5G技術(shù)在MEC在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用案例

段世田 滕幼琦

摘要：隨著5G新技術(shù)和智能產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它是產(chǎn)業(yè)智能化的重要載體，也是新一輪工業(yè)革命競爭的起點(diǎn)。5G作為新載體的出現(xiàn)，本身具有廣連接、大帶寬、高可靠、低時(shí)延的先天基因，非常適合工業(yè)互聯(lián)應(yīng)用的需求。它的出現(xiàn)將加快工業(yè)互聯(lián)發(fā)展的進(jìn)程，引領(lǐng)新一波技術(shù)和產(chǎn)業(yè)革新，加速推動生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化改造升級。

關(guān)鍵詞：5G；移動邊緣計(jì)算；速率；

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)難以滿足面向企業(yè)應(yīng)用的技術(shù)需求，5G技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。5G技術(shù)具有大帶寬、高可靠性和低時(shí)延的特點(diǎn)，為物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)提供了一個(gè)強(qiáng)大的平臺，并為各種業(yè)務(wù)融合和行業(yè)應(yīng)用的開發(fā)提供了關(guān)鍵的支持。在推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展方面，5G技術(shù)具有不可或缺的作用。與各垂直領(lǐng)域的深度融合將催生眾多新的業(yè)務(wù)和業(yè)態(tài)，進(jìn)而創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前，中國在5G技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合應(yīng)用方面尚處于起步階段，涉及的具體應(yīng)用行業(yè)主要是遠(yuǎn)程醫(yī)療、工業(yè)制造等傳統(tǒng)行業(yè)。

一、5G技術(shù)的簡介

（一）5G技術(shù)的產(chǎn)生

2015年10月，在無線電通信全會上，國際電聯(lián)無線電通信部門（ITU-R）正式批準(zhǔn)了三項(xiàng)有利于推進(jìn)未來5G研究進(jìn)程的決議，并正式確定了5G的法定名稱為“IMT-2020”。隨著中國政府加大對5G計(jì)劃的推廣和實(shí)施力度，中國在5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向的步伐明顯加快。中國5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)依托國家科技重大專項(xiàng)，由IMT-2020（5G）推進(jìn)組負(fù)責(zé)，正在積極實(shí)施。

（二）5G技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

①全頻譜。頻段越高，使用的帶寬就越多。5G使用的超高頻相比4G的特高頻帶寬多了近10倍。

②大規(guī)模多天線。大規(guī)模多天線的好處在于，隨著天線的使用越多，波束寬度越窄。不同的波束之間，不同的用戶之間干擾就越小。

③波束賦型。隨著陣子數(shù)的增加，波束變得越來越窄。通過調(diào)整相位，可以控制波束的指向。通過動態(tài)跟蹤用戶，使最佳的波束指向用戶，實(shí)現(xiàn)最好的接收和發(fā)射增益。

④空口時(shí)延低。正常情況下，4G的控制面建立時(shí)延為50ms，而5G的控制面時(shí)延為10ms。4G的用戶面?zhèn)鬏敃r(shí)延為10ms，5G的eMBB業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延為8ms，URLLC業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延為1ms。

⑤具備網(wǎng)絡(luò)切片的能力。5G技術(shù)中將物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的服務(wù)需求，滿足不同行業(yè)業(yè)務(wù)對時(shí)延、帶寬、安全和可靠性的要求。實(shí)際上，這是對不同行業(yè)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)邏輯隔離的方式。

（三）5G應(yīng)用中的典型場景

在一般情況下，5G通過網(wǎng)絡(luò)切片可以大致將應(yīng)用分為以下三類：①增強(qiáng)型移動寬帶eMBB。在這種應(yīng)用場景下，智能終端用戶上網(wǎng)峰值速率要達(dá)到10Gbps甚至20Gbps，以支持虛擬現(xiàn)實(shí)、無處不在的視頻直播和分享、隨時(shí)隨地的云接入等大帶寬應(yīng)用。②大連接物聯(lián)網(wǎng)mMTC。在這種場景下，5G網(wǎng)絡(luò)需要支持每平方公里100萬臺設(shè)備的連接。③低時(shí)延、超可靠通信uRLLC。這種場景要求5G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延達(dá)到1毫秒，為智能制造、遠(yuǎn)程機(jī)械控制、輔助駕駛和自動駕駛等低時(shí)延業(yè)務(wù)提供強(qiáng)有力的支持。

