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摘要：MEC和TSN借助5G網絡能夠發揮重要作用，尤其是在5G智能工廠的建設中。5G可以作為智能工廠的創新解決方案，在部署方式上，工廠內網結合TSN技術標準用5G網絡進行組網，通過下沉移動網關、搭建MEC平臺連通工廠內外網。 5G智能工廠以數據為核心實現工廠網絡以及工業設備的互聯互通，為有效利用工業數據、避免信息孤島、工業企業轉型升級提供助力。

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 的商業部署也加快了腳步。國家對智能制造的高度重 視讓工業領域成為重點布局方向。5G智能工廠是工業 企業轉型的具體形式。工廠整體依靠5G作為網絡的主 要連接方式，以數據為核心實現工廠所有設備的互聯 互通。智能工廠需要5G MEC下沉移動網關帶來低時延 高帶寬服務，打造能力開放平臺承載AI應用、提供算 力、處理本地數據。同時，也需要在工廠內網構建確定性網絡保障工業生產。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架構在內網組網上的應用探討，最后討論MEC和TSN在5G智能工廠的統一部署。

2 工廠網絡現狀及需求

工廠整體網絡架構分為工廠內網和工廠外網。傳統工廠內網分IT網絡和OT網絡獨立部署，整體分為工廠級、車間級和現場級[1]，層級間的配置和管理不互 通，工業網絡通信通常包括三種，即現場總線、工業、無線網和工業以太網 。[2]現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；工業無線網主要應用的有WLAN、藍牙、ZigBee等，雖具備靈活部署的優勢，但由于信號覆蓋弱容易受環境因素影響，制約了發展；工業以太網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，設備互聯性上受到限制。

工廠外網的現狀是各工廠信息孤島現象仍存在， 停留在簡單的商用信息溝通，服務單一。如今工業企業對外網業務需求擴大，不僅有企業上云需求，還有對各種能力和算力的需求，要求網絡靠近邊緣且具備差異化服務。

針對工廠網絡現狀，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務，之前多用在工業以太網中，隨著5G興起，5G與TSN結合寫入標準，其融合架 構應用到工廠內網組網，通過應用5G無線技術作為網絡連接靈活部署，同時采用TSN技術標準保障傳輸質量降低時延，提高互聯互通性。此外，構建5G MEC平臺也能改變工廠現狀，MEC通過移動網關下沉使網絡更 靠近邊緣，通過本地分流為工廠提供低時延、高帶寬網絡服務，同時平臺開放網絡能力靈活調用網絡差異化服務。

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，相比于原先工業互聯網的構想由中心云平臺統一部署更靈活有效。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視覺技術，通過MEP平臺集成算法實現算力統一調度；二是數據本地化，通過5G代替傳統固網、Wi-Fi傳輸，在廠區內以及各廠區間實現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，在邊緣進行數據分析、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靠近工廠的網絡邊緣，具備低時延  和高帶寬傳輸，為工廠現場設備節點到云端控制節點提供網絡端到端保障。此外，MEC還開放網絡、應用能力，提供網絡和計算的本地服務。整體部署架構是邊緣計算網關部署在工廠現場，工業控制器、傳感器和智能生產設備作為邊緣計算的載體設備實現本地數據的實時處理，降低時延，提高可靠性。工廠外部搭建MEC平臺實現本地分流并承載第三方應用，通過開發API的方式為第三方應用提供多種服務。MEC平臺設計包含了網絡、能力、資源和管理的開放，對IT基礎資源（算力、存儲、網絡）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通過移動網關的下沉能夠節省帶寬，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，提供網絡能力和應用能力。網絡能力如QoS保障提高網絡服務質量，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、目標檢測等根據工業企業的實際需求進行能力調用。目前已經出現了眾多工業場景下的5G+智能應用的案例，如5G+工業視覺、AI視 頻監控、工業數據采集、智能巡檢、遠程控制、無人駕駛等，MEC為這些應用提供發揮的舞臺，給應用提供最好的網絡、算力保障，為工業企業在服務生產、降本增效、轉型升級上提供強有力的幫助。

此外，MEC借助聯邦學習技術能在提供本地算力的同時保障廠區的數據安全。工業生產是個既開放又需要數據保護的環境，一方面工業數據需要提供給云端進行機器學習和深度學習，訓練工業模型為智能制造提供幫助，另一方面工業數據又屬于工業企業的隱私，涉及到公司機密，不希望被隨意上傳分享。聯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，工業數據上傳到本地MEC平臺進行深度學習，訓練輕量級模型。要給云端上傳數據時只需要提供訓練得到的權重參數，不需要實際的工業數據， 云端集合各工廠訓練的權重參數進行重量級模型訓練，得到優化的模型返回給工廠使用，如此往復既能保護工業數據安全又能利用AI賦能工業生產，達到一舉兩得的效果。

