基于5G MEC 的智慧化園區(qū)解決方案

馮曉麗，劉晨，張麗偉，王曉韻

（中國(guó)電信集團(tuán)有限公司，北京 100033）

0 引言

目前，推進(jìn)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合創(chuàng)新發(fā)展和助力工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型等備受關(guān)注。然而整個(gè)制造型企業(yè)信息化程度非常不均衡，大部分處于連接和可視化階段，其信息化發(fā)展重點(diǎn)由內(nèi)部信息化逐漸外延至外部及輸出信息化。其中，內(nèi)部信息化希望通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、智能化生產(chǎn)以及個(gè)性化定制打造一個(gè)數(shù)字化的智能工廠，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的降本增效。實(shí)現(xiàn)工廠園區(qū)的智慧化，主要面臨如下幾點(diǎn)挑戰(zhàn)。

· 安全管理方面。企業(yè)希望能夠?qū)θ藛T進(jìn)行有效管理，包括杜絕擅自離崗、關(guān)鍵區(qū)域非法侵入以及安全操作不規(guī)范防護(hù)等情況。除此之外，企業(yè)的制造數(shù)據(jù)屬于企業(yè)的核心資產(chǎn)，高度敏感，嚴(yán)禁外傳。

· 終端管理方面。企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備終端類型繁多，且協(xié)議多樣化，多終端數(shù)據(jù)采集、互通的壁壘較高。

· 網(wǎng)絡(luò)管理方面。傳統(tǒng)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)類型多樣、組網(wǎng)復(fù)雜、速率低，出現(xiàn)故障后無(wú)法有效定位，運(yùn)維難度較大，對(duì)企業(yè)的IT 系統(tǒng)是極大的挑戰(zhàn)。

· 生產(chǎn)效率方面。目前大量產(chǎn)品的高精度檢測(cè)準(zhǔn)確度和效率對(duì)人工檢測(cè)提出了很大的挑戰(zhàn)，同時(shí)一些較為惡劣的環(huán)境也直接影響工人的身體健康，帶來(lái)用工難的問(wèn)題。即使已經(jīng)采用了機(jī)器代替人工檢測(cè)等方案，也存在各種檢測(cè)系統(tǒng)并存、數(shù)據(jù)難以有效利用的問(wèn)題，對(duì)于生產(chǎn)流程的優(yōu)化和決策是很大的挑戰(zhàn)。

因此，如何利用 5G、多接入邊緣計(jì)算（multi-access edge computing，MEC）等新型ICT技術(shù)打造智慧化園區(qū)[1-9]，實(shí)現(xiàn)管理、生產(chǎn)效率的雙提升，滿足企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型要求成為本文重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

1 基于5G MEC 的智慧化園區(qū)解決方案

1.1 總體解決方案

為了實(shí)現(xiàn)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，打造智慧化園區(qū)，首先需要為企業(yè)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)高速連接、算力靈活擴(kuò)展、安全可靠的云網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)按需加載不同的行業(yè)應(yīng)用，解決企業(yè)管理效率提高、生產(chǎn)效率提升的問(wèn)題。雖然不同企業(yè)的生產(chǎn)布局、制造工藝等存在較大差異，但總體可以分為室內(nèi)固定、室內(nèi)小范圍移動(dòng)、室內(nèi)移動(dòng)以及室外移動(dòng)等場(chǎng)景。針對(duì)不同的場(chǎng)景以及需求，結(jié)合5G、無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)（passive optical network，PON）、Wi-Fi 等網(wǎng)絡(luò)接入方式的特點(diǎn)給出了總體的解決方案，基于5G MEC的智慧化園區(qū)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，具體有以下幾種場(chǎng)景。

圖1 基于5G MEC 的智慧化園區(qū)系統(tǒng)架構(gòu)

