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摘要：MEC和TSN借助5G網(wǎng)絡能夠發(fā)揮重要作用，尤其是在5G智能工廠的建設中。5G可以作為智能工廠的創(chuàng)新解決方案，在部署方式上，工廠內網(wǎng)結合TSN技術標準用5G網(wǎng)絡進行組網(wǎng)，通過下沉移動網(wǎng)關、搭建MEC平臺連通工廠內外網(wǎng)。 5G智能工廠以數(shù)據(jù)為核心實現(xiàn)工廠網(wǎng)絡以及工業(yè)設備的互聯(lián)互通，為有效利用工業(yè)數(shù)據(jù)、避免信息孤島、工業(yè)企業(yè)轉型升級提供助力。

關鍵詞：5G；TSN；MEC；智能工廠

1　引言 

隨著5G商用如火如荼地進行，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)領域成為重點布局方向。5G智能工廠是工業(yè) 企業(yè)轉型的具體形式。工廠整體依靠5G作為網(wǎng)絡的主 要連接方式，以數(shù)據(jù)為核心實現(xiàn)工廠所有設備的互聯(lián) 互通。智能工廠需要5G MEC下沉移動網(wǎng)關帶來低時延 高帶寬服務，打造能力開放平臺承載AI應用、提供算 力、處理本地數(shù)據(jù)。同時，也需要在工廠內網(wǎng)構建確定性網(wǎng)絡保障工業(yè)生產。因此，MEC和TSN將會是5G智能工廠建設的重點。綜上，本文將首先介紹5G智能工廠架構，其次探討MEC在智能工廠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智能工廠的統(tǒng)一部署。

2 工廠網(wǎng)絡現(xiàn)狀及需求

工廠整體網(wǎng)絡架構分為工廠內網(wǎng)和工廠外網(wǎng)。傳統(tǒng)工廠內網(wǎng)分IT網(wǎng)絡和OT網(wǎng)絡獨立部署，整體分為工廠級、車間級和現(xiàn)場級[1]，層級間的配置和管理不互 通，工業(yè)網(wǎng)絡通信通常包括三種，即現(xiàn)場總線、工業(yè)、無線網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng) 。[2]現(xiàn)場總線技術復雜繁多且存在通信能力和抗干擾能力差的問題，互相不兼容；工業(yè)無線網(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)相對來說成本較低通信良好，但鏈路層和應用層采用技術不同，設備互聯(lián)性上受到限制。

工廠外網(wǎng)的現(xiàn)狀是各工廠信息孤島現(xiàn)象仍存在， 停留在簡單的商用信息溝通，服務單一。如今工業(yè)企業(yè)對外網(wǎng)業(yè)務需求擴大，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)絡靠近邊緣且具備差異化服務。

針對工廠網(wǎng)絡現(xiàn)狀，基于5G的TSN和MEC將是有效的解決方案。TSN隨著技術標準的成熟逐漸受到重視，它能夠支持確定性傳輸，非常適合工廠設備互通和生產制造等對時間敏感的業(yè)務，之前多用在工業(yè)以太網(wǎng)中，隨著5G興起，5G與TSN結合寫入標準，其融合架 構應用到工廠內網(wǎng)組網(wǎng)，通過應用5G無線技術作為網(wǎng)絡連接靈活部署，同時采用TSN技術標準保障傳輸質量降低時延，提高互聯(lián)互通性。此外，構建5G MEC平臺也能改變工廠現(xiàn)狀，MEC通過移動網(wǎng)關下沉使網(wǎng)絡更 靠近邊緣，通過本地分流為工廠提供低時延、高帶寬網(wǎng)絡服務，同時平臺開放網(wǎng)絡能力靈活調用網(wǎng)絡差異化服務。

