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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智能工廠的建設(shè)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(nèi)網(wǎng)結(jié)合TSN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(tái)連通工廠內(nèi)外網(wǎng)。 5G智能工廠以數(shù)據(jù)為核心實(shí)現(xiàn)工廠網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)設(shè)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(zhuǎn)型升級(jí)提供助力。

關(guān)鍵詞：5G；TSN；MEC；智能工廠

1　引言 

隨著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(guó)家對(duì)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智能工廠是工業(yè) 企業(yè)轉(zhuǎn)型的具體形式。工廠整體依靠5G作為網(wǎng)絡(luò)的主 要連接方式，以數(shù)據(jù)為核心實(shí)現(xiàn)工廠所有設(shè)備的互聯(lián) 互通。智能工廠需要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(tái)承載AI應(yīng)用、提供算 力、處理本地?cái)?shù)據(jù)。同時(shí)，也需要在工廠內(nèi)網(wǎng)構(gòu)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智能工廠建設(shè)的重點(diǎn)。綜上，本文將首先介紹5G智能工廠架構(gòu)，其次探討MEC在智能工廠的重要作用和具體應(yīng)用，再對(duì)5G TSN架構(gòu)在內(nèi)網(wǎng)組網(wǎng)上的應(yīng)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(luò)現(xiàn)狀及需求

工廠整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為工廠內(nèi)網(wǎng)和工廠外網(wǎng)。傳統(tǒng)工廠內(nèi)網(wǎng)分IT網(wǎng)絡(luò)和OT網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立部署，整體分為工廠級(jí)、車(chē)間級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)[1]，層級(jí)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(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)、無(wú)線網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng) 。[2]現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)復(fù)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)線網(wǎng)主要應(yīng)用的有WLAN、藍(lán)牙、ZigBee等，雖具備靈活部署的優(yōu)勢(shì)，但由于信號(hào)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(duì)來(lái)說(shuō)成本較低通信良好，但鏈路層和應(yīng)用層采用技術(shù)不同，設(shè)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(jiǎn)單的商用信息溝通，服務(wù)單一。如今工業(yè)企業(yè)對(duì)外網(wǎng)業(yè)務(wù)需求擴(kuò)大，不僅有企業(yè)上云需求，還有對(duì)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(duì)工廠網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，基于5G的TSN和MEC將是有效的解決方案。TSN隨著技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備互通和生產(chǎn)制造等對(duì)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5G興起，5G與TSN結(jié)合寫(xiě)入標(biāo)準(zhǔn)，其融合架 構(gòu)應(yīng)用到工廠內(nèi)網(wǎng)組網(wǎng)，通過(guò)應(yīng)用5G無(wú)線技術(shù)作為網(wǎng)絡(luò)連接靈活部署，同時(shí)采用TSN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)保障傳輸質(zhì)量降低時(shí)延，提高互聯(lián)互通性。此外，構(gòu)建5G MEC平臺(tái)也能改變工廠現(xiàn)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)本地分流為工廠提供低時(shí)延、高帶寬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，同時(shí)平臺(tái)開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)能力靈活調(diào)用網(wǎng)絡(luò)差異化服務(wù)。

3 MEC平臺(tái)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(tái)，相比于原先工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想由中心云平臺(tái)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(shí)延、高算力，提供各種能力的開(kāi)放調(diào)用。MEC整體解決方案重點(diǎn)從三方面入手：一是計(jì)算能力的邊緣化。硬件上搭載高算力架構(gòu)，軟件上整合各類(lèi)工業(yè)視覺(jué)技術(shù)，通過(guò)MEP平臺(tái)集成算法實(shí)現(xiàn)算力統(tǒng)一調(diào)度；二是數(shù)據(jù)本地化，通過(guò)5G代替?zhèn)鹘y(tǒng)固網(wǎng)、Wi-Fi傳輸，在廠區(qū)內(nèi)以及各廠區(qū)間實(shí)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(gòu)建云邊一體，在邊緣進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別，在云端進(jìn)行訓(xùn)練和存儲(chǔ)。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(luò)邊緣，具備低時(shí)延  和高帶寬傳輸，為工廠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)到云端控制節(jié)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(yīng)用能力，提供網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算的本地服務(wù)。整體部署架構(gòu)是邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)部署在工廠現(xiàn)場(chǎng)，工業(yè)控制器、傳感器和智能生產(chǎn)設(shè)備作為邊緣計(jì)算的載體設(shè)備實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，降低時(shí)延，提高可靠性。工廠外部搭建MEC平臺(tái)實(shí)現(xiàn)本地分流并承載第三方應(yīng)用，通過(guò)開(kāi)發(fā)API的方式為第三方應(yīng)用提供多種服務(wù)。MEC平臺(tái)設(shè)計(jì)包含了網(wǎng)絡(luò)、能力、資源和管理的開(kāi)放，對(duì)IT基礎(chǔ)資源（算力、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行開(kāi)放為應(yīng)用助力。

