——工業互聯網邊緣計算——模塊4基于5G邊緣計算網絡傳輸目錄CONTENTS分析5G傳輸網絡的構成任務4.1面向行業應用的區域化5G專網解析任務4.25G邊緣計算在OT網絡的部署任務4.35G邊緣計算網絡架構與規劃任務4.45G邊緣計算端側傳輸部署任務4.55G混合專網部署任務4.6章節簡介本模塊通過對接入網+承載網+核心網的架構梳理，使學生對5G網絡初步了解。著重對工業互聯網的5G邊緣計算網絡架構進行分析，確定其實現的技術手段和網絡拓撲結構。以網絡數據的傳輸為導向，對5G專網、5G邊緣計算在OT網絡的應用模式、工業互聯網的5G邊緣計算網絡架構及網絡規劃進行探討。使學生掌握工業互聯網基于5G邊緣計算網絡架構的傳輸模式，串聯前面所學內容并為后續項目的具體實施奠定基礎。學習目標1.知識目標1）了解5G傳輸網絡的構成。2）了解5G行業專網的3種模式。3）理解5G邊緣計算在OT網絡的應用模式。4）理解5G邊緣計算網絡的數據傳輸模式。5）掌握5G邊緣計算網絡架構。2.技能目標1）具備理解企業項目背景，選擇和規劃5G邊緣計算網絡的能力。2）具備端側傳輸部署的能力。3）具備部署5G混合專網的能力。3.素質目標1）具有良好的科技文獻信息檢索和技術文檔閱讀的能力。2）具有整合和綜合運用知識分析問題和解決問題的能力。3）具有較強的集體意識和團隊合作的能力。4）具有觸類旁通、舉一反三的能力。學習導圖任務4.1分析5G傳輸網絡的構成導入4.1.1運營商網絡的分類1．無線側用戶手機和一些無線設備通過通信基站接入到無線接入網，在接入網側可以通過RTN（Real-timeNetwork，實時音視頻傳輸網絡）或者IPRAN（IPRadioAccessNetwork）或者PTN（PacketTransportNetwork，分組傳送網）解決方案來解決，將信號傳遞給BSC/RNC（BaseStationController/RadioNetworkController，基站控制器/無線網絡控制器），即常說的通信基站。最后，將信號傳遞給核心網，其中核心網內部的網元通過IP承載網來承載。其中，IPRAN中的IP指的是互聯協議，RAN指的是RadioAccessNetwork，相對于傳統的SDH（SynchronousDigitalHierarchy，同步數字體系）傳送網，IPRAN是基于IP的傳送網的。IPRAN常被人稱為：“無線接入網IP化”。4.1.1運營商網絡的分類2．固網側固網側是指終端用戶設備通過有線方式和無線方式接入網絡，實現用戶設備接入的部分網絡稱為接入網。接入網主要是GPON（gigabitpassiveopticalnetwork，吉比特無源光網絡），包括ONT（Opticalnetworkterminal，光網絡終端）、ODN（OpticalDistributionNetwork，光分配網）、OLT（opticallineterminal，光線路終端）。用戶信號從接入網接入，然后通過承載網送入核心網，核心網絡一般是由各運行商來負責建設和管理的。核心網絡架構往往又可以分為接入層、匯聚層和核心層三層結構。核心網接口服務器一般采用BRAS（BroadbandRemoteAccessServer，寬帶接入服務器），其主要是實現認證、鑒定和計費功能。各核心網絡又通過承載網絡與骨干網絡相連，骨干網絡由國家出資建設，主要作用是連接不同運營商的核心網絡，對于骨干網架構又可以分為接入層和核心層兩個層次。4.1.1運營商網絡的分類固網側和無線側之間可以通過光纖進行傳遞，其中，實現遠距離的傳遞主要由波分設備來承擔，波分設備主要是通過WDM（WavelengthDivisionMultiplexing，波分復用）技術和SDH（SynchronousDigitalHierarchy，同步數字體系）來實現對大量信號的承載，通過OTN（opticaltransportnetwork，光傳送網）來封裝，以此來實現在波分系統中更好的傳遞。4.1.2部署接入網企業中往往采用無線側的方式，使用第五代移動通信技術（5thGenerationMobileCommunicationTechnology，5G）來實現終端采集設備和工業設備接入到無線接入設備中，通過通信基站進行信號的接收，然后傳遞給核心網絡，進行信息的傳輸。接下來針對接入網、承載網和核心網的部署，來進行任務實施。如圖所示為移動通信網絡架構的簡化版示意圖。通過無線接入網（RadioAccessNetwork）把所有的用戶移動端接入到通信網絡中。通信基站在接入網絡中起到了至關重要的作用，它的主要功能是提供無線覆蓋，即實現有線通信網絡與無線終端之間的無線信號傳輸。導入移動通信是進行無線通信的現代化技術，這種技術是電子計算機與移動互聯網發展的重要成果之一。移動通信技術經過第一代1G到第四代技術4G的發展，目前，企業網絡普遍使用的第五代移動通信技術5G，這也是目前改變世界的幾種主要技術之一。4.1.2部署接入網與前幾代技術相比，5G網絡作為新一代寬帶移動通信技術具有高速率、低時延和萬物互聯的優勢，是實現人機物互聯的網絡基礎設施。1.5G的網絡速率是4G網絡速度的10倍以上，可以達到500Mbps~2GMbps。2.5G網絡可以實現每平方公里至少載100萬臺終端設備。遍布各個角落的基站設置將滿足海量用戶的通信要求，并保障數以億計的設備安全接入網絡，即便在最遙遠偏僻的地方也不例外。簡而言之，5G將可以實現“隨時隨地萬物接入”。1G到4G網絡主要解決的是人與人之間的通信，而5G則側重解決人與物、物與物之間的通信，可以實現真正的“萬物互聯”。