（1）室內(nèi)固定場(chǎng)景

針對(duì)固定產(chǎn)線、固定機(jī)床、機(jī)械臂控制等無(wú)移動(dòng)訴求，且時(shí)延要求高的場(chǎng)景，可以充分利用PON 有線的高速連接以及毫秒級(jí)的時(shí)延（帶寬1～10 Gbit/s，時(shí)延＜1.5 ms）為固定設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的千兆連接。但對(duì)于存在產(chǎn)線臨時(shí)調(diào)整需求的場(chǎng)景，為了降低產(chǎn)線調(diào)整帶來(lái)的有線網(wǎng)絡(luò)調(diào)整的復(fù)雜度以及成本，則可以考慮5G 網(wǎng)絡(luò)連接，滿足其柔性生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接需求。

（2）室內(nèi)小范圍移動(dòng)場(chǎng)景

針對(duì)辦公計(jì)算機(jī)、手機(jī)、掃碼槍等小范圍移動(dòng)或者對(duì)業(yè)務(wù)連續(xù)性要求不高的場(chǎng)景，則可以利用通用的Wi-Fi 接入，滿足各類型重點(diǎn)的接入訪問(wèn)需求?？紤]Wi-Fi 本身干擾協(xié)調(diào)能力較弱，比較適用于辦公樓、辦公室、教室等有墻壁阻礙的場(chǎng)景，降低鄰區(qū)干擾的影響。

（3）室內(nèi)移動(dòng)場(chǎng)景

與辦公樓等場(chǎng)景相比，此場(chǎng)景主要針對(duì)大型車間且業(yè)務(wù)具有連續(xù)性保障要求的場(chǎng)景，例如自動(dòng)導(dǎo)引車（automated guided vehicle，AGV）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）眼鏡以及叉車等。此時(shí)，由于Wi-Fi 覆蓋的抗干擾性較差且無(wú)有效的移動(dòng)連續(xù)性保障機(jī)制，容易造成業(yè)務(wù)的中斷，給企業(yè)的生產(chǎn)帶來(lái)影響。因此，針對(duì)工廠車間等空曠場(chǎng)景，以及有業(yè)務(wù)連續(xù)性需求的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，則優(yōu)先選擇5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。

（4）室外場(chǎng)景

針對(duì)室外場(chǎng)景，5G 重點(diǎn)解決港口、碼頭、礦山等光纖不可達(dá)的場(chǎng)景，或者業(yè)務(wù)具有移動(dòng)性需求的場(chǎng)景（如遠(yuǎn)程操控車、室外巡檢機(jī)器人等）。

可以看出，通過(guò)5G、PON、Wi-Fi 等多種網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)企業(yè)用戶不同場(chǎng)景多種終端的固定、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入，可滿足企業(yè)的千兆連接需求。

除此之外，通過(guò)下沉至企業(yè)園區(qū)的MEC，一方面支持5G、PON 等固定移動(dòng)雙千兆網(wǎng)絡(luò)的本地接入，同時(shí)為客戶提供靈活的算力資源，可按需加載客戶所需的業(yè)務(wù)應(yīng)用，滿足客戶的定制化需求，如圖1 所示的視頻監(jiān)控、AGV 以及AR 遠(yuǎn)程輔助等業(yè)務(wù)應(yīng)用。企業(yè)客戶可基于MEC 提供的自服務(wù)門戶，實(shí)現(xiàn)企業(yè)流量管理、終端管理、應(yīng)用編排、監(jiān)控運(yùn)維以及能力開放等能力，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)于云網(wǎng)資源及應(yīng)用的可視可管可控，既可以有效快速地實(shí)現(xiàn)故障的定位定界，同時(shí)還可以將網(wǎng)絡(luò)能力開放給企業(yè)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)的深度融合，加速新型業(yè)務(wù)創(chuàng)新。

基于上述討論可以看出，通過(guò)5G+MEC 可以為工業(yè)園區(qū)提供低時(shí)延、大帶寬、高算力的安全云網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)可以根據(jù)工業(yè)企業(yè)具體的安全管理、終端管理、網(wǎng)絡(luò)管理以及生產(chǎn)效率提升等需求，按需部署不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用滿足企業(yè)管理效率以及生產(chǎn)效率的提升。例如可以通過(guò)部署視頻人工智能（artificial intelligence，AI）類應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)企業(yè)人員、資產(chǎn)等的管理以及安全規(guī)范操作等內(nèi)容；同時(shí)基于MEC 的多網(wǎng)絡(luò)接入能力以及固定/移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的融合管理能力，面向企業(yè)為客戶提供可視、可管、可控等能力，如終端管理、自助流量管理等，滿足企業(yè)多種網(wǎng)絡(luò)管理的需求；在生產(chǎn)效率提升方面，則主要面向物流、遠(yuǎn)程輔助、工業(yè)質(zhì)檢等方面，通過(guò)AGV、AR、視頻AI 等提高整體的工作效率，降低人員工作強(qiáng)度，整體提升生產(chǎn)效率。