3.2 MEC在智能工廠中的重要作用

5G MEC通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)關(guān)的下沉能夠節(jié)省帶寬，確保低時(shí)延。除此之外還能進(jìn)行能力調(diào)用，打造成能力開(kāi)放平臺(tái)，提供網(wǎng)絡(luò)能力和應(yīng)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(yīng)用能力如人臉識(shí)別、目標(biāo)檢測(cè)等根據(jù)工業(yè)企業(yè)的實(shí)際需求進(jìn)行能力調(diào)用。目前已經(jīng)出現(xiàn)了眾多工業(yè)場(chǎng)景下的5G+智能應(yīng)用的案例，如5G+工業(yè)視覺(jué)、AI視 頻監(jiān)控、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、智能巡檢、遠(yuǎn)程控制、無(wú)人駕駛等，MEC為這些應(yīng)用提供發(fā)揮的舞臺(tái)，給應(yīng)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(zhuǎn)型升級(jí)上提供強(qiáng)有力的幫助。

此外，MEC借助聯(lián)邦學(xué)習(xí)技術(shù)能在提供本地算力的同時(shí)保障廠區(qū)的數(shù)據(jù)安全。工業(yè)生產(chǎn)是個(gè)既開(kāi)放又需要數(shù)據(jù)保護(hù)的環(huán)境，一方面工業(yè)數(shù)據(jù)需要提供給云端進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)，訓(xùn)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(jī)密，不希望被隨意上傳分享。聯(lián)邦學(xué)習(xí)就很好地解決了這個(gè)難題。在工廠部署的MEC平臺(tái)提供算力，工業(yè)數(shù)據(jù)上傳到本地MEC平臺(tái)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，訓(xùn)練輕量級(jí)模型。要給云端上傳數(shù)據(jù)時(shí)只需要提供訓(xùn)練得到的權(quán)重參數(shù)，不需要實(shí)際的工業(yè)數(shù)據(jù)， 云端集合各工廠訓(xùn)練的權(quán)重參數(shù)進(jìn)行重量級(jí)模型訓(xùn)練，得到優(yōu)化的模型返回給工廠使用，如此往復(fù)既能保護(hù)工業(yè)數(shù)據(jù)安全又能利用AI賦能工業(yè)生產(chǎn)，達(dá)到一舉兩得的效果。

3.3 小結(jié)

目前運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)在5G MEC的垂直行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行深耕，部署運(yùn)營(yíng)的包括智慧物流、智慧礦區(qū)、智慧醫(yī)療、智能車(chē)網(wǎng)，智能工廠也是重點(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的智能工廠建設(shè)。可以看出5G MEC商用得到了企業(yè)的重視，助力產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

4 以5G TSN為主的工廠組網(wǎng)

4.1 5G TSN部署方式

在工廠內(nèi)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(chǎng)總線、ZigBee、Wi-Fi等方式，雖能保證工廠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但與未來(lái)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展不符，存在著諸多問(wèn)題。如現(xiàn)場(chǎng)總線布線繁瑣不易變更線路， Wi-Fi組網(wǎng)信號(hào)覆蓋范圍小、不穩(wěn)定等。TSN非常適合應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)這樣對(duì)時(shí)間敏感的場(chǎng)景中。尤其是5G與TSN架構(gòu)融合寫(xiě)入3GPP標(biāo)準(zhǔn)，這使得工廠可以采用 5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)靈活部署內(nèi)網(wǎng)，并通過(guò)TSN實(shí)現(xiàn)確定性網(wǎng)絡(luò)傳輸，為5G智能工廠建設(shè)打下基礎(chǔ)。整體部署架構(gòu)主要體現(xiàn)在以下方面：控制器到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(tái)之間。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)部署了基于5G的TSN網(wǎng)絡(luò)能夠滿(mǎn)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技術(shù)特點(diǎn)以及與5G架構(gòu)的融合可以從它的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)看出。

4.2 TSN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

TSN是IEEE 802.1[3，4]下基于以太網(wǎng)開(kāi)發(fā)的一套標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)別于傳統(tǒng)以太網(wǎng)，TSN具有時(shí)鐘同步、流量調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)配置的技術(shù)特點(diǎn)。時(shí)鐘同步機(jī)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(bào)文記錄時(shí)間戳來(lái)對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)鐘同步；流量調(diào)度主要是采用幀搶占策略讓高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流可以無(wú)需緩沖進(jìn)行即時(shí)傳輸。這兩項(xiàng)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(tǒng)一管理。