3.5G網絡在把數據從網絡一端傳送到另一端所需要的時間，即時延上也大大的降低了，典型的端到端的時延為5-10ms左右，低時性延為萬物互聯提供了可能。1.5G技術以及移動通信技術的發展4.1.2部署接入網盡管5G網絡在很多方面有了大幅度的提升，但其通信網絡的邏輯架構相比4G網絡并沒有發生太大的變化，通信網絡依然采用接入網、承載網、核心網三個模塊，如圖所示用戶通信數據在接入網、承載網和核心網中轉發。1.5G技術以及移動通信技術的發展4.1.2部署接入網對于接入網最重要的核心組件是通信基站，如圖所示通信基站。通信基站通常包括BBU（BuildingBasebandunit，室內基帶處理單元）和RRU（RadioRemoteUnit，射頻拉遠單元），BBU和RRU之間使用光纖連接，傳輸基帶數字信號，一個BBU可以支持多個RRU。1.5G技術以及移動通信技術的發展4.1.2部署接入網其中，BBU主要負責信號編碼、復用、調制和擴頻，即對信號的處理功能。如圖所示。RRU通過饋線連接天線，主要包括4個模塊：中頻模塊、收發信機模塊、功放模塊和濾波模塊。中頻模塊用于光傳輸的調制解調、數字上下變頻、模擬信號/數字信號（A/D）轉換等，收發信機模塊用來完成中頻信號到射頻信號的變換，再經過功放模塊和濾波模塊，將射頻信號通過天線口發射出去。這里要說明的是中頻信號是高頻信號經過變頻而獲得的一種信號，為了使放大器能夠穩定的工作和減小干擾，一般的接收機都要將高頻信號變為中頻信號。1.5G技術以及移動通信技術的發展4.1.2部署接入網在移動通信發展過程中，基站的租賃費用以及保證基站正常運行的電費與維護費用是移動運營商在接入網的主要成本支出。移動運營商出于對運營成本與設備運行環境要求綜合考量，不斷改善接入網設備的部署方式，發展至今，基站部署的發展歷程大體經歷了5個階段。2.基站部署的發展歷程4.1.2部署接入網（1）第一階段：設備集成度高，集中部署管理。BBU、RRU和供電單元等設備，集成在一起放在專門建成的機房的機柜中，為保障設備的正常運行，基站建設的環境要參照計算機機房建設，如對靜電、噪聲、照亮、無線電干擾場強、磁場干擾、地板振動加速值、溫度濕度、電阻、污染物等指標都有一定的要求。因此，建設成本與后期運行維護成本較高。如圖所示BBU、RRU集成部署。2.基站部署的發展歷程4.1.2部署接入網（2）第二階段：拆分BBU與RRU，設備分散放置。設備RRU和BBU硬件上不再放在一起，RRU通常會掛在機房的墻上。BBU有時候掛墻，不過大部分時候是在機柜里。設備的拆分降低了設備功耗，減少了設備發熱。分散放置改善了設備與設備間通風環境，降低設備環境需求，不再需要空調降溫即可保證設備正常運行。如圖所示BBU與RRU分散放置。2.基站部署的發展歷程4.1.2部署接入網（3）第三階段：RRU不再放在室內，而是被搬到了天線的身邊，抱桿掛在塔桿上，業內稱之為“RRU拉遠”。此時無線接入網RAN根據設備的部署分布情況演變成了D-RAN（Distributed-RAN，分布式無線接入網）。采用D-RAN的方式一方面，大大縮短了RRU和天線之間饋線的長度，減少了信號損耗，同時也降低了饋線的成本；另一方面，可以讓網絡規劃更加靈活。畢竟RRU和天線的體積都比較小，想怎么放置，就怎么放置。但是，此階段仍然需要建設室內機房或者方艙來存放BBU、電源等設備。如圖所示為“RRU拉遠”模式部署。2.基站部署的發展歷程4.1.2部署接入網（4）第四階段：除了RRU拉遠之外，把BBU全部都集成存放在中心機房（CO，CentralOffice）形成一個BBU基帶池。此時分布式無線接入網D-RAN演變成了C-RAN（Centralized-RAN，集中化無線接入網）。采用C-RAN的方式一方面可以極大減少基站機房的數量，減少配套設備，便于統一管理，資源調配更加靈活；另一方面拉遠之后的RRU搭配天線部署使用，可以安裝在離用戶更近距離的位置，降低網絡功耗。在C-RAN模式下，基站實際上是對于用戶來說“不見了”，所有的實體基站變成了虛擬基站，這樣就省去了基站的建設、租賃和維護費用。如圖所示為BBU集中管理。2.基站部署的發展歷程4.1.2部署接入網（5）第五階段：5G時代為了滿足增強移動寬帶（EnhancedMobileBroadband，eMBB）、大規模物聯網（MassiveMachineTypeCommunication，mMTC）和低時延高可靠通信（Ultra-ReliableLow-LatencyCommunications，uRLLC）三大要求，并提高資源利用率，將基站結構做了一定的改變，重構為3個功能實體：BBU被拆分為CU（Centreunit控制單元）、DU（Distributedunit分布單元），即將高層協議處理（分組數據匯聚協議/無線資源控制協議，PDCP/RRC）分離出來成為獨立的邏輯單元集中由CU處理，底層協議處理（訪問控制層/物理層，MAC/PHY）仍保留在在站點分部處理，該架構有利于實現多連接、高低頻協作、簡化切換流程、利于平臺開放；天線和RRU被集成在一個AAU（ActiveAntennaUnit，有源天線單元）中，完成信號收發、縮放、濾波、光電轉換等工作。如圖所示為重構后的接入網。2.基站部署的發展歷程CU：原來BBU的非實時處理功能部分將分割出來，重新定義為CU，負責處理非實時協議和服務。DU：BBU的剩余功能重新定義為DU，負責處理物理層協議和實時服務。AAU：BBU的部分物理層處理功能與原RRU及無源天線合并為AAU。