5G邊緣UPF專網(wǎng)鋼鐵智造應(yīng)用研究

葉會標(biāo)，沈國強，樊忠文

(中國電信股份有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310020)

0 引言

工業(yè)信息化是當(dāng)前我國由傳統(tǒng)工業(yè)制造大國向工業(yè)制造強國轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵舉措，中國鋼鐵產(chǎn)量長期占據(jù)全球50%以上產(chǎn)能，但是生產(chǎn)效率低于行業(yè)平均水平，伴隨5G 新基建起步，以5G 布局助力工業(yè)智能制造發(fā)展逐漸清晰。傳統(tǒng)鋼鐵制造業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建嚴重依賴固網(wǎng)專線、無線工業(yè)Wi-Fi、藍牙短距通信等多制式網(wǎng)絡(luò)，但隨著鋼鐵行業(yè)各個生產(chǎn)設(shè)備接入環(huán)網(wǎng)需求量增加，傳統(tǒng)拉網(wǎng)布線已經(jīng)難以滿足苛刻生產(chǎn)環(huán)境下設(shè)備接入需求的快速增長[1]。因此，鋼鐵制造領(lǐng)域極需能夠滿足大數(shù)據(jù)傳輸、穩(wěn)定可靠、海量接入、生產(chǎn)數(shù)據(jù)可控的網(wǎng)絡(luò)信息化方式來實現(xiàn)一體化信息布局，增強工業(yè)制造實力。第五代通信技術(shù)(5G)憑借其增強移動寬帶、海量機器類通信、超可靠低時延通信功能特性，將極大地適配當(dāng)前生產(chǎn)需求，5G 新網(wǎng)元UPF 通過靈活部署方式實現(xiàn)當(dāng)前超低時延業(yè)務(wù)可行性，同時進一步延伸邊緣計算業(yè)務(wù)，來達到生產(chǎn)辦公數(shù)據(jù)通信統(tǒng)一化[2]。

1 鋼鐵行業(yè)通信需求

數(shù)字透明化生產(chǎn)是當(dāng)前傳統(tǒng)制造業(yè)改造方向，隨著人力綜合成本抬升、產(chǎn)能和環(huán)保平衡發(fā)展需要、高架空、高危險源作業(yè)環(huán)境(高溫/粉塵/噪音/有害氣體)等實時監(jiān)控、遠程控制需求對網(wǎng)絡(luò)帶寬需求在短期內(nèi)急劇增長。以傳統(tǒng)鋼鐵鍛造區(qū)域為例，廢鋼吊運天車作業(yè)等重點作業(yè)流程自動化、信息化嚴重不足，危險區(qū)域管控不足；高溫/蒸汽等危險源多，監(jiān)管不夠或者設(shè)備老化導(dǎo)致監(jiān)管危險源視頻質(zhì)量差，監(jiān)管效果不足。傳統(tǒng)無線AP僅支持單向認證安全性差且加密算法簡單易破解，頻譜是公共資源，受外界干擾下性能衰減快，同時安全問題頻發(fā)。AP 間干擾嚴重速率和接入用戶數(shù)沒有保證，難以達到大帶寬接入，沒有切換保證機制，經(jīng)常源AP 掉死后在新AP 重新連接時延過長。同時企業(yè)自己部署Wi-Fi專網(wǎng)，在性能上無法滿足高可靠、低時延需求。光纜專線雖然有高穩(wěn)定性特性，但是面對多終端接入，移動性業(yè)務(wù)場景下業(yè)務(wù)支持度較低。藍牙短距通信在面對大帶寬業(yè)務(wù)場景明顯支撐能力不足，同時傳輸距離受終端收發(fā)能力限制，應(yīng)用范圍極為有限。如表1 所示冶煉區(qū)域遠程天車針對不同業(yè)務(wù)實際下對網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延需求，精確的網(wǎng)絡(luò)帶寬時延設(shè)計才能保證金屬冶煉的準(zhǔn)確性和可靠性，同時隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，對控制精度和控制品質(zhì)提出了較高的要求，需要對大型冶煉信息化控制系統(tǒng)進行改進設(shè)計，實現(xiàn)金屬冶煉過程的信息化處理、遠程管理控制和信息加工。

表1 冶煉區(qū)天車對網(wǎng)絡(luò)能力需求

2 5G UPF專網(wǎng)功能實現(xiàn)