3.3 小結

目前運營商已經在5G MEC的垂直行業應用進行深耕，部署運營的包括智慧物流、智慧礦區、智慧醫療、智能車網，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商用得到了企業的重視，助力產業轉型升級。

4 以5G TSN為主的工廠組網

4.1 5G TSN部署方式

在工廠內網組網上各工廠方式各異，一般采用工業以太網、現場總線、ZigBee、Wi-Fi等方式，雖能保證工廠正常運轉，但與未來工業互聯網的發展不符，存在著諸多問題。如現場總線布線繁瑣不易變更線路， Wi-Fi組網信號覆蓋范圍小、不穩定等。TSN非常適合應用在工業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無線網絡靈活部署內網，并通過TSN實現確定性網絡傳輸，為5G智能工廠建設打下基礎。整體部署架構主要體現在以下方面：控制器到現場設備、控制器與控制器之間、IT與OT網絡之間、5G前傳網絡、IT網絡與 邊緣云平臺之間。在工業現場部署了基于5G的TSN網絡能夠滿足現場設備數據互聯互通的需求，打通從邊緣云平臺到生產現場的數據通路，實現確定性傳輸，保證工業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]下基于以太網開發的一套標準，區別于傳統以太網，TSN具有時鐘同步、流量調度和網絡配置的技術特點。時鐘同步機制是基于廣義精確時間協議（general precision time protocol），通過主從時鐘收發報文記錄時間戳來對不同網絡進行時鐘同步；流量調度主要是采用幀搶占策略讓高優先級數據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絡與集中式用戶組合的配置模型，靈活的網絡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，采用橋接方式實現5GS作為TSN 節點對接傳統TSN系統，使5GS可替換TSN系統中的固定網絡部分；（2）精確時鐘同步，基于5GS時鐘實現TSN節點的精準時鐘同步機制，考慮了兩個同步系統，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內部系統時鐘同步實現，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），這些是實現同步的重要功能，NW-TT和 DS-TT收發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TSN網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年發布多款TSN集成控制器，2018年西門子的工業以太網協議PROFINET集成了TSN并發布相關技術產品，2019年三菱電機自動化發布了CC-Link IE TSN產品，華為、思科等通信設備廠商也發布了TSN 交換機，芯片廠商Xilinx則提供了TSN技術的開發板。可以看出TSN將在工業互聯網占據重要一環，應用在5G智能工廠的組網中。

5 基于MEC和TSN的智能工廠架構

5G智能工廠就是在工業互聯網基礎上構建的，通過5G無線技術作為工廠內外網的主要網絡連接方式， 降低數據采集布線的成本，此外由于傳統的工業無線網存在信號覆蓋差、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。在工廠內網上采用基于5G的無線組網，應用與5G橋接的TSN技術構建工 業無線網實現確定性傳輸，在工廠外網上5G網絡能很好地支撐大流量業務，如虛擬工廠、視頻遠程維護、無線視頻監控的遠程控制等，滿足工業互聯網應用需求。同時，在工廠部署MEC平臺，構建適配邊緣計算架構的網絡連接，讓UPF下沉使整個網絡更靠近工廠現場， 提供網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網絡打造工業邊緣云平臺，提供更多工業邊緣應用。同時， TSN作為5G智能工廠內網組網的主要方式，單獨部署成本較高，如果借助MEC平臺的優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時代改變了傳統生產方式，實現萬物互聯。圍繞5G網絡打造的智能工廠也將順應此趨勢改變傳統工業生產模式實現工業互聯網的轉型升級，MEC和TSN作為5G網絡應用的具體實現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，工廠企業也很難一下徹底拋棄原先的網絡部署改用5G，如何讓5G網絡與工廠傳統網絡結合進行穩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絡核心網和業務、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網絡核心網和業務、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網絡核心網和業務、邊緣計算等。

參考文獻：

[1] 工業互聯網產業聯盟. TSN產業白皮書[R]. 2020. 

[2] 工業互聯網產業聯盟. 工業互聯網網絡連接白皮書（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]. 

[5] 2016.IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks — Bridges and Bridged Networks — Amendment, IEEE Std 802.1Q-2018[S]. 

[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