1.2 總體組網(wǎng)架構(gòu)

基于5G MEC 的智慧化園區(qū)組網(wǎng)架構(gòu)如圖2 所示。基于上述討論和圖2，可以看出，通過(guò)下沉一體化用戶面功能（user plane function，UPF）和MEC 平臺(tái)，并采用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)（data network name，DNN）簽約的方式，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)論室內(nèi)還是室外的企業(yè)終端，直接訪問(wèn)企業(yè)內(nèi)下沉的一體化UPF 和MEC 平臺(tái)，滿足了企業(yè)數(shù)據(jù)不出園區(qū)的需求。同時(shí)，對(duì)于該區(qū)域內(nèi)有公網(wǎng)訪問(wèn)需求的終端，則直接建立到核心網(wǎng)集中UPF 的連接會(huì)話，實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)業(yè)務(wù)的接入訪問(wèn)。值得注意的是，這種場(chǎng)景下，5G 控制面依然采用集中控制的方式。除此之外，對(duì)于通過(guò)PON 訪問(wèn)的終端，則直接通過(guò)企業(yè)部署光線路終端（optical line terminal，OLT）設(shè)備實(shí)現(xiàn)邊緣業(yè)務(wù)的直接訪問(wèn)。通過(guò)MEC 提供的網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)實(shí)現(xiàn)5G、PON 的管理，實(shí)現(xiàn)企業(yè)用戶對(duì)流量、終端的管理以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障的即時(shí)告警提醒，同時(shí)可通過(guò)接口將相關(guān)能力開放給企業(yè)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控管理。

圖2 基于5G MEC 的智慧化園區(qū)組網(wǎng)架構(gòu)

基于5G MEC 的智慧化園區(qū)解決方案總體是利用5G、PON、MEC 等技術(shù)特征，為用戶提供低時(shí)延、高帶寬、高算力的邊緣云網(wǎng)能力，打造虛擬的RAN 局域網(wǎng)。以企業(yè)園區(qū)為例，通過(guò)業(yè)務(wù)應(yīng)用本地化以及本地分流技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部高效辦公、業(yè)務(wù)應(yīng)用的本地訪問(wèn)等，從而為用戶提供更優(yōu)質(zhì)體驗(yàn)的本地連接能力以及本地業(yè)務(wù)訪問(wèn)能力。也就是說(shuō)，通過(guò)該解決方案為企業(yè)等熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景提供一個(gè)虛擬的本地RAN 局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了MEC“本地業(yè)務(wù)本地解決”的主要思想。

1.3 端到端安全分析

如上所述，企業(yè)用戶對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全提出了很高的要求，除了“數(shù)據(jù)不出園區(qū)”的最基本要求外，更關(guān)注端到端的安全防護(hù)。考慮安全是一個(gè)非常綜合的復(fù)雜問(wèn)題，本文主要針對(duì)圖2 給出的5G MEC 的系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)，分析討論可能面臨的安全問(wèn)題[10]。其中潛在的安全問(wèn)題包括接入安全、傳輸安全、平臺(tái)安全以及應(yīng)用安全等方面，基于5G MEC 的智慧化園區(qū)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)如圖3 所示。

圖3 基于5G MEC 的智慧化園區(qū)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)