4.1.3部署5G承載網與核心網5G承載網是指基站與基站之間、基站與核心網之間的連接系統，承擔著數據的傳輸功能。承載網做為網絡傳輸的基礎資源，必須先于接入網首先部署完成，這就是業界常說的“承載先行”。5G承載網的部署主要分為：前傳，即有源天線AAU到分布單元DU之間的部署；中傳，即分布單元DU到控制單元CU之間的部署；回傳，即控制單元CU到核心網之間的部署。接下來針對這三個部分來看一下具體的部署。1.部署5G承載網4.1.3部署5G承載網與核心網1．承載網前傳的部署：前傳的部署方式由AAU站點與DU站點之間的連接方式決定的。根據二者之間的不同連接方式，主要有分為三種方式：（1）光纖直連部署方式（2）無源WDM（WavelengthDivisionMultiplexing，波分復用）部署方式（3）有源WDM/OTN（波分復用/光傳送網）部署方式1.部署5G承載網4.1.3部署5G承載網與核心網（1）光纖直連部署方式。每個AAU與DU之間全部采用光纖點到點直連的組網方式。采用光纖直連的實現方式簡單，傳輸信號穩定、速度快。對信息傳輸質量要求高的區域或者光纖資源豐富的區域可以采用此方案。其方式存在的問題主要體現在，隨著5G通信基站、載頻數量的急劇增加，對光纖的使用量也隨著激增。因為光纖的鋪設成本高，因此該方案的造價成本高。如圖所示采用光纖直連的方式。1.部署5G承載網4.1.3部署5G承載網與核心網（2）無源WDM（WavelengthDivisionMultiplexing，波分復用）部署方式。WDM光復用傳輸鏈路中的光電轉換器，也稱為WDM波分光模塊。是利用不同光波承載不同業務，實現在同一根光纖中同時傳輸多種業務的技術。將WDM模塊安裝到AAU和DU上，通過無源設備完成WDM功能，利用一對或者一根光纖提供多個AAU到DU的連接。這樣可以大大節省光纖的開銷。如圖所示采用無源WDM部署方式。1.部署5G承載網4.1.3部署5G承載網與核心網為了更好的理解WDM波分復用，利用不同光波承載不同業務的技術，下面通過一個比喻來講解。如果將光纖比喻為高速公路，在WDM系統中用于傳輸不同業務的光波走不同的車道，不同的業務對應不同的貨車，微博、視頻、微信等不同傳輸業務就相當于待運輸的包裹，這些包裹直接放到不同貨車上。如果不分車道，這些貨車都想進入光纖傳輸，那么一擁而入會造成整條高速公路車流混亂無序，影響傳輸效率。有了WDM，就可以實現在同一根光纖上同時傳輸，相當于在高速公路上為不同車輛劃分車道，讓不同車輛在不同車道上同時跑起來，提高了傳輸效率。如圖所示，用高速公路比喻光纖，不同光波走不同的車道，不同的業務在不同的貨車上。采用無源WDM部署方式，雖然節約了光纖資源，但是也存在著運維困難，不易管理等問題，同時，當產生故障的時候，故障定位點較難確認。1.部署5G承載網4.1.3部署5G承載網與核心網（3）有源WDM/OTN（波分復用/光傳送網）部署方式。在AAU站點和DU機房中配置相應的WDM/OTN設備，OTN（OpticalTransportNetwork，光傳送網）。WDM技術最大優勢是很好利用光纖資源，可以提供大容量的傳輸數據能力。但是WDM還有以下明顯缺點：如果WDM車輛上的業務“包裹”在運輸過程中出錯了，沒辦法識別。即WDM系統對業務的監控管理運維能力弱。如果某業務在WDM系統指定波道傳輸后，該波道不能再給其他業務使用，會造成資源浪費。就好比，在高速公路上，每種車輛走的車道是固定，如果該車道空閑，其他類型車輛也是不可以走此車道的。隨著通信網絡的發展，數據網絡上的數據量急速激增，因此，需要繼續開發WDM的潛力，改善WDM的能力，OTN光傳送網技術由此誕生了。如果說WDM系統類似高速公路交通系統，OTN則是升級版高速公路交通系統，如圖所示。1.部署5G承載網WDM/OTN方式其升級功能主要表現在下面兩方面：4.1.3部署5G承載網與核心網增加運維規則，具體措施是增加了幀結構，提升業務的監控管理運維能力。1.部署5G承載網在WDM系統中，僅是將進入WDM系統的無波長信息的業務轉換成有波長信息業務，放到WDM系統傳輸。也就是說，WDM系統對所傳輸的業務沒監督機制，只保證業務可以傳輸到接收端。在OTN系統中，提供了一套業務放到OTN系統的規則，也就是所說的幀結構要求。進入OTN系統的業務，會先根據OTN幀結構要求打包，即加入監控管理運維的信息，然后再轉換成帶波長信息的業務放到OTN系統傳輸。4.1.3部署5G承載網與核心網增加電交叉功能，使得OTN系統可以分別處理客戶業務信號和波分信號。1.部署5G承載網WDM系統在傳輸客戶業務時，首先需要將客戶業務信號轉換成波分信號，傳統的WDM系統在處理此功能時，是直接通過同一塊單板實現，對應每種客戶業務均需要占用一個光波承載。當網絡的客戶業務類型越來越多的時候，為了這些業務可以在WDM系統傳輸，一方面需要開發承載這些業務的新單板，會增加網絡建設成本；另一方面這些業務也會占用更多光波，導致資源緊張。因此，OTN系統引入了電交叉功能，這功能好比在傳統WDM運輸系統增加了貨物調度中心。貨物調度中心將進入OTN運輸系統的不同貨物（即不同業務），打包并調度放到不同車輛（即用不同光波來承載）。4.1.3部署5G承載網與核心網總之，WDM/OTN技術在信息數據量高速膨脹的今天，充當著數據網絡的大容量運輸系統，不斷以更高可靠性、更高靈活調度能力、更高資源利用率傳送著這些信息數據“貨物”。1.部署5G承載網4.1.3部署5G承載網與核心網2．承載網中傳與回傳的部署：即部署分布單元DU與集中單元CU之間的連接以及集中單元CU到核心網之間的連接。