2.1 UPF 定義與功能

UPF 是3GPP 協(xié)議定義下5G 核心網(wǎng)的用戶面，承載數(shù)據(jù)流量，負責(zé)在無線接入網(wǎng)和Internet 之間轉(zhuǎn)發(fā)流量、報告流量使用情況、QoS 策略實施等，相當(dāng)于4G 時代SGW-U 和PGW-U 角色。在5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，應(yīng)用CUPS(Control and User Plane Separation)架構(gòu)將核心網(wǎng)的C 面和U 面實現(xiàn)徹底分離，U 面功能由UPF 獨立擔(dān)當(dāng)，用戶面功能實現(xiàn)去中心化。隨著用戶面網(wǎng)關(guān)功能獨立，可根據(jù)業(yè)務(wù)場景需要為其選擇部署位置，實現(xiàn)業(yè)務(wù)分布式部署，既可以部署于中心DC，也可以部署于本地DC，甚至部署在更靠近用戶的邊緣DC。這取決于垂直行業(yè)對網(wǎng)絡(luò)的要求，如時延、帶寬、可靠性等。譬如在低時延場景中(如自動駕駛)，用戶面UPF 需要更靠近用戶，部署在邊緣位置，實現(xiàn)下沉式部署。

2.2 UPF 替換MEC 降低成本

如圖1 所示，UPF 作為5G 網(wǎng)絡(luò)和多接入邊緣計算(MEC)之間的連接錨點，所有核心網(wǎng)數(shù)據(jù)必須經(jīng)過UPF轉(zhuǎn)發(fā)才能流向外部網(wǎng)絡(luò)，因此MEC 業(yè)務(wù)實現(xiàn)必須是以UPF 分流為基礎(chǔ)。而MEC 是5G 業(yè)務(wù)應(yīng)用面向更加寬廣的標(biāo)志。MEC 解決方案通過UPF 實現(xiàn)與3GPP 數(shù)據(jù)面的集成，通過NEF 實現(xiàn)與3GPP 控制面的集成。MEC 屬于一種超前商業(yè)概念，ETSI 定義了MEC 的商業(yè)框架，包含軟件架構(gòu)、應(yīng)用場景和API 接口。MEC 出現(xiàn)的目的是滿足云應(yīng)用在本地閉環(huán)、移動網(wǎng)絡(luò)分布式下沉以及終端算力提升所形成的連接+計算的融合匯聚節(jié)點[3]。

圖1 UPF 與MEC 架構(gòu)連接示意圖

UPF 是ETSI 與3GPP 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)融合的關(guān)鍵點，MEC由ETSI 和3GPP 共同制定標(biāo)準(zhǔn)，5G 是MEC 發(fā)展的先決條件，因此5G UPF 可以獨立存在同時也可以做到數(shù)據(jù)本地分流實現(xiàn)超低時延、上行大帶寬業(yè)務(wù)能力滿足垂直行業(yè)對網(wǎng)絡(luò)超低時延、超高帶寬以及安全等方面的訴求。并且當(dāng)前MEC 產(chǎn)業(yè)鏈不成熟，成本相比UPF 過于高昂，盈利模式不清晰，各項業(yè)務(wù)提供、業(yè)務(wù)運營和業(yè)務(wù)使用對象均尚處于初始狀態(tài)，突破當(dāng)前低效盈利尷尬狀態(tài)決定著MEC 產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展[4]。