針對(duì)上述潛在的問(wèn)題，下面給出如何通過(guò)不同的方案或者策略保障用戶的端到端安全防護(hù)。

（1）接入安全方面

首先，根據(jù)3GPP 標(biāo)準(zhǔn)要求[11-13]，不同于4G，5G 的用戶永久標(biāo)識(shí)（subscription permanent identifier，SUPI）不會(huì)在空口中直接傳輸，傳輸?shù)氖羌用芎蟮挠脩綦[藏標(biāo)識(shí)（subscription concealed identifier，SUCI），只有核心網(wǎng)收到解密信息后才能實(shí)現(xiàn)用戶的識(shí)別。因此，4G 偽基站通過(guò)干擾用戶重新附著獲取用戶標(biāo)識(shí)信息的方法將無(wú)法實(shí)現(xiàn)，即5G 將不存在偽基站的困擾。除此之外，5G空口加密算法的密鑰長(zhǎng)度也由4G 的128 bit 提升至256 bit，提升了加密的復(fù)雜度，極大地保障了5G空口的接入安全；同時(shí)，在底層空口安全的基礎(chǔ)上，企業(yè)還可以選擇通過(guò)簽約專用DNN 的方式，實(shí)現(xiàn)只有企業(yè)終端才能訪問(wèn)接入。并可以疊加機(jī)卡綁定、位置信息綁定等措施進(jìn)一步提升終端接入的安全保障。傳統(tǒng)應(yīng)用層的安全認(rèn)證機(jī)制依然可以保留，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層二次認(rèn)證。

（2）傳輸安全方面

首先根據(jù)3GPP 標(biāo)準(zhǔn)要求，傳輸層通過(guò)采用IPSec 加密、完整性校驗(yàn)以及防竊聽和防篡改技術(shù)，保障5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸層安全。同時(shí)通過(guò)UPF 與MEC 下沉部署至客戶機(jī)房，保證數(shù)據(jù)不出園區(qū)，一方面減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂剑硪环矫娼档土藭r(shí)延以及泄露的風(fēng)險(xiǎn)。考慮運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)間的隔離需要，還可以通過(guò)在接入網(wǎng)、核心網(wǎng)以及企業(yè)網(wǎng)等不同網(wǎng)絡(luò)域間部署防火墻將之充分隔離，從而實(shí)現(xiàn)傳輸層的安全保障。

（3）平臺(tái)安全方面

UPF/MEC 雖然下沉部署至客戶園區(qū)，但要求必須滿足運(yùn)營(yíng)商機(jī)房運(yùn)營(yíng)管理要求，保障物理安全。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件操作系統(tǒng)加固、漏洞掃描等提出滿足安全核查要求。同時(shí)通過(guò)UPF 主備容災(zāi)、MEC 平臺(tái)高可用、多副本存儲(chǔ)等進(jìn)一步提高平臺(tái)系統(tǒng)的可靠性。

（4）應(yīng)用安全方面

對(duì)于運(yùn)營(yíng)商提供的、客戶自由以及第三方提供的應(yīng)用服務(wù)，MEC 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)鏡像掃描、漏洞掃描等應(yīng)用部署準(zhǔn)入機(jī)制，同時(shí)通過(guò)在應(yīng)用間部署內(nèi)層防火墻，實(shí)現(xiàn)安全隔離、白名單訪問(wèn)等功能以保障應(yīng)用安全。除此之外，通過(guò)MEC 平臺(tái)提供的安全監(jiān)控能力避免應(yīng)用對(duì)其他應(yīng)用進(jìn)行非法訪問(wèn)等，保證應(yīng)用的安全運(yùn)行。

除了上述提到的安全方面外，整個(gè)方案還可以通過(guò)進(jìn)一步的安全加固，滿足用戶提出的不同等級(jí)保護(hù)要求，這里就不再贅述。綜上所述，基于5G MEC 的智慧化園區(qū)解決方案目標(biāo)是為企業(yè)客戶打造一個(gè)集物理環(huán)境安全、通信網(wǎng)絡(luò)安全、區(qū)域邊界安全以及計(jì)算環(huán)境安全等為一體的邊緣安全云網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。