3 MEC平臺為工廠賦能

3.1 以5G MEC為主的工廠解決方案

工廠部署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(tǒng)一部署更靈活有效。目前工廠的主要需求是大帶寬、低時延、高算力，提供各種能力的開放調用。MEC整體解決方案重點從三方面入手：一是計算能力的邊緣化。硬件上搭載高算力架構，軟件上整合各類工業(yè)視覺技術，通過MEP平臺集成算法實現(xiàn)算力統(tǒng)一調度；二是數(shù)據(jù)本地化，通過5G代替?zhèn)鹘y(tǒng)固網(wǎng)、Wi-Fi傳輸，在廠區(qū)內以及各廠區(qū)間實現(xiàn)5G全覆蓋，利用MEC將數(shù)據(jù)路由返回本地處理；三是構建云邊一體，在邊緣進行數(shù)據(jù)分析、目標檢測識別，在云端進行訓練和存儲。工廠位置決定MEC的部署位置，邊緣UPF下沉使MEC靠近工廠的網(wǎng)絡邊緣，具備低時延  和高帶寬傳輸，為工廠現(xiàn)場設備節(jié)點到云端控制節(jié)點提供網(wǎng)絡端到端保障。此外，MEC還開放網(wǎng)絡、應用能力，提供網(wǎng)絡和計算的本地服務。整體部署架構是邊緣計算網(wǎng)關部署在工廠現(xiàn)場，工業(yè)控制器、傳感器和智能生產設備作為邊緣計算的載體設備實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)的實時處理，降低時延，提高可靠性。工廠外部搭建MEC平臺實現(xiàn)本地分流并承載第三方應用，通過開發(fā)API的方式為第三方應用提供多種服務。MEC平臺設計包含了網(wǎng)絡、能力、資源和管理的開放，對IT基礎資源（算力、存儲、網(wǎng)絡）進行開放為應用助力。

3.2 MEC在智能工廠中的重要作用

5G MEC通過移動網(wǎng)關的下沉能夠節(jié)省帶寬，確保低時延。除此之外還能進行能力調用，打造成能力開放平臺，提供網(wǎng)絡能力和應用能力。網(wǎng)絡能力如QoS保障提高網(wǎng)絡服務質量，還有電子圍欄、位置訂閱等等能力的開放；應用能力如人臉識別、目標檢測等根據(jù)工業(yè)企業(yè)的實際需求進行能力調用。目前已經出現(xiàn)了眾多工業(yè)場景下的5G+智能應用的案例，如5G+工業(yè)視覺、AI視 頻監(jiān)控、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、智能巡檢、遠程控制、無人駕駛等，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、算力保障，為工業(yè)企業(yè)在服務生產、降本增效、轉型升級上提供強有力的幫助。

此外，MEC借助聯(lián)邦學習技術能在提供本地算力的同時保障廠區(qū)的數(shù)據(jù)安全。工業(yè)生產是個既開放又需要數(shù)據(jù)保護的環(huán)境，一方面工業(yè)數(shù)據(jù)需要提供給云端進行機器學習和深度學習，訓練工業(yè)模型為智能制造提供幫助，另一方面工業(yè)數(shù)據(jù)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)邦學習就很好地解決了這個難題。在工廠部署的MEC平臺提供算力，工業(yè)數(shù)據(jù)上傳到本地MEC平臺進行深度學習，訓練輕量級模型。要給云端上傳數(shù)據(jù)時只需要提供訓練得到的權重參數(shù)，不需要實際的工業(yè)數(shù)據(jù)， 云端集合各工廠訓練的權重參數(shù)進行重量級模型訓練，得到優(yōu)化的模型返回給工廠使用，如此往復既能保護工業(yè)數(shù)據(jù)安全又能利用AI賦能工業(yè)生產，達到一舉兩得的效果。

3.3 小結

目前運營商已經在5G MEC的垂直行業(yè)應用進行深耕，部署運營的包括智慧物流、智慧礦區(qū)、智慧醫(yī)療、智能車網(wǎng)，智能工廠也是重點布局領域，如奇瑞汽車、海爾、三一重工等都在進行基于MEC的智能工廠建設。可以看出5G MEC商用得到了企業(yè)的重視，助力產業(yè)轉型升級。

4 以5G TSN為主的工廠組網(wǎng)