3 5G UPF專網(wǎng)搭建

3.1 業(yè)務(wù)需求設(shè)計

實現(xiàn)鋼鐵冶煉區(qū)域無人化生產(chǎn)需要，整體端到端時延根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型被限制在10 ms～50 ms 之間，業(yè)務(wù)上行帶寬設(shè)計需求在500 Mb/s～900 Mb/s。在空口方面，5G 網(wǎng)絡(luò)通過靈活幀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)上行搶占性調(diào)度、上行免授權(quán)調(diào)度等一系列新技術(shù)減少空口傳輸時延。而在后端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)側(cè)，降低端到端時延的最主要方法就是減少信號的傳輸距離、路由跳數(shù)，相應(yīng)的技術(shù)方案為網(wǎng)關(guān)下沉[5]。而下沉的UPF 與本地服務(wù)器相連通，直接達到降低通信時延的目的。冶煉區(qū)域?qū)儆趶?fù)雜危險的作業(yè)環(huán)境，造成工廠勞力成本急劇增加，“增產(chǎn)降耗”已經(jīng)作為此類企業(yè)智慧化升級的第一需求。改變在噪聲、粉塵、高溫的現(xiàn)場進行人工三班倒操作，以及職工工作環(huán)境和工作時延、工作狀態(tài)、效率無法保障現(xiàn)狀，企業(yè)目標(biāo)在于人力替換，實現(xiàn)毫秒級操作時延，完成對人力的替代，杜絕因人為事故引發(fā)的停產(chǎn)。并且在鋼鐵企業(yè)機房部署UPF服務(wù)器，同時通過定制化5G 基站形成生產(chǎn)區(qū)域5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋，實現(xiàn)遠程操控、精準(zhǔn)操控。如圖2 所示，當(dāng)前鋼鐵冶煉生產(chǎn)區(qū)域天車系統(tǒng)由采集器(掃描儀、測距儀、編碼器、攝像頭)+5G 網(wǎng)絡(luò)+PLC 控制器三部分組成，通過掃描儀采集水平方向信息、編碼器采集垂直方向信息、測距儀采集距離信息，獲取周邊物料、坑料、車輛、車斗高度及裝卸位置信息和畫面，通過5G 定制基站實時將采集數(shù)據(jù)傳輸至UPF 本地服務(wù)器端進行數(shù)據(jù)處理(時延低至10 ms)。會話流程(PDU Session)由目標(biāo)終端發(fā)起創(chuàng)建請求，目標(biāo)終端向AMF 發(fā)送的NAS 消息中包含PDU Session 的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時無線基站側(cè)(RAN)在目標(biāo)終端發(fā)送給AMF 的NAS 信息中插入用戶位置信息和訪問類型信息用于用戶面UPF 錨點的選取。AMF 接收到PDU Session創(chuàng)建請求后，對攜帶數(shù)據(jù)進行分析，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中不包含S-NSSAI 時，選擇默認切片；當(dāng)攜帶數(shù)據(jù)中包含S-NSSAI，不包含DNN 時，且此時用戶簽約信息中對應(yīng)S-NSSAI有默認DNN，根據(jù)用戶簽約信息中選擇默認DNN；否則AMF 為S-NSSAI 選擇本地配置DNN。如果攜帶DNN 是網(wǎng)絡(luò)不支持的DNN，AMF 對會話建立請求拒絕服務(wù)。AMF 根據(jù)PDU Session 創(chuàng)建請求中的DNN、S-NSSAI 信息從備選的SMF 列表中選擇對應(yīng)的SMF。SMF 接收PDUSession_CreateSMContext 請求后，SMF 使 用PDU Session 創(chuàng)建攜帶基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和所關(guān)聯(lián)企業(yè)本地UPF 作為錨點建立數(shù)據(jù)鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸。其中5G 對于PDU Session 選擇錨點最重要的是PDU Session 所指向的DN的APN 和用戶簽約信息中APN 權(quán)限訪問數(shù)據(jù)[6]。工廠部署邊緣一體式增強UPF 包含UPF PSA1、UPF PSA2、ULCL UPF 功能，其中UPF PSA1 為主錨點，專網(wǎng)目標(biāo)終端(5G 采集器)注冊創(chuàng)建會話分配目標(biāo)終端IP(分為固定IP、動態(tài)IP)地址，通過N6 接口對接公網(wǎng)。在ULCL UPF環(huán)節(jié)，通過N9 接口接收來自ULCL UPF 上行報文。UPF PSA2 為輔錨點，通過N6 接口對接廠區(qū)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)采集器數(shù)據(jù)與本地園區(qū)內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)互通[7]。ULCL UPF 本職實現(xiàn)上行數(shù)據(jù)分流，對分流后的下行數(shù)據(jù)進行聚合，通過N9 和N6 接口對接本地數(shù)據(jù)庫，同時所有公網(wǎng)和工廠園區(qū)下行數(shù)據(jù)都匯總到ULCL UPF 發(fā)給目標(biāo)終端。其中廠區(qū)內(nèi)所有數(shù)據(jù)以IP 為匹配規(guī)則，固定段IP 默認為專網(wǎng)，非固定IP 默認為公網(wǎng)業(yè)務(wù)，專網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸路徑如下：

圖2 5G UPF專網(wǎng)示意圖

(1)上行5G 采集器數(shù)據(jù)：目標(biāo)終端-＞RAN-＞ULCL UPF-＞UPF PSA2-＞本地園區(qū)。

(2)下行公網(wǎng)、本地網(wǎng)絡(luò)下發(fā)數(shù)據(jù)：目標(biāo)終端＜-RAN＜-ULCL UPF＜-UPF PSA2＜-本地園區(qū)。