2 智慧化園區(qū)典型5G 應(yīng)用場(chǎng)景

作為一種低時(shí)延、高帶寬的移動(dòng)通信系統(tǒng)，5G 重點(diǎn)解決企業(yè)園區(qū)中室內(nèi)外移動(dòng)性要求較高的場(chǎng)景（AGV、叉車等）、港口碼頭礦山等室外光纖不可達(dá)/易損壞的場(chǎng)景（礦山遠(yuǎn)程操控、港口塔吊等）以及室內(nèi)外需要頻繁調(diào)整部署位置的場(chǎng)景（企業(yè)產(chǎn)線調(diào)整、移動(dòng)攝像頭、臨時(shí)防疫站點(diǎn)等）等需求，最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中關(guān)注的管理效率和生產(chǎn)效率的提升。結(jié)合5G 商用后實(shí)際推進(jìn)的項(xiàng)目，將5G MEC 在智慧化園區(qū)場(chǎng)景下最為典型的業(yè)務(wù)應(yīng)用舉例如下。

2.1 AGV 應(yīng)用場(chǎng)景

對(duì)于企業(yè)園區(qū)的多種AGV 物流應(yīng)用需求，現(xiàn)有Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)接入方式存在干擾性大、易掉線、丟包率高、難以提供保障調(diào)度所需的穩(wěn)定可靠網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等問(wèn)題。此外，針對(duì)多臺(tái)AGV 協(xié)同工作的，現(xiàn)有AGV 組內(nèi)通信以及采用2.4 GHz 小無(wú)線、V2V（vehicle-to-vehicle）方式進(jìn)行通信的方案，這種方案存在時(shí)延抖動(dòng)大、難以實(shí)現(xiàn)同步的難題?；?G MEC 的AGV 調(diào)度場(chǎng)景如圖4 所示。

圖4 基于5G MEC 的AGV 調(diào)度場(chǎng)景

其中，通過(guò)將AGV 調(diào)度平臺(tái)部署在MEC 平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了AGV 業(yè)務(wù)的本地訪問(wèn)，此時(shí)AGV通過(guò)5G 模組接入5G 網(wǎng)絡(luò)，調(diào)度平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)AGV 的調(diào)度，以及多臺(tái)AGV 的協(xié)同調(diào)度，滿足了AGV 調(diào)度需要的低時(shí)延要求，避免了Wi-Fi 場(chǎng)景下切換帶來(lái)的掉線問(wèn)題。對(duì)于企業(yè)客戶來(lái)講，AGV 調(diào)度極大限度地提高了物流調(diào)度效率，與傳統(tǒng)人員運(yùn)輸相比，效率提升了2～3 倍。

2.2 AR 遠(yuǎn)程指導(dǎo)

目前，大多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中面臨著諸多難題，例如人工生產(chǎn)過(guò)程難以標(biāo)準(zhǔn)化、質(zhì)量波動(dòng)大，操作過(guò)程無(wú)法實(shí)時(shí)管控、出現(xiàn)問(wèn)題難以排查，專業(yè)培訓(xùn)與實(shí)際工作環(huán)境差異大等。AR 遠(yuǎn)程指導(dǎo)的解決方案可以幫助園區(qū)實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)信息化、智能化辦公，基于5G MEC 的AR 遠(yuǎn)程輔助如圖5 所示。

圖5 基于5G MEC 的AR 遠(yuǎn)程輔助

其中，AR 終端負(fù)責(zé)音視頻和圖像采集，支持輕量級(jí)AI 檢測(cè)識(shí)別。在MEC 平臺(tái)部署AI 算法、音/視頻解碼、圖像渲染等能力，增強(qiáng)交互實(shí)時(shí)性，提升用戶體驗(yàn)。一方面滿足了客戶低時(shí)延的需求，另一方面降低了對(duì)AR 眼鏡的硬件性能要求、降低功耗，提升使用體驗(yàn)。各分區(qū)域的MEC 還可以將分析后的數(shù)據(jù)匯總到中心云端，實(shí)現(xiàn)云邊數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，后臺(tái)專家系統(tǒng)通過(guò)接收的音視頻實(shí)時(shí)畫面進(jìn)行標(biāo)記、文字、語(yǔ)音以及推送圖紙、文檔等操作指導(dǎo)前端工作人員，實(shí)現(xiàn)快速遠(yuǎn)程輔助維修，降低工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的人員素質(zhì)要求，以及避免專家現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)帶來(lái)的高昂成本。