二、邊緣云計(jì)算（MEC）的概述

（一）MEC的基礎(chǔ)概念

MEC（Mobile Edge Computing，MEC）移動邊緣計(jì)算。它類似于核心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)加應(yīng)用的下沉。簡單來說，移動邊緣計(jì)算是一種分布式計(jì)算方式，它可以在接收到數(shù)據(jù)后就近進(jìn)行處理，而無需集中處理，從而提高數(shù)據(jù)處理效率。移動邊緣計(jì)算的概念最早出現(xiàn)在2013年。由當(dāng)時(shí)的IBM與Nokia Siemens網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合推出了這種計(jì)算方式，通過在基站內(nèi)部運(yùn)行相應(yīng)的應(yīng)用程序，然后通過計(jì)算向周圍的用戶提供業(yè)務(wù)服務(wù)。根據(jù)相關(guān)的估算，如果將相應(yīng)的服務(wù)器部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣可以節(jié)省高達(dá)35%的帶寬使用，因?yàn)閿?shù)據(jù)無需通過回程線路（Backhaul）返回接入網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)的應(yīng)用服務(wù)器[2]。在5G時(shí)代，MEC邊緣計(jì)算為多業(yè)務(wù)承載提供了一個(gè)理想的融合結(jié)點(diǎn)，可以孵化出很多種商業(yè)應(yīng)用，從而為客戶提供更好的體驗(yàn)。

（二）MEC的關(guān)鍵技術(shù)

作為一個(gè)融合平臺，移動邊緣計(jì)算具有其他平臺所不具備的一些特性：

1.提供開放的平臺

這個(gè)開放的平臺可以實(shí)現(xiàn)能力開放、資源開放和管理開放。企業(yè)可以將不同的應(yīng)用部署在MEC上，也可以在云端部署第三方應(yīng)用進(jìn)行管理。

2.實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的分流

通過MEC平臺，企業(yè)的5G基站流量無需經(jīng)過運(yùn)營商的核心網(wǎng)絡(luò)，直接通過MEC的分流能力回到自己的內(nèi)網(wǎng)，這樣一方面降低了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，另一方面保證了企業(yè)數(shù)據(jù)的安全。

3.實(shí)現(xiàn)第三方數(shù)據(jù)的緩存

通過在MEC平臺上部署第三方應(yīng)用，可以將第三方應(yīng)用數(shù)據(jù)緩存到MEC平臺上。這樣，就近接入MEC平臺的無線用戶就可以高清、無延時(shí)地觀看影視、直播等項(xiàng)目。

（三）MEC的應(yīng)用場景

MEC的應(yīng)用場景主要可分為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的相關(guān)應(yīng)用、相關(guān)業(yè)務(wù)的流量分流以及相關(guān)業(yè)務(wù)的應(yīng)用優(yōu)化。

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的相關(guān)應(yīng)用：包括車聯(lián)網(wǎng)和相關(guān)的定位服務(wù)等。通過MEC平臺，可以為用戶提供相關(guān)定位服務(wù)，幫助用戶準(zhǔn)確定位到室內(nèi)位置，同時(shí)也支持車輛間的實(shí)時(shí)互聯(lián)和信息共享。

相關(guān)業(yè)務(wù)的流量分流：適用于受限于傳輸和需要降低時(shí)延的場景。例如相關(guān)的企業(yè)園區(qū)和本地視頻監(jiān)控等場景。

相關(guān)業(yè)務(wù)的應(yīng)用優(yōu)化：包括抖音直播類應(yīng)用和相關(guān)游戲加速類應(yīng)用等。通過MEC技術(shù)的支持，可以提升視頻質(zhì)量，優(yōu)化用戶體驗(yàn)，并為實(shí)時(shí)的視頻直播和在線游戲提供更高效的服務(wù)。

三、5G+MEC在某汽車制造業(yè)中的應(yīng)用

（一）企業(yè)用戶的業(yè)務(wù)流程

①用戶需要實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)車間中AGV小車的遠(yuǎn)程控制。②在AGV小車上配備機(jī)械臂，用戶可以遠(yuǎn)程控制機(jī)械臂對物品的抓取。③在AVG小車上的前置攝像頭能夠?qū)崟r(shí)傳回圖像，并能夠?qū)崿F(xiàn)距離測量。

（二）企業(yè)用戶的痛點(diǎn)

①傳統(tǒng)WIFI下的遠(yuǎn)程操控時(shí)延較大，操作過程中可能會出現(xiàn)卡頓。②隨著AGV小車數(shù)量的增加，調(diào)度平臺受限于WIFI的速率，不能滿足高并發(fā)連接需求。③現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，時(shí)常出現(xiàn)中斷等情況，影響生產(chǎn)。

（三）企業(yè)業(yè)務(wù)需求

①企業(yè)的AGV小車與控制臺之間的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延低于10ms。②網(wǎng)絡(luò)保持平穩(wěn)運(yùn)行，不能出現(xiàn)中斷，以免影響生產(chǎn)。③滿足多臺AGV小車的高并發(fā)連接需求。④考慮數(shù)據(jù)安全性，希望實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在本地不經(jīng)過公網(wǎng)，直接進(jìn)入企業(yè)私有網(wǎng)絡(luò)。