由于中傳與回傳對于承載網在帶寬、組網靈活性、網絡切片等方面需求是基本一致的，所以可以使用統一的連接部署方案。主要有以下兩種方式：（1）分組增強型OTN+IPRAN（光傳送網+無線IP網）部署方式（2）端到端分組增強型OTN（光傳送網）部署方式1.部署5G承載網4.1.3部署5G承載網與核心網（1）分組增強型OTN+IPRAN（光傳送網+無線IP網）部署方式利用分組增強型光傳送網設備組建中傳網絡，回傳部分繼續使用現有無線IP網架構。如圖所示為分組增強型OTN+IPRAN部署方式。1.部署5G承載網4.1.3部署5G承載網與核心網（2）端到端分組增強型OTN（光傳送網）部署方式全程采用增強路由轉發功能的分組增強型OTN設備實現，即中傳與回傳網絡全部使用分組增強型OTN設備進行組網。如圖所示為端到端分組增強型OTN部署方式。1.部署5G承載網4.1.3部署5G承載網與核心網與分組增強型OTN+IPRAN方案相比，端到端分組增強型OTN方案可以避免分組增強型OTN與IPRAN的互聯互通和跨專業協調的問題，從而更好地發揮分組增強型OTN強大的組網能力和端到端的維護管理能力。1.部署5G承載網4.1.3部署5G承載網與核心網5G核心網的部署和維護主要由移動運營商來組織實施。從2G系統通信網絡到5G系統通信網絡不僅其硬件平臺變化巨大，其網絡邏輯結構也發生了徹底改變。如圖所示2G到5G網絡平臺的演變。5G核心網，采用基于服務的架構（ServiceBasedArchitecture，SBA）。其演變思路有兩個。一個是分離，具體來說，就是網元設備的功能開始細化，不再是一個設備集成多個功能，而是進行拆分，各司其事就；另外一個是軟件化，5G通過架構和功能擴充，實現了軟件定義網絡功能（SDN），也就是更多的通過軟件來實現相應功能。在將來，核心網的硬件和IT行業的硬件一樣，而軟件就演變為類似于手機上的APP，易于用戶使用。由于5G核心網的部署維護主要由移動運營商來組織實施，因此，本教材不做細節討論。2.部署5G核心網任務4.2面向行業應用的區域化5G專網解析導入5G專網是相對于5G公網而言的。公網是面向全體用戶提供普遍服務的公共通信網絡，平時打電話、上網等用的都是公網。這時候，網絡資源為所有用戶共享，用戶間權益平等。而所謂專網，是指在特定區域為特定行業或企業用戶提供的專用通信網絡。相較于公網，專網性能更強、可靠性更高，安全性更好，且可隨用戶需求進行專門的定制。面向行業應用的區域化5G專網具有網絡需求個性化、行業應用場景化等特點。所謂區域化，是指5G專網服務的部署范圍可根據區域設計，可面向封閉式的使用場景，如制造業園區、港口、礦山等；5G專網網絡需求個性化，是指對時延要求嚴苛、可靠性要求高、上行速率需求高、數據安全和隔離要求嚴格等；行業應用場景化，是指5G專網網絡將為不同的行業場景就近部署算力并提供能力開放。邏輯上，5G專網網絡架構包含接入網、承載網、核心網三個模塊。按其實現功能又可分為三個功能平面，分別為接入平面、控制平面和用戶平面。接入平面負責整個末端設備的接入，控制平面負責整個系統的控制層面的數據信令等消息的傳輸承載，用戶平面主要負責接入以及核心數據的路由尋址，流量轉發，在中間起到接續的作用。5G專網可與現有IT網絡實現兼容互通，網絡能力、網絡技術也將不斷演進升級。最后，對于多數企業重要的一點是，5G公網與專網的融合部署可縮短建設周期，進而大大降低成本。5G專網服務不僅僅是一張通信網絡，更是一種融合網絡、云計算、邊緣計算、應用平臺全面定制的綜合解決方案。5G專網按其不同用戶對網絡設備的使用方式，分為三種類型：5G虛擬專網、5G混合專網以及5G獨立專網。4.2.15G虛擬專網解析5G虛擬專網模式中，企業專網用戶和企業內公眾用戶，共享5G基站、5G承載網、5G核心網（控制面和用戶面）。如圖所示為5G虛擬專用示意圖。企業專網用戶數據流，從企業專網用戶終端，經過運營商在園區里共享基站，5G承載網，到公網用戶面（UPF），再通過專線傳回企業云。企業用戶數據一般都會出園區。園區里面普通用戶數據流，通過運營商在園區里共享基站，經過5G移動承載網傳到公網用戶面（UPF）。流程和園區外普通用戶的業務流一樣。由運營商保證基站到公網用戶面（UPF）通信性能和數據安全。4.2.25G獨立專網解析5G獨立專網模式中，為企業專網用戶和企業內公眾用戶分別建設獨立的5G網絡。企業專網用戶有獨立的無線頻段、獨立的基站和獨立的5G核心網（獨立的控制面和用戶面），所有網絡設備都在園區里，通過園區網絡互連。5G企業獨立專網可以由運營商來建設，也可以是企業自建。如圖所示為5G獨立專網示意圖。運營商同時在企業園區里部署5G公網，和園區外部署方案一致，提供普通用戶的5G業務。企業專網用戶數據流，從企業專網用戶終端，經過運營商在園區里的獨立基站，直接到園區5GMEC服務器的UPF，最后通過園區內網絡連接企業云，企業用戶數據不出園區；園區里面普通用戶數據流，通過運營商在園區里共享基站，經過5G移動承載網傳到公網UPF。其流程和園區外普通用戶的業務流一樣。其中，用戶面UPF的實現方式是在靠近MEC的位置部署，在5G核心網的控制下，使用UPF對終端要訪問的業務進行分流，即UPF需要識別出哪些業務流是訪問MEC的業務流，如果UPF檢測到MEC業務流，就把這些數據轉發到MEC上，如果不是MEC業務流則轉發到企業云上。4.2.35G混合專網解析5G混合專網模式中，企業專網用戶和企業內公眾用戶，共享5G基站和5G核心網控制面。