2.3 工業(yè)質(zhì)檢

為了實(shí)現(xiàn)企業(yè)人員有效的管理，例如到崗管理、操作規(guī)范化管理等，目前視頻AI 算法已經(jīng)應(yīng)用得較為廣泛，但對(duì)于企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量檢測(cè)場(chǎng)景，如何降低現(xiàn)有人工質(zhì)檢帶來(lái)的檢測(cè)效率低、專業(yè)要求高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，基于現(xiàn)有攝像頭以及工業(yè)攝像機(jī)等可以有效提升管理和生產(chǎn)效率，基于5G MEC 的工業(yè)質(zhì)檢具體方案如圖6 所示。

圖6 基于5G MEC 的工業(yè)質(zhì)檢具體方案

其中，工業(yè)質(zhì)檢平臺(tái)部署在MEC 平臺(tái)上，提供視頻圖像識(shí)別、人/設(shè)備態(tài)勢(shì)識(shí)別、產(chǎn)品在線質(zhì)檢等視覺分析能力，多臺(tái)工業(yè)相機(jī)內(nèi)嵌5G 模組或外接工業(yè)網(wǎng)關(guān)等方式將采集的數(shù)據(jù)快速上傳至MEC 平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)秒級(jí)檢測(cè)結(jié)果輸出?？梢钥闯?，5G MEC 為工業(yè)質(zhì)檢應(yīng)用提供了低時(shí)延、大帶寬、本地化的云網(wǎng)基礎(chǔ)，保證圖像高傳輸質(zhì)量且數(shù)據(jù)不出園區(qū)，還可以根據(jù)場(chǎng)景需求隨時(shí)調(diào)整相機(jī)的部署位置，既提升了整個(gè)質(zhì)檢的效率，同時(shí)也具備了一定程度的柔性生產(chǎn)能力。

3 典型商用案例

為了更直觀地說(shuō)明，下面結(jié)合具體的企業(yè)園區(qū)場(chǎng)景進(jìn)行方案描述，該客戶的主要需求如下。

· 現(xiàn)有的Wi-Fi、工業(yè)內(nèi)網(wǎng)穩(wěn)定性差、安全性低，終端接入已達(dá)瓶頸。

· 傳統(tǒng)加工制造自動(dòng)化程度低，管理能力粗放，原有的ICT 方案支撐能力弱，可擴(kuò)展性差。

· 企業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型疊加信息技術(shù)快速發(fā)展，運(yùn)維要求不斷提高，私有云等傳統(tǒng)IT 業(yè)務(wù)建設(shè)周期長(zhǎng)，成本高，難以滿足企業(yè)需求。

· 首期通過(guò)5G+AGV 提升車間物流效率。

基于上述考慮給出基于5G MEC 的智慧化園區(qū)解決方案，并集成了AGV 應(yīng)用進(jìn)行完整交付，基于5G MEC 的智慧化園區(qū)實(shí)際組網(wǎng)方案如圖7 所示。

圖7 基于5G MEC 的智慧化園區(qū)實(shí)際組網(wǎng)方案

（1）UPF 側(cè)出口部署兩臺(tái)CE 網(wǎng)關(guān)，雙上聯(lián)IPRAN A 設(shè)備，并側(cè)掛兩臺(tái)防火墻，兩臺(tái)防火墻雙機(jī)部署；UPF 雙上聯(lián)CE 網(wǎng)關(guān)。

（2）MEC 側(cè)出口堆疊部署兩臺(tái)EOR 交換機(jī)，口字型上聯(lián)CE 網(wǎng)關(guān)；EOR 交換機(jī)側(cè)掛一臺(tái)防火墻，作為服務(wù)器的網(wǎng)關(guān)；MEC 服務(wù)器雙上聯(lián)EOR交換機(jī)。

UPF 與A 設(shè)備之間部署L3 VPN，實(shí)現(xiàn)5G 相關(guān)VPN 下沉至A 設(shè)備。根據(jù)承載相關(guān)建設(shè)要求，邊緣UPF 部署入網(wǎng)后，需要與電信網(wǎng)內(nèi)的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互通，具體如下。