4.1 5G TSN部署方式

在工廠內網(wǎng)組網(wǎng)上各工廠方式各異，一般采用工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、ZigBee、Wi-Fi等方式，雖能保證工廠正常運轉，但與未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展不符，存在著諸多問題。如現(xiàn)場總線布線繁瑣不易變更線路， Wi-Fi組網(wǎng)信號覆蓋范圍小、不穩(wěn)定等。TSN非常適合應用在工業(yè)生產這樣對時間敏感的場景中。尤其是5G與TSN架構融合寫入3GPP標準，這使得工廠可以采用 5G無線網(wǎng)絡靈活部署內網(wǎng)，并通過TSN實現(xiàn)確定性網(wǎng)絡傳輸，為5G智能工廠建設打下基礎。整體部署架構主要體現(xiàn)在以下方面：控制器到現(xiàn)場設備、控制器與控制器之間、IT與OT網(wǎng)絡之間、5G前傳網(wǎng)絡、IT網(wǎng)絡與 邊緣云平臺之間。在工業(yè)現(xiàn)場部署了基于5G的TSN網(wǎng)絡能夠滿足現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的需求，打通從邊緣云平臺到生產現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通路，實現(xiàn)確定性傳輸，保證工業(yè)控制的時間同步和安全性。TSN技術特點以及與5G架構的融合可以從它的相關技術標準看出。

4.2 TSN技術標準

TSN是IEEE 802.1[3，4]下基于以太網(wǎng)開發(fā)的一套標準，區(qū)別于傳統(tǒng)以太網(wǎng)，TSN具有時鐘同步、流量調度和網(wǎng)絡配置的技術特點。時鐘同步機制是基于廣義精確時間協(xié)議（general precision time protocol），通過主從時鐘收發(fā)報文記錄時間戳來對不同網(wǎng)絡進行時鐘同步；流量調度主要是采用幀搶占策略讓高優(yōu)先級數(shù)據(jù)流可以無需緩沖進行即時傳輸。這兩項技術使TSN能夠支持確定性周期通信。同時，網(wǎng)絡配置上TSN任務組在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)絡與集中式用戶組合的配置模型，靈活的網(wǎng)絡配置方式便于統(tǒng)一管理。

在5G與TSN融合架構下給出了幾種技術方案[6，7]。（1）5G系統(tǒng)（5GS）與TSN系統(tǒng)集成，UE/UPF端口增設TSN翻譯器，采用橋接方式實現(xiàn)5GS作為TSN 節(jié)點對接傳統(tǒng)TSN系統(tǒng)，使5GS可替換TSN系統(tǒng)中的固定網(wǎng)絡部分；（2）精確時鐘同步，基于5GS時鐘實現(xiàn)TSN節(jié)點的精準時鐘同步機制，考慮了兩個同步系統(tǒng)，NG RAN同步和TSN域同步。兩個同步過程彼此獨立，NG RAN同步主要通過5G內部系統(tǒng)時鐘同步實現(xiàn)，TSN域同步需要TSN翻譯器履行與IEEE 802.1相關的所有功能，如gPTP支持，時間戳、最佳主時鐘算法（BMCA），這些是實現(xiàn)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間戳以計算鏈路延遲再進行相應調整完成TSN域同步；（3）QoS模型 映射，新的QoS模型以及TSN業(yè)務模型到3GPP QoS模型的映射，通過3GPP內的QoS調度、緩存和抖動消除 功能實現(xiàn)TSN網(wǎng)絡要求的確定性傳輸。

4.3 小結

TSN與5G融合架構已初步成型，未來通過TSN工作組與3GPP組織的合力推動，會進一步完善相關標準形成更加成熟的體系。在商用方面，工業(yè)領域的各大廠商都在圍繞TSN進行廣泛布局：自動化廠商NI公司在2017年發(fā)布多款TSN集成控制器，2018年西門子的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議PROFINET集成了TSN并發(fā)布相關技術產品，2019年三菱電機自動化發(fā)布了CC-Link IE TSN產品，華為、思科等通信設備廠商也發(fā)布了TSN 交換機，芯片廠商Xilinx則提供了TSN技術的開發(fā)板?？梢钥闯鯰SN將在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)占據(jù)重要一環(huán)，應用在5G智能工廠的組網(wǎng)中。