企業專網用戶有獨立的、部署在企業園區里的5GMEC服務器（包括獨立的用戶面），5GMEC服務器在園區里面和企業云互連。如圖所示為5G混合專網示意圖。企業專網用戶數據流，從企業專網用戶終端，經過運營商在園區里的共享基站，直接到園區5GMEC服務器的UPF，最后通過園區內網絡連接企業云。企業用戶數據不出園區，但5G用戶的控制信息會出園區，被發送到運營商的5G核心網控制面；園區里面普通用戶數據流，通過運營商在園區里共享基站，經5G移動承載網傳到公網UPF。其流程和園區外普通用戶的業務流一樣。采用運營商5G網絡來建設專網，具有成本低、建設速度快、專業建設和維護的優點。當前，在工業互聯網領域，大多數企業采用的是5G混合專網模式。總結對比5G虛擬專網5G混合專網5G獨立專網網絡共享共享基站、5G移動承載網、5G核心網共享基站、5G核心網的控制面系統無共享數據是否出園區出園區不出園區不出園區MEC位置比較高，在運營商機房下移到園區下移到園區低延遲中高高數據傳輸安全比較高（可以用切片）很高最高靈活自服務低中高成本低中高客戶對象對網絡性能和邊緣計算要求不高，對成本比較敏感的中小企業對網絡性能尤其是時延要求高，同時對本企業數據管控有較高要求的客戶，如工業視覺檢測、工業數據采集、云化PLC、設備遠程控制、移動診療車、AGV調度與導航、機器人巡檢等對安全、性能、自管理要求苛刻的行業客戶，如礦山（礦山井下采礦、礦車無人駕駛）、港口（吊車遠控、自動集卡）大型工廠、電網等任務4.35G邊緣計算在OT網絡的部署導入德國的“工業4.0”、美國的“工業互聯網”和我國的“中國制造2025”都致力于實現信息技術（IT）與運營技術（OT）的共同發展。邊緣計算能夠提高數據處理效率，實現數據篩選，從而滿足工業企業的實時性、海量連接等方面的需求。作為新一代數字技術，5G為企業數字化轉型提供了新的手段，也為運營商進入行業數字化市場帶來新的機遇。企業數字化轉型需求從IT向OT發展。運營商提供的產品和服務也不僅局限于企業寬帶、專線等連接服務，不僅僅是互聯網數據中心（InternetDataCenter，IDC）、服務器等IT資源，也包括移動辦公、視頻服務等通用業務和深入企業OT的信息化解決方案。5G與邊緣計算的結合在企業網，特別是OT網絡中的應用，給工業互聯網帶來了新的通信應用能力和應用模式。導入運營技術OT是使用硬件和軟件來控制工業設備的實踐方法。是通過軟、硬件結合的方式來進行實時操作，通過直接控制工業設備和企業的一些事件來檢測整個過程中是否發生了任何變化，提高了工業設備的可用性和可靠性。OT系統通過持續監控網絡中的軟、硬件來確保工業運營的安全，還有助于支持基礎設施，如制造、國防公用事業等。OT網絡在工業層面工作，面向企業網絡的軟、硬件，以處理任何組織的運營數據。如圖所示為工業企業OT網絡架構，OT網絡中的設備和應用一般分為5層，即設備層、邊緣控制器層、邊緣網關層、邊緣云層和工業互聯網云平臺層。傳統的工業互聯網OT網絡是有線網絡。設備和邊緣控制器之間一般采用簡單的、實時的現場總線構建網絡。邊緣控制器和邊緣網關之間一般采用工業以太網構建車間級網絡。5G邊緣計算在OT網絡中的部署一般采用5G混合專網模式，為工業互聯網應用提供了移動和低延遲通信能力。5G邊緣計算在OT網絡中，主要有“低延遲無線通信”和“無線通信+邊緣計算”兩種部署方式。4.3.1“低延遲無線通信”模式部署“低延遲無線通信”模式提供低延遲無線通信連接，為設備層、邊緣控制層和邊緣網關層間提供5G通信連接，對應原來有線通信時，用現場總線和工業以太網通信連接設備層、邊緣控制層和邊緣網關層。大部分情況只需要用戶面（UPF）來提供5G通信連接，不需要提供邊緣計算應用。由于設備層、邊緣控制層和邊緣網關層設備間都采用L2二層網絡接口，當工業設備商和企業不希望重新改造相關設備的網絡通信接口和協議，因此5GLAN（LocalAreaNetwork，局域網）和5GTSN（Time-SensitiveNetwork，時間敏感網絡）被用來提供二層通信連接，組建一個端到端的L2業務網絡。4.3.1“低延遲無線通信”模式部署如圖所示為傳統二層OT有線網絡和5G“低延遲無線通信”組網模式的對比示意圖，在傳統的OT有線網絡中，設備通過L2有線網絡（現場總線和工業以太網）連接到控制器。5G“低延遲無線通信”模式組網是由5G基站、CSG（CellSiteGateway，基站側網關）、5GMEC系統（一般不需要提供邊緣計算應用）組成，通過防火墻和企業OT網絡連接；5GMEC中的UPF和無線基站一起提供5G通信連接；設備可以通過5G模組或5GCPE（CustomerPremiseEquipment，客戶終端設備）來上5G網絡。4.3.1“低延遲無線通信”模式部署5G網絡從基站到UPF之間，通過GTP（GPRSTunnelingProtocol，GPRS隧道協議）封裝來傳輸L2數據幀（如以太網幀），這個傳輸過程要經過運營商的IPRAN網絡和MEC網關路由器。L2幀在UPF被從GTP解封裝出，再通過數通網絡的L2VPN（二層虛擬專用網）傳輸到控制器，中間要穿越MEC防火墻和企業防火墻，以及MEC網關路由器和企業園區網。5G“低延遲無線通信”模式網絡的低延遲和高可靠性通信的能力，是其取代傳統OT有線網絡的必要前提。在5G的三大應用場景中，eMBB：增強移動寬帶，是針對大流量移動寬帶業務；mMTC：大連接物聯網，針對大規模物聯網業務；URLLC：超高可靠超低時延通信，例如無人駕駛等業務就是面向這個網絡模式和應用。