· UPF 提供IPRAN 的CDMA-RAN VPN 與5G 基站實(shí)現(xiàn)互通。

· UPF 提供IPRAN 的CDMA-EPC VPN 與5GC SMF 實(shí)現(xiàn)互通。

· UPF 提供IPRAN 的CDMA-EPC VPN 與省會(huì)UPF 實(shí)現(xiàn)互通。

· UPF 提供IPRAN 的CDMA-MGNT VPN（或CDMA-Outband VPN）與設(shè)置在省會(huì)城市的EMS 實(shí)現(xiàn)互通。

同時(shí)，考慮客戶對(duì)于數(shù)據(jù)不出園區(qū)要求較高，因此采用了專用的DNN 分流方案，其中UE 號(hào)卡需要根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的MEC/UPF 的DNN 信息進(jìn)行配置，具體步驟如下。

前置條件：終端配置專用DNN 并在統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理（unified data management，UDM）上面簽約專用DNN。

步驟1 5G 終端發(fā)起協(xié)議數(shù)據(jù)單元（protocol data unit，PDU）會(huì)話建立請(qǐng)求，PDU Session Establishment Request 消息攜帶專用DNN。

步驟2 接入和移動(dòng)性管理功能（access and mobility management function，AMF）向會(huì)話管理功能（session management function，SMF）發(fā)送創(chuàng)建會(huì)話管理（session management，SM）上下文請(qǐng)求，PDU Session CreateSMContext Request 消息包含了用戶位置信息、DNN 等。

步驟3 SMF 向AMF 回復(fù)創(chuàng)建SM 上下文響應(yīng)。

步驟4 SMF 繼續(xù)執(zhí)行用戶PDU 會(huì)話建立流程，按照配置，SMF 根據(jù)特定的DNN 為5G 終端選擇邊緣UPF。

步驟5 SMF 向UPF 發(fā)送N4 會(huì)話建立請(qǐng)求，并提供要在該P(yáng)DU 會(huì)話的UPF 上安裝的分組檢測(cè)規(guī)則（packet detection rule，PDR）等。

步驟6 UPF 向SMF 回復(fù)N4 會(huì)話建立響應(yīng)。

步驟7 SMF 發(fā)送PDU 會(huì)話建立響應(yīng)。

步驟8 通用分組無(wú)線服務(wù)隧道協(xié)議（general packet radio service tunneling protocol，GTP）隧道地址和隧道端點(diǎn)標(biāo)識(shí)（tunnel endpoint identifier，TEID）的相互通知，PDU 會(huì)話創(chuàng)建成功。

除此之外，通過(guò)將AGV 管理平臺(tái)部署在MEC上，實(shí)現(xiàn)AGV 通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)的本地化方案與調(diào)度，與Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)下切換導(dǎo)致的10%左右的丟包率相比，5G 網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)AGV 零丟包，有效地保障了AGV 業(yè)務(wù)的連續(xù)性和低時(shí)延訪問(wèn)，其中端到端ping包時(shí)延約為11 ms。通過(guò)AGV 應(yīng)用的部署，企業(yè)的整體物流搬運(yùn)效率提升約60%?；贛EC 擁有可靈活擴(kuò)展的算力資源，同時(shí)還開展了人臉識(shí)別打卡、安全崗位動(dòng)作規(guī)劃化識(shí)別等視頻AI 應(yīng)用，有效地提升了企業(yè)的生產(chǎn)和管理效率。

4 問(wèn)題及挑戰(zhàn)