在5G與TSN融合架構(gòu)下給出了幾種技術(shù)方案[6，7]。（1）5G系統(tǒng)（5GS）與TSN系統(tǒng)集成，UE/UPF端口增設(shè)TSN翻譯器，采用橋接方式實(shí)現(xiàn)5GS作為T(mén)SN 節(jié)點(diǎn)對(duì)接傳統(tǒng)TSN系統(tǒng)，使5GS可替換TSN系統(tǒng)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(xiàn)TSN節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)時(shí)鐘同步機(jī)制，考慮了兩個(gè)同步系統(tǒng)，NG RAN同步和TSN域同步。兩個(gè)同步過(guò)程彼此獨(dú)立，NG RAN同步主要通過(guò)5G內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘同步實(shí)現(xiàn)，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(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(shí)間戳以計(jì)算鏈路延遲再進(jìn)行相應(yīng)調(diào)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(nèi)的QoS調(diào)度、緩存和抖動(dòng)消除 功能實(shí)現(xiàn)TSN網(wǎng)絡(luò)要求的確定性傳輸。

4.3 小結(jié)

TSN與5G融合架構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)形成更加成熟的體系。在商用方面，工業(yè)領(lǐng)域的各大廠商都在圍繞TSN進(jìn)行廣泛布局：自動(dòng)化廠商N(yùn)I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(jī)自動(dòng)化發(fā)布了CC-Link IE TSN產(chǎn)品，華為、思科等通信設(shè)備廠商也發(fā)布了TSN 交換機(jī)，芯片廠商Xilinx則提供了TSN技術(shù)的開(kāi)發(fā)板。可以看出TSN將在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)占據(jù)重要一環(huán)，應(yīng)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(gòu)

5G智能工廠就是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上構(gòu)建的，通過(guò)5G無(wú)線技術(shù)作為工廠內(nèi)外網(wǎng)的主要網(wǎng)絡(luò)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(wú)線網(wǎng)存在信號(hào)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)線連接。在工廠內(nèi)網(wǎng)上采用基于5G的無(wú)線組網(wǎng)，應(yīng)用與5G橋接的TSN技術(shù)構(gòu)建工 業(yè)無(wú)線網(wǎng)實(shí)現(xiàn)確定性傳輸，在工廠外網(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、視頻遠(yuǎn)程維護(hù)、無(wú)線視頻監(jiān)控的遠(yuǎn)程控制等，滿(mǎn)足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。同時(shí)，在工廠部署MEC平臺(tái)，構(gòu)建適配邊緣計(jì)算架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)連接，讓UPF下沉使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)更靠近工廠現(xiàn)場(chǎng)， 提供網(wǎng)絡(luò)能力和應(yīng)用能力的開(kāi)放調(diào)用。整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能工廠整體架構(gòu)圖

在部署方案上5G智能工廠建設(shè)需要圍繞5G網(wǎng)絡(luò)打造工業(yè)邊緣云平臺(tái)，提供更多工業(yè)邊緣應(yīng)用。同時(shí)， 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，如果借助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TSN AF、CNC和CUC 可以放入MEC平臺(tái)進(jìn)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(jié)合MEC和TSN的優(yōu)勢(shì)，為客戶(hù)提供更好的服務(wù)。

圖2 TSN在5G/MEC架構(gòu)下融合部署方案

6 結(jié)束語(yǔ)

5G時(shí)代改變了傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)。圍繞5G網(wǎng)絡(luò)打造的智能工廠也將順應(yīng)此趨勢(shì)改變傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)模式實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，MEC和TSN作為5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的具體實(shí)現(xiàn)方式將成為智能工廠建設(shè)的關(guān)鍵一步。本文分別探討了MEC和TSN在智能工廠 的應(yīng)用以及部署架構(gòu)，給出了統(tǒng)一部署下的方案建議。當(dāng)然，生產(chǎn)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(luò)部署改用5G，如何讓5G網(wǎng)絡(luò)與工廠傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合進(jìn)行穩(wěn)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(xiàn)就職于中國(guó)電信股份有限公司研究院，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)和業(yè)務(wù)、邊緣計(jì)算等。

林奕琳，高級(jí)工程師，博士，現(xiàn)就職于中國(guó)電信股份有限公司研究院，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)和業(yè)務(wù)、邊緣計(jì)算等。

朱紅梅，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國(guó)電信股份有限公司研究院，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)和業(yè)務(wù)、邊緣計(jì)算等。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2021年2月刊