4.3.2“無線通信+邊緣計算”模式部署“無線通信+邊緣計算”模式為設備側、邊緣控制器層和邊緣網關層提供到邊緣云的通信連接，相較與“低延遲無線通信”模式，提供了到邊緣云的連接。一般是提供三層（IP層）通信連接，相較于提供二層（L2層）通信連接的“低延遲無線通信”模式部署，延遲要求一般會略低。MEP（MessageExchangePattern，消息交換模式）平臺及應用可以部署在5GMEC中，提供前端實時智能應用，并且能調用5G的開放通信能力，來編寫有5G特色的智能應用。4.3.2“無線通信+邊緣計算”模式部署如圖所示為傳統三層OT有線網絡和5G“無線通信+邊緣計算”組網模式的對比示意圖，在傳統的三層OT有線網絡中，設備通過工廠有線網絡，把現場網、車間網、廠間網，連接到邊緣云，一些遠程控制應用也可以實現跨廠區的作業。5G“無線通信+邊緣計算”模式組網是由5G基站，CSG（CellSiteGateway，基站側網關），5GMEC系統（能提供邊緣計算應用）組成，通過防火墻和企業OT網絡連接；5GMEC中的UPF和無線基站一起提供5G通信連接，MEP支持邊緣計算應用；設備可以通過5G模組或5GCPE來上5G網絡。4.3.2“無線通信+邊緣計算”模式部署5G“無線通信+邊緣計算”模式，不僅提供5G實時連接，而且提供實時邊緣計算應用，比如工業視覺檢測。5GMEC中的邊緣計算，可以看作園區邊緣云應用的下移。5G通信能力開放包括無線網絡位置服務（提供基于無線基站定位的用戶位置信息），和無線網絡帶寬及服務器質量（QualityofService，QoS）管理等。用戶應用如需要對無線網絡上下行帶寬進行差異化控制，由MEP和無線網絡聯動實現。實時工業應用直接部署在5GMEC的MEP平臺中，完成實時邊緣計算，直接把計算結果反饋給相關設備。比如，工業攝像機把產品檢測信息發到5GMEC，部署在MEP中的工業視覺應用進行邊緣計算，挑出不合格的產品，并將計算結果反饋給生產線上的控制設備，把不合格的產品挑出來。這樣，生產信息傳輸路徑短而且可以被實時處理，不需要傳輸回園區的邊緣云；同時實時工業應用還可以利用MEP平臺提供的5G開放通信能力來優化應用。5GMEC和園區邊緣云間，需要保持通信連接，5GMEC需要將相關信息反饋給園區邊緣云；有些邊緣計算應用，需要后端云計算的支持。任務4.45G邊緣計算網絡架構與規劃導入本任務以邊緣計算網絡基礎設施產業推進工作組（EdgeComputingNetworkingInfrastructure，ECNI）的邊緣計算網絡架構模型為基礎，邊緣計算系統為中心，通過對ECA（EdgeComputingAccess，邊緣計算接入網絡）、ECN（EdgeComputingNetwork，邊緣計算內部網絡）、ECI（EdgeComputingInterconnect，邊緣計算互聯網絡）的學習，來建立邊緣計算網絡模型。工業互聯網5G邊緣計算網絡需要重點關注5GECA對OT網的協議和低延遲支持、ECN集成通信安全、ECI靈活和低延遲網絡技術指標，完成以園區網絡（OT網絡）為核心，結合運營商5G網絡和承載網絡組成的工業互聯網邊緣計算網絡的選擇和規劃。4.4.1ECNI邊緣計算網絡架構為了推動邊緣計算網絡以及邊緣計算產業發展，邊緣計算產業聯盟ECC在2019年和網絡5.0聯合成立了邊緣計算網絡基礎設施聯合工作組（ECNI），是業界第一個聚焦邊緣計算網絡的產業組織。2019年11月，ECNI發布了“運營商邊緣計算網絡技術白皮書”，是業界首個有關運營商邊緣計算網絡的白皮書。此白皮書提出了一個新的邊緣計算網絡抽象模型。如圖所示為邊緣計算網絡基礎設施。將邊緣計算網絡分為三個邏輯網段來描述：ECAECNECI4.4.1ECNI邊緣計算網絡架構ECA（EdgeComputingAccess，邊緣計算接入網絡）從用戶系統到MEC所經過的網絡基礎設施ECN（EdgeComputingNetwork，邊緣計算內部網絡）MEC內部網絡基礎設施ECI（EdgeComputingInterconnect，邊緣計算互聯網絡）從MEC到云計算系統（如公有云、私有云、通信云、用戶自建云等）、其它MEC、各類數據中心所經過的網絡基礎設施。MEC（內部網絡基礎設施）在物理網絡中的部署位置不同，ECA和ECI在物理網絡中的映射也不一樣；ECI可能跨多個網絡域。因此，ECA/ECN/ECI網絡模式能更好地描述復雜的MEC網絡和多樣性物理網絡間的關系，此模塊會用這套網絡模式來描述工業互聯網邊緣計算的網絡架構。4.4.2工業互聯網邊緣計算網絡架構參照ECNI邊緣計算網絡模型，以邊緣計算系統為中心，將工業互聯網相關網絡劃分為ECA、ECN和ECI三部分用于連接邊緣計算系統運行過程中主要涉及的三個實體：前端設備、邊緣設備和云中心。工業互聯網邊緣計算架構是指這三個實體是通過怎樣的軟硬件方式有效組織起來協同運轉的，包括硬件架構和軟件架構。這里主要討論其硬件架構，研究其網絡組織形式。工業互聯網邊緣計算網絡架構如圖所示。4.4.2工業互聯網邊緣計算網絡架構1．工業互聯網邊緣計算接入網（ECA）工業互聯網中的端側設備可以通過有線和無線方式，接入邊緣計算系統。如果采用運營商5G接入，ECA包括運營商的移動承載網IPRAN。2．工業互聯網邊緣計算內部網絡（ECN）5GMEC是一個小型邊緣云，通過一對ECN網關路由器和外網互連，內部連接UPF一體機和邊緣計算服務器。3．工業互聯網邊緣計算互聯網（ECI）ECI網絡分為兩個部分，運營商網絡互連部分和企業網互連部分。ECI的運營商網絡部分，提供以下通信連接服務：5GMEC的UPF和5G核心網控制面及相關5G業務運維系統互通；運營商可以從自己的云計算平臺推送應用到MEC的MEP上；第三方為MEC提供應用業務。