都在进行基于MEC的智能工厂建设。可以看出5G MEC商用得到了企业的重视，助力产业转型升级。

       4 以5G TSN为主的工厂组网
     4.1 5G TSN部署方式  

   在工厂内网组网上各工厂方式各异，一般采用工业以太网、现场总线、ZigBee、Wi-Fi等方式，虽能保证工厂正常运转，但与未来工业互联网的发展不符，存在着诸多问题。如现场总线布线繁琐不易变更线路，Wi-Fi组网信号覆盖范围小、不稳定等。TSN非常适合应用在工业生产这样对时间敏感的场景中。尤其是5G与TSN架构融合写入3GPP标准，这使得工厂可以采用5G无线网络灵活部署内网，并通过TSN实现确定性网络传输，为5G智能工厂建设打下基础。整体部署架构主要体现在以下方面：控制器到现场设备、控制器与控制器之间、IT与OT网络之间、5G前传网络、IT网络与边缘云平台之间。在工业现场部署了基于5G的TSN网络能够满足现场设备数据互联互通的需求，打通从边缘云平台到生产现场的数据通路，实现确定性传输，保证工业控制的时间同步和安全性。TSN技术特点以及与5G架构的融合可以从它的相关技术标准看出。

       4.2 TSN技术标准  

   TSN是IEEE 802.1下基于以太网开发的一套标准，区别于传统以太网，TSN具有时钟同步、流量调度和网络配置的技术特点。时钟同步机制是基于广义精确时间协议（general precision time protocol），通过主从时钟收发报文记录时间戳来对不同网络进行时钟同步；流量调度主要是采用帧抢占策略让高优先级数据流可以无需缓冲进行即时传输。这两项技术使TSN能够支持确定性周期通信。同时，网络配置上TSN任务组在IEEE 802.1Qcc-2018中制定了全分布、全集中配置模型以及集中式网络与集中式用户组合的配置模型，灵活的网络配置方式便于统一管理。

   在5G与TSN融合架构下给出了几种技术方案。

   （1）5G系统（5GS）与TSN系统集成，UE/UPF端口增设TSN翻译器，采用桥接方式实现5GS作为TSN节点对接传统TSN系统，使5GS可替换TSN系统中的固定网络部分；

   （2）精确时钟同步，基于5GS时钟实现TSN节点的精准时钟同步机制，考虑了两个同步系统，NG RAN同步和TSN域同步。两个同步过程彼此独立，NG RAN同步主要通过5G内部系统时钟同步实现，TSN域同步需要TSN翻译器履行与IEEE 802.1相关的所有功能，如gPTP支持，时间戳、最佳主时钟算法（BMCA），这些是实现同步的重要功能，NW-TT和DS-TT收发gPTP消息并在其中加入时间戳以计算链路延迟再进行相应调整完成TSN域同步；

   （3）QoS模型映射，新的QoS模型以及TSN业务模型到3GPP QoS模型的映射，通过3GPP内的QoS调度、缓存和抖动消除功能实现TSN网络要求的确定性传输。

       4.3 小结  

   TSN与5G融合架构已初步成型，未来通过TSN工作组与3GPP组织的合力推动，会进一步完善相关标准形成更加成熟的体系。在商用方面，工业领域的各大厂商都在围绕TSN进行广泛布局：自动化厂商NI公司在2017年发布多款TSN集成控制器，2018年西门子的工业以太网协议PROFINET集成了TSN并发布相关技术产品，2019年三菱电机自动化发布了CC-Link IE TSN产品，华为、思科等通信设备厂商也发布了TSN交换机，芯片厂商Xilinx则提供了TSN技术的开发板。可以看出TSN将在工业互联网占据重要一环，应用在5G智能工厂的组网中。

       5 基于MEC和TSN的智能工厂架构

   5G智能工厂就是在工业互联网基础上构建的，通过5G无线技术作为工厂内外网的主要网络连接方式，降低数据采集布线的成本，此外由于传统的工业无线网存在信号覆盖差、干扰大的缺点，5G技术能有效解决这些问题，提供高质量的无线连接。在工厂内网上采用基于5G的无线组网，应用与5G桥接的TSN技术构建工业无线网实现确定性传输，在工厂外网上5G网络能很好地支撑大流量业务，如虚拟工厂、视频远程维护、无线视频监控的远程控制等，满足工业互联网应用需求。同时，在工厂部署MEC平台，构建适配边缘计算架构的网络连接，让UPF下沉使整个网络更靠近工厂现场，提供网络能力和应用能力的开放调用。整体架构如图1所示。

图1 智能工厂整体架构图

   在部署方案上5G智能工厂建设需要围绕5G网络打造工业边缘云平台，提供更多工业边缘应用。同时，TSN作为5G智能工厂内网组网的主要方式，单独部署成本较高，如果借助MEC平台的优势在平台中进行改进和加设，将5G/TSN架构中的TSN AF、CNC和CUC可以放入MEC平台进行统一管理，部署方案如图2所示。既节省成本又可以作为综合解决方案结合MEC和TSN的优势，为客户提供更好的服务。

图2 TSN在5G/MEC架构下融合部署方案

       6 结束语   

   5G时代改变了传统生产方式，实现万物互联。围绕5G网络打造的智能工厂也将顺应此趋势改变传统工业生产模式实现工业互联网的转型升级，MEC和TSN作为5G网络应用的具体实现方式将成为智能工厂建设的关键一步。本文分别探讨了MEC和TSN在智能工厂的应用以及部署架构，给出了统一部署下的方案建议。当然，生产方式的变革不是一朝一夕完成的，工厂企业也很难一下彻底抛弃原先的网络部署改用5G，如何让5G网络与工厂传统网络结合进行稳步推进将会是进一步需要探讨的问题。

   参考文献略。

       作者简介

   唐凌，硕士，现就职于中国电信股份有限公司研究院，主要研究方向为移动网络核心网和业务、边缘计算等。

   林奕琳，高级工程师，博士，现就职于中国电信股份有限公司研究院，主要研究方向为移动网络核心网和业务、边缘计算等。

   朱红梅，高级工程师，硕士，现就职于中国电信股份有限公司研究院，主要研究方向为移动网络核心网和业务、边缘计算等。

   摘自《自动化博览》2021年2月刊暨《边缘计算2021专辑》