(3)非專網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸路徑如下：

①上行辦公網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)：目標(biāo)終端-＞RAN-＞ULCL UPF-＞UPF PSA1-＞公網(wǎng)；

②下行辦公、日常業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)：目標(biāo)終端＜-RAN ＜-ULCL UPF＜-UPF PSA1＜-公網(wǎng)。

廠區(qū)內(nèi)所有定制SIM 卡用戶附著激活后由SMF 根據(jù)獨立DNN 選擇廠區(qū)UPF 為主錨點，對邊緣業(yè)務(wù)進行廠區(qū)本地流量卸載。專網(wǎng)SIM 卡采用固定IP 和動態(tài)IP 相結(jié)合的IP 地址分配方式。固定IP 用戶IP 地址由UDM分配，動態(tài)IP 地址用戶IP 地址由UPF 分配，能夠滿足天車群控、加裝機器人調(diào)控動態(tài)IP 分配，高清數(shù)據(jù)監(jiān)控、智慧照明等固定IP 分配，實現(xiàn)生產(chǎn)車間所有聯(lián)動組網(wǎng)，一套網(wǎng)絡(luò)整合降低運維成本，提高各個應(yīng)用場景的部署靈活性。如表2 所示，對比傳統(tǒng)Wi-Fi、藍牙、專線通信在低時延、切換、容量方面的不足，5G專網(wǎng)實現(xiàn)同一覆蓋區(qū)域內(nèi)所有設(shè)備超低時延接入來完成遠程控制，同時輔助高精度視頻采集與AI 數(shù)據(jù)同步分析系統(tǒng)實現(xiàn)同一區(qū)域內(nèi)高精度生產(chǎn)，鋼鐵生產(chǎn)質(zhì)量更高。鋼鐵制造廠高溫危險作業(yè)區(qū)域多，實現(xiàn)生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)多設(shè)備無線接入，降低人員工作巡檢面臨安全風(fēng)險、避免安全生產(chǎn)事故、減少人員現(xiàn)場作業(yè)，通過5G專網(wǎng)無線接入實現(xiàn)高清實時視頻監(jiān)控，同時通過云技術(shù)協(xié)同進行AI預(yù)測，確保實時準(zhǔn)確掌握生產(chǎn)現(xiàn)場關(guān)鍵動態(tài)，提前干預(yù)，避免安全事故。

表2 UPF專網(wǎng)下生產(chǎn)效率提升對比

3.2 業(yè)務(wù)成本控制

如圖3 所示，隨著國內(nèi)各個5GC 和本地數(shù)據(jù)中心建設(shè)逐步完善，UPF 作為實現(xiàn)超低時延業(yè)務(wù)關(guān)鍵一環(huán)，已經(jīng)延伸出4 種模式，總體部署方式分為大區(qū)中心UPF、區(qū)域中心UPF、城市UPF、企業(yè)園區(qū)UPF。根據(jù)目標(biāo)行業(yè)實質(zhì)性需求，選擇低成本、可靠的專網(wǎng)分流方案實現(xiàn)運營成本最低化，初期可通過共享式，最大化覆蓋2B 用戶，在初期確保投資效率，部署在運營商機房，硬件以及運維條件都已具備，有利于業(yè)務(wù)快速展開。邊緣增強型一體化UPF 同時具備計算和連接能力滿足企業(yè)訴求，實現(xiàn)極簡運維一站式服務(wù)。后期隨著業(yè)務(wù)模型固定以及高質(zhì)量企業(yè)客戶需求進行入園式部署，進一步強化UPF專網(wǎng)體驗。

圖3 5G UPF 部署方式示意圖

大區(qū)級、區(qū)域級UPF 通常部署于省會城市或者地市級區(qū)域，主要承載地市區(qū)域范圍的用戶面業(yè)務(wù)，包括互聯(lián)網(wǎng)訪問、音視頻以及本地企業(yè)業(yè)務(wù)等。區(qū)域級UPF 與現(xiàn)網(wǎng)5G 核心網(wǎng)融合，運營商通過QoS、DNN 定制和切片等技術(shù)，為行業(yè)客戶提供端到端差異化保障的網(wǎng)絡(luò)連接、行業(yè)應(yīng)用等服務(wù)。同時，基于5G專網(wǎng)原子能力進行了行業(yè)屬性的封裝預(yù)置，適用于為行業(yè)客戶提供該行業(yè)專屬化服務(wù)的場景。此類UPF 部署模式具有廣域跨省、業(yè)務(wù)加速、公專協(xié)同、業(yè)務(wù)隔離的差異化特征，通過切片、DNN 定制來區(qū)分數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和路由隔離，通過高質(zhì)量的專線隔離保障用戶業(yè)務(wù)體驗，同時支持單卡多DNN 定制、支持定向訪問的在線編排[8]。