ECI的企業網部分，提供以下通信連接服務：MEC通過OT網絡和工廠的邊緣云互通；MEC通過園區網和工業互聯網云平臺互通；遠程控制等應用可以跨園區和MEC互通。4.4.3工業互聯網5G邊緣計算網絡規劃（1）5GECA對OT網的協議和低延遲支持在5G網絡應用到OT網絡中，需要5G網絡支持TSN等L2工業互聯網協議，滿足設備間通信協議的匹配需求。同時，要簡化端到端網絡來降低網絡延遲來滿足工業互聯網的通信性能要求。1.工業互聯網網絡架構模型規劃要點4.4.3工業互聯網5G邊緣計算網絡規劃（2）5GECA最短路徑規劃5G混合專網模式是當前被工業互聯網應用最多的通信模式，從基站到MEC的UPF，應該采用最短路徑連接，在園區里應該通過在園區里的路由器直接連接到MEC，而不應該在運營商的網絡中繞行。業務流無繞行的需求，一方面是為了低延遲和節約網絡帶寬，另一方面是為了保證企業關鍵業務數據不出園區，如圖所示通過工作在OSI不同層次接入設備連接基站與MEC的UPF。這要求MEC接入點路由器能就近轉發數據報文，因此邊緣接入網設備具有路由能力，在5G傳送網中接入層、匯聚層、核心層均采用SR隧道和L3VPN，端到端部署IGP協議（L3到邊緣），是支持業務流無繞行傳輸的一個基本要求。1.工業互聯網網絡架構模型規劃要點4.4.3工業互聯網5G邊緣計算網絡規劃（3）ECN集成通信安全小微型MEC是當前5GMEC的主流模式，因為成本和通信需求，ECN一般采用一層集成網絡模型，如圖所示ECN參考模型。這就要求ECN的路由器提供MEC中各物理設備間以及VM間的L2和L3可靠連接，完成MEC和外部IP網絡（IPRAN）的路由互通和可靠通信，以及邊云協調通信。一個UPF可以運行多個VM來提高性能和可靠性，ECN要提供多路ECMP（Equal-CostMultipathRouting，等價路由）負載均衡。1.工業互聯網網絡架構模型規劃要點4.4.3工業互聯網5G邊緣計算網絡規劃5G邊緣計算系統對運營商和企業來講都不是安全域，這就帶來了新的網絡安全隱患，如圖所示運營商邊緣計算系統和企業網安全示意圖。運營商角度，5G邊緣計算里面有非運營商的應用和網絡連接，如邊緣計算系統直接和企業網互通，不是電信安全域；同時邊緣計算改變了原來移動承載網IPRAN的業務承載封閉性。企業角度，業務數據和業務應用經過外網和外部IT系統，即經過了企業非安全區，并且企業網增加了和運營商網絡的互聯點，如5GMEC經常是接在企業網內部，而不是企業網出口處。現在邊緣計算項目中都采用以防火墻為主的網絡安全方案，運營商和企業分別部署防火墻在兩網互通的通道上，來保證網絡安全。1.工業互聯網網絡架構模型規劃要點4.4.3工業互聯網5G邊緣計算網絡規劃（4）ECI靈活和低延遲網絡ECI網絡是一個復雜的邏輯網絡，從圖4-28所示工業互聯網邊緣計算網絡架構分析。一方面是通過運營商WAN網絡連接5G核心網，運營商云應用和第三方云應用。ECI映射到運營商的物理網絡上，可能會跨越城域網和骨干網等多個網段。為了支持應用在邊緣計算里面的動態部署，網絡需要能盡快地提供ECI網絡連接，比如按需實時建立到某個第三方云的VPN通道；為了自動化部署和管理，提供網絡SDN管控和API接口等。1.工業互聯網網絡架構模型規劃要點4.4.3工業互聯網5G邊緣計算網絡規劃（1）支持業務通過固網或移動網的多接入需求工業互聯網場景中，需要接入多種終端設備進行數據的采集、控制等，由于業務的固定或移動特定，決定了設備接入網絡的方式必然是多樣的，需要網絡支持業務通過固網或移動網的多接入需求。（2）支持工業互聯網的可靠連接性需求網絡能夠在邊緣計算節點業務發生故障時，不再往異常邊緣計算節點做業務分發，能夠快速切換至其他節點，降低故障影響面。（3）支持云邊協同/跨域邊云協同在智能巡檢、AGV應用、園區設施管理以及C2C控制等場景中都對邊緣節點以及云中心的協同有要求，如通過云平臺接收來自邊緣計算節點聚合的數據信息進行模型訓練，并將更新模型推送到邊緣端，完成數據的分析和處理等，需要網絡支持云邊協同/跨域邊云協同。2.工業互聯網場景對5G邊緣計算的網絡需求4.4.3工業互聯網5G邊緣計算網絡規劃（4）滿足運營商網絡和園區網融合的互聯互通互操作、以及安全互信需求園區網和運營商網絡融合是工業互聯網中常見的場景之一。園區網為行業客戶在園區范圍內提供網絡連接，運營商網絡為行業客戶提供互聯網接入和分流管道。同時，運營商網絡或園區網可部署邊緣計算節點，為用戶提供數據服務等業務。（5）滿足工業互聯網確定性時延/低時延、高帶寬、高并發網絡需求在時延方面，工業自動化控制通常分為運動控制和過程控制，運動控制通常要求時延在1ms級別，過程控制要求時延在10ms~100ms級別；同時，確定性時延不僅要求低時延，還要求時延的抖動控制在一定范圍內，通常為納秒級；帶寬方面，對于傳統結構化數據的采集，要求在100kbps，對于非結構化數據的采集，例如視頻等，要求在100mpbs以上；同時需要支持大量終端設備的高并發。因此，需要網絡滿足工業互聯網的確定性時延/低時延、高帶寬、高并發網絡需求。（6）支持現場異構接入網絡工業互聯網需要面對多種多樣的設備，5G邊緣計算的網絡需要向下支持多種類的設備接入。2.工業互聯網場景對5G邊緣計算的網絡需求任務4.55G邊緣計算端側傳輸部署導入工業互聯網5G邊緣計算端側傳輸設備包括交換機、5G工業智能網關、5G邊緣計算網關等，目前企業中最常用的是5G工業智能網關。