5 基于MEC和TSN的智能工廠架構

5G智能工廠就是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎上構建的，通過5G無線技術作為工廠內外網(wǎng)的主要網(wǎng)絡連接方式， 降低數(shù)據(jù)采集布線的成本，此外由于傳統(tǒng)的工業(yè)無線網(wǎng)存在信號覆蓋差、干擾大的缺點，5G技術能有效解決這些問題，提供高質量的無線連接。在工廠內網(wǎng)上采用基于5G的無線組網(wǎng)，應用與5G橋接的TSN技術構建工 業(yè)無線網(wǎng)實現(xiàn)確定性傳輸，在工廠外網(wǎng)上5G網(wǎng)絡能很好地支撐大流量業(yè)務，如虛擬工廠、視頻遠程維護、無線視頻監(jiān)控的遠程控制等，滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用需求。同時，在工廠部署MEC平臺，構建適配邊緣計算架構的網(wǎng)絡連接，讓UPF下沉使整個網(wǎng)絡更靠近工廠現(xiàn)場， 提供網(wǎng)絡能力和應用能力的開放調用。整體架構如圖1 所示。

圖1 智能工廠整體架構圖

在部署方案上5G智能工廠建設需要圍繞5G網(wǎng)絡打造工業(yè)邊緣云平臺，提供更多工業(yè)邊緣應用。同時， TSN作為5G智能工廠內網(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)勢在平臺中進行改進和加設，將5G/TSN架構中的TSN AF、CNC和CUC 可以放入MEC平臺進行統(tǒng)一管理，部署方案如圖2所示。既節(jié)省成本又可以作為綜合解決方案結合MEC和TSN的優(yōu)勢，為客戶提供更好的服務。

圖2 TSN在5G/MEC架構下融合部署方案

6 結束語

5G時代改變了傳統(tǒng)生產方式，實現(xiàn)萬物互聯(lián)。圍繞5G網(wǎng)絡打造的智能工廠也將順應此趨勢改變傳統(tǒng)工業(yè)生產模式實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的轉型升級，MEC和TSN作為5G網(wǎng)絡應用的具體實現(xiàn)方式將成為智能工廠建設的關鍵一步。本文分別探討了MEC和TSN在智能工廠 的應用以及部署架構，給出了統(tǒng)一部署下的方案建議。當然，生產方式的變革不是一朝一夕完成的，工廠企業(yè)也很難一下徹底拋棄原先的網(wǎng)絡部署改用5G，如何讓5G網(wǎng)絡與工廠傳統(tǒng)網(wǎng)絡結合進行穩(wěn)步推進將會是進一步需要探討的問題。

作者簡介：

唐 凌，碩士，現(xiàn)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網(wǎng)絡核心網(wǎng)和業(yè)務、邊緣計算等。

林奕琳，高級工程師，博士，現(xiàn)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網(wǎng)絡核心網(wǎng)和業(yè)務、邊緣計算等。

朱紅梅，高級工程師，碩士，現(xiàn)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網(wǎng)絡核心網(wǎng)和業(yè)務、邊緣計算等。

參考文獻：

[1] 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)聯(lián)盟. TSN產業(yè)白皮書[R]. 2020. 

[2] 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)聯(lián)盟. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡連接白皮書（版本1.0）[R]. 2018.

[3] IEEE standard for local and Metropolitan Area Networks-timing and synchronization for time-sensitive applications in bridged local area networks-corrigendum 2: technical and editorial corrections: 802.1AS-2011/Cor 2-2015[S]. 

[4] IEEE standard for local and Metropolitan Area Networks-frame replication and elimination for reliability : 802.1CB- 2017[S]. 

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[6] 3GPP TS 23.501, System Architecture for the 5G System; Stage 2(Release 16) [S]. [7] 3GPP TS 23.502, Procedures for the 5G System; Stage 2(Release 16)[S].

摘自《自動化博覽》2021年2月刊