邊緣級UPF 通常部署于區(qū)縣邊緣，應(yīng)對高帶寬、時延敏感、數(shù)據(jù)機密性強等業(yè)務(wù)。將UPF 下沉到移動邊緣節(jié)點，可基于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(Data Network Name，DNN)或IP 地址等識別用戶，并根據(jù)分流策略對用戶流量進行分流，對需要本地處理的數(shù)據(jù)流進行本地轉(zhuǎn)發(fā)和路由，避免流量迂回，降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時延，提升用戶體驗。此類UPF 主要面向中小型企業(yè)用戶同時對網(wǎng)絡(luò)信息化需求較高且需要分擔(dān)成本問題，UPF 部署在運營商鄰近機房[7]。根據(jù)客戶需求和業(yè)務(wù)特征，可以選擇獨享或與其他企業(yè)共享UPF。在同一切片內(nèi)，通過定制DNN 來區(qū)分數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和路由隔離，提供差異化的SLA，保障用戶業(yè)務(wù)安全。邊緣級UPF 在部署運維上可通過軟硬件預(yù)裝、自動納管、配置自動下發(fā)等方式實現(xiàn)設(shè)備即插即用。在正常運維中，可通過EMS 進行集中配置下發(fā)和運維管理，邊緣級UPF 下沉部署，通過N4 接口對接中心的SMF，需要考慮N4 接口安全，一般可以通過將N4 接口劃分成獨立的網(wǎng)絡(luò)平面，或者通過部署防火墻/IPSEC 進行安全策略增強。

企業(yè)級UPF 部署于企業(yè)機房，充分利用超級上行、干擾規(guī)避、5G 網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計算等技術(shù)，按需定制專用基站、專用頻率和專用園區(qū)級UPF 等專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，為企業(yè)客戶提供一張隔離的、端到端高性能的專用接入網(wǎng)絡(luò)，同時可以按需定制MEC 與行業(yè)應(yīng)用，對專網(wǎng)提供專屬運維支撐服務(wù)。同時，生產(chǎn)數(shù)據(jù)能夠在園區(qū)內(nèi)閉環(huán)，與公眾網(wǎng)數(shù)據(jù)安全隔離，確保生產(chǎn)的安全可靠[9]?？傮w而言，企業(yè)級UPF 需要解決起步成本高、設(shè)備功能復(fù)雜、部署和運維難度高等問題，還需要滿足輕量化的最簡部署，功能更有針對性，可以根據(jù)場景需求靈活搭配，并且實現(xiàn)出廠預(yù)安裝、現(xiàn)場開箱即用，同時支持本地運維和遠程運維等特性。因此，針對特殊行業(yè)如鋼鐵冶金、港口、煤礦等綜合立體型制造企業(yè)，利用5G專網(wǎng)實現(xiàn)信息化改造越級式發(fā)展，有利于傳統(tǒng)作業(yè)模式實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

4 結(jié)論

根據(jù)企業(yè)實際業(yè)務(wù)需求定制化5G專網(wǎng)能夠快速縮短信息化改造時效，第四次工業(yè)革命是我國由工業(yè)大國轉(zhuǎn)向工業(yè)強國的重要轉(zhuǎn)折點，而新一代信息通信技術(shù)演進是實現(xiàn)企業(yè)轉(zhuǎn)型避免市場淘汰的關(guān)鍵。UPF專網(wǎng)下沉極大加快當(dāng)前5G 與工業(yè)生產(chǎn)融合創(chuàng)新發(fā)展，進而推動制造業(yè)從單點、局部的信息技術(shù)應(yīng)用向全行業(yè)、生產(chǎn)面數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化轉(zhuǎn)變，為建設(shè)制造強國、網(wǎng)絡(luò)強國提供有力支撐。本研究通過經(jīng)驗復(fù)制，針對不同產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)定制一體化，可快速實現(xiàn)5G 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合創(chuàng)新，強化生產(chǎn)制造核心環(huán)節(jié)智能化、安全化，不斷釋放市場迭代效應(yīng)。