綜上所述，基于5G MEC 的智慧化園區(qū)解決方案可為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供包括固定移動(dòng)雙千兆網(wǎng)絡(luò)連接、各類業(yè)務(wù)應(yīng)用部署所需的靈活算力資源以及端到端安全保障的邊緣云網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。并且企業(yè)客戶可基于MEC 提供的自服務(wù)門戶，實(shí)現(xiàn)企業(yè)流量管理、終端管理、應(yīng)用編排、監(jiān)控運(yùn)維以及能力開放等能力，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)云網(wǎng)資源及應(yīng)用的可視、可管、可控，既可以有效快速地實(shí)現(xiàn)故障的定位定界，同時(shí)還可以將網(wǎng)絡(luò)能力開放給企業(yè)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)的深度融合，加速新型業(yè)務(wù)創(chuàng)新。然而，整個(gè)5G MEC 在實(shí)際落地應(yīng)用中依然面臨很多問(wèn)題與挑戰(zhàn)亟待研究解決，具體如下。

（1）靈活的分流策略

現(xiàn)有方案主要采用專用DNN 的方案，這種方案適合企業(yè)設(shè)備、終端等僅有本地業(yè)務(wù)訪問(wèn)需求的場(chǎng)景，安全度較高。然而，對(duì)于手機(jī)類用戶，如果同時(shí)存在企業(yè)本地業(yè)務(wù)訪問(wèn)和公網(wǎng)業(yè)務(wù)訪問(wèn)，尤其是該終端從企業(yè)外部公網(wǎng)訪問(wèn)移動(dòng)至企業(yè)內(nèi)部訪問(wèn)本地業(yè)務(wù)時(shí)，分流的方案還需要進(jìn)一步解決。

（2）安全防護(hù)方案

雖然前面已經(jīng)針對(duì)端到端的安全方案進(jìn)行了具體敘述，但由于UPF、MEC 等運(yùn)營(yíng)商設(shè)備下沉部署至客戶園區(qū)，從運(yùn)營(yíng)商的角度、客戶的角度對(duì)于安全的要求略有不同，需要同時(shí)滿足雙方對(duì)于總體安全的要求，形成更為規(guī)范、有效的安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)以及安全分工界面。

（3）網(wǎng)絡(luò)能力開放

如前所述，基于MEC 可以為用戶提供一定程度的網(wǎng)絡(luò)可視可管可控能力，如何通過(guò)開放接口將其開放給企業(yè)自有或者第三方業(yè)務(wù)應(yīng)用，成為優(yōu)化業(yè)務(wù)應(yīng)用、提升用戶體驗(yàn)、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)深度融合的重要手段之一。因此需要根據(jù)業(yè)務(wù)需求，感知獲取網(wǎng)絡(luò)上下文信息，并通過(guò)分析處理形成MEC 平臺(tái)具備的網(wǎng)絡(luò)能力，同時(shí)通過(guò)開放接口的研究及標(biāo)準(zhǔn)化，加速創(chuàng)新型業(yè)務(wù)應(yīng)用的開發(fā)及上線，打造良好的MEC 產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈。

（4）業(yè)務(wù)連續(xù)性保障

對(duì)于上述單個(gè)園區(qū)來(lái)講，業(yè)務(wù)應(yīng)用部署在一個(gè)MEC 上，此時(shí)終端移動(dòng)帶來(lái)的移動(dòng)性切換5G可以很好地滿足；然而當(dāng)園區(qū)部署多個(gè)MEC 的場(chǎng)景時(shí)，負(fù)載平衡或性能不滿足等原因會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用遷移以及終端在不同MEC 覆蓋區(qū)域間移動(dòng)的情況，此時(shí)如何保證用戶會(huì)話以及業(yè)務(wù)的連續(xù)性等還需要進(jìn)一步研究及標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文將首先結(jié)合園區(qū)類客戶的典型需求，給出一種基于5G MEC 的智慧化園區(qū)解決方案，并分別討論了總體架構(gòu)、系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)以及端到端的安全分析。除此之外，針對(duì)目前急需的幾種典型應(yīng)用場(chǎng)景給出AGV、AR 遠(yuǎn)程輔助、機(jī)器視覺3 種典型業(yè)務(wù)應(yīng)用。最后結(jié)合實(shí)際商用項(xiàng)目給出了詳細(xì)的組網(wǎng)方案和分流方案，并針對(duì)5G MEC 智慧化園區(qū)解決方案在后續(xù)應(yīng)用中可能存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)進(jìn)行了討論，為后續(xù)大規(guī)模發(fā)展提供參考。