（四）5G+MEC在實(shí)際應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)

根據(jù)與客戶的溝通，5G+MEC的組網(wǎng)方案被視為解決客戶痛點(diǎn)及滿足實(shí)際應(yīng)用中對網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)需求的最佳方案。

1.5G+MEC在企業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢

客戶使用5G+MEC的組網(wǎng)方案具有以下的優(yōu)勢：

①實(shí)現(xiàn)對AGV小車的精準(zhǔn)控制。AGV通過CPE接入MEC后，可以將視覺感知流量和控制信息分流至邊緣云，實(shí)現(xiàn)毫秒級時(shí)延的控制。

②降低企業(yè)的成本引入MEC之后，可以為大量的AGV提供百Gbps級別的共享計(jì)算平臺，打破了本地計(jì)算的限制。

③提升AGV作業(yè)效率。用戶可以將自身的調(diào)度平臺接入MEC平臺，以提供強(qiáng)大的云計(jì)算能力，從而提高調(diào)度作業(yè)效率。

2. 5G+MEC在企業(yè)組網(wǎng)方案

根據(jù)前期溝通，MEC的前期配套部署已經(jīng)完成，具體如下：①在企業(yè)生產(chǎn)廠區(qū)部署SA基站，并同步部署5G室內(nèi)分布站點(diǎn)。②在企業(yè)園區(qū)附近的匯聚機(jī)房部署MEC平臺。③在網(wǎng)絡(luò)側(cè)完成MEC和IPRAN承載網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。④完成MEC平臺至用戶調(diào)度生產(chǎn)平臺內(nèi)網(wǎng)的專線電路的申請。

配套部署完成以后，需要進(jìn)行相應(yīng)的聯(lián)調(diào)：①實(shí)現(xiàn)AGV小車和CPE網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，讓AGV小車獲取CPE所分配的地址。②實(shí)現(xiàn)IPRAN承載網(wǎng)與MEC平臺的對接，可以通過靜態(tài)路由的方式，也可以通過BGP VPN的方式進(jìn)行對接。③實(shí)現(xiàn)5G基站至5GC控制面的路由打通，同時(shí)5GC平臺還需通過專有的VPN通過承載網(wǎng)回歸到MEC平臺。④實(shí)現(xiàn)5G基站用戶面的數(shù)據(jù)流與MEC平臺的路由互通。⑤實(shí)現(xiàn)MEC平臺與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)調(diào)度生產(chǎn)平臺的路由互訪，一般情況下與企業(yè)的防火墻進(jìn)行互聯(lián)即可。大部分企業(yè)不要求接入內(nèi)網(wǎng)，企業(yè)至MEC平臺的路由基本上通過NAT轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。

（五）傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與5G+MEC組網(wǎng)測試的網(wǎng)絡(luò)結(jié)果對比

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，從應(yīng)用層面上來說，基于5G應(yīng)用的MEC組成的網(wǎng)絡(luò)下，AGV小車操縱順暢，視頻返回清楚，對中臺的控制指令反應(yīng)迅速，且未出現(xiàn)卡頓和抖動的情況。從數(shù)據(jù)層面上來說，基于5G應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延基本在8ms左右，而客戶傳統(tǒng)WIFI下的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延在16ms左右，時(shí)延降低50%左右，客戶感知得到大幅度的提升。根據(jù)客戶5G應(yīng)用下和WIFI下的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對比可明顯看出5G+MEC的組網(wǎng)方式相對于傳統(tǒng)WIFI的組網(wǎng)方式，在時(shí)延上有巨大改善，且在實(shí)際應(yīng)用中，客戶明顯感受到了這一改善。通過5G+MEC這種組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)時(shí)延的改善對于企業(yè)的自動化生產(chǎn)具有重要意義，能夠助推企業(yè)生產(chǎn)的顯著提升，經(jīng)濟(jì)效益凸顯。

四、結(jié)束語

隨著全國5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋越來越廣，基于5G的應(yīng)用將越來越多，無人駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等應(yīng)用也越發(fā)普遍。這種新技術(shù)的普遍應(yīng)用必將推動社會的快速發(fā)展。5G的到來，5G+互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用正在成為社會發(fā)展的一種潮流，5G推動社會產(chǎn)生的效益正在日益顯現(xiàn)。目前MEC的建設(shè)正在加速推進(jìn)，客戶將5G技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)的意愿也愈發(fā)強(qiáng)烈。因此，需要基于MEC平臺，針對不同的用戶以及不同的業(yè)務(wù)類型設(shè)計(jì)相應(yīng)的解決方案，以加快該技術(shù)的應(yīng)用推廣，帶動整個(gè)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

作者單位：段世田 滕幼琦 中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司蘇州市分公司網(wǎng)絡(luò)部

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