通過5G工業智能網關，可以采集工業現場的電表、水表、氣表、PLC、網絡攝像頭、工業相機、AR/VR等設備的業務數據，通過5G網絡傳輸到企業內的MEC邊緣計算平臺，使數據在邊緣計算平臺上進行算法分析，將結果通過5G網絡回傳到5G工業智能網關，對工業現場設備進行實時控制和預警等功能。宏電5G工業智能網關是目前工業中比較常用的5G工業智能網關，通過部署宏電5G工業智能網關，學習5G邊緣計算端側傳輸部署配置流程。4.5.1認識5G工業智能網關規格名稱規格說明備注產品名稱工業智能物聯網關網絡制式5G根據用戶需求選用不同模塊，可支持不同網絡制式前面板接口1個7PIN端子接口、2個千兆網口、1個RESET按鍵、1個接地螺柱后面板接口1個TF卡接口、2個SIM卡接口5個天線接口（SMA-K母頭）供電電源工作電壓+9V～24VDC工作功耗平均功耗約600mA@12VDC其他尺寸（不含電源線接口及支架）127.0×83.0×24.0(長×寬×高：mm)工作環境溫度-30～+70oC儲存溫度-40～+85oC相對濕度＜95%（無凝結）4.5.1認識5G工業智能網關4.5.1認識5G工業智能網關序號說明序號說明1WiFi天線接口5指示燈22個固定式SIM卡槽62個千兆網口3TF卡接口7RESET按鍵45G天線接口（4根）81個7pin端子4.5.1認識5G工業智能網關4.5.1認識5G工業智能網關引腳數PIN1PIN2PIN3PIN4PIN5PIN6PIN71xRS232、1xRS485ABGNDTXRXVin-Vin+2xRS485ABGNDA2B2Vin-Vin+2xRS232TXRXGNDTX2RX2Vin-Vin+4.5.25G工業智能網關與5G專網的傳輸配置1．給網關安裝天線，宏電工業智能網關支持雙SIM卡，在正常安裝使用過程中需要分別為兩個SIM卡槽安裝SIM卡，安裝時，SIM卡芯片朝向下方插入SIM卡槽中靠上方的卡槽即可。（注意：在SIM卡安裝時需保持網關處于斷電裝填）2．使用RJ-45類型接頭的以太網線將配置電腦與宏電工業智能網關的LAN口中的任何一個直接連接，如圖所示。3．設備上電，宏電工業智能網關產品使用+9V～+24V直流供電。安裝并準備上電前，查看一下SIM卡，檢查卡有沒有插緊。插上電后檢查網關工作狀態指示燈，在插上電的一瞬間所有燈都會亮起，接下來，SYS燈會亮，過一段時間，連接PC的LAN燈會亮起，表示系統已經啟動并和PC建立了連接。4.5.25G工業智能網關與5G專網的傳輸配置4．配置電腦的以太網IP地址，單擊“開始>控制面板>網絡和Internet>網絡共享中心”，如圖所示。4.5.25G工業智能網關與5G專網的傳輸配置5．單擊“本地連接”，打開“本地連接狀態”窗口，如圖所示。4.5.25G工業智能網關與5G專網的傳輸配置6．在“本地連接狀態”窗口中單擊“屬性”，打開“本地連接屬性”窗口，如圖所示。4.5.25G工業智能網關與5G專網的傳輸配置7．在“本地連接屬性”窗口中雙擊“Internet協議（TCP/IPV4）”，打開Internet協議（TCP/IP）屬性窗口。在“常規”選項卡中修改常規網絡配置。如圖所示。由于宏電工業智能網關出廠默認參數中，IP地址：，子網掩碼：，因此“Internet協議（TCP/IP）屬性”窗口中，“默認網關”和“子網掩碼”配置為宏電工業智能網關出廠默認值，IP地址可以配置為~54均可。4.5.25G工業智能網關與5G專網的傳輸配置8．完成網線連接，并配置電腦IP完成以后，打開電腦瀏覽器，在地址欄輸入，如圖所示。按下回車鍵，瀏覽器會跳轉到宏電網關的登錄界面，圖所示。4.5.25G工業智能網關與5G專網的傳輸配置9．如圖所示，在登錄界面輸入網關的初始登錄帳號密碼，默認初始帳號：admin，默認初始密碼：admin。4.5.25G工業智能網關與5G專網的傳輸配置10．單擊登錄按鈕，登錄到宏電工業智能網關的首頁以后，可以看到右側功能欄有運行狀態、網絡設置、應用設置、運維管理、平臺管理、系統管理六大功能，如圖所示。4.5.25G工業智能網關與5G專網的傳輸配置11．單擊右側功能列表中網絡設置>移動網絡功能，如果移動網絡顯示未啟用，則單擊啟用按鈕如圖所示。4.5.25G工業智能網關與5G專網的傳輸配置12．單擊啟用按鈕右側的編輯按鈕，進入APN配置界面，如圖所示。4.5.25G工業智能網關與5G專網的傳輸配置13．協議類型選擇IPV4；網絡接入點出根據運營商提供的接入點名稱，輸入網絡接入點，此處為5G網絡運營商根據該區域所使用的5G專網提供；網絡類型選擇為5G,網絡頻段選擇auto，鑒權類型選擇chap+chap；然后單擊右上角保存按鈕，保存當前網絡配置，如圖所示。4.5.25G工業智能網關與5G專網的傳輸配置14．單擊右側功能列表的運行狀態，看以看到路由器與互聯網之間存在數據通信，說明該網關與5G網絡的傳輸已經配置完成，可以正常連上5G專網。如圖檢查5G網絡連接狀態。任務4.65G混合專網部署導入5G混合專網的組網特點更適用于各種局域開放園區，包括工業制造，交通物流、港口碼頭、高端景區、城市安防等，是當前企業主要的組網方式。通過5G混合專網的部署流程搭建網絡拓撲，通過5G工業智能網關與終端之間的傳輸配置實例了解5G混合專網的部署。4.6.15G混合專網部署流程1．5G邊緣計算終端設備，包括PLC，工業機器人，AGV，工業相機，攝像頭，水、電、氣表等通過TCP，UDP，RS232，RS485等通訊接口協議，將采集的工業數據傳輸到5G通信模組，包括邊緣物聯網關、5GCPE及其他5G模組。2．