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1、5G 时代工业互联网边缘计算网络白皮书PREFACE前言工业互联网是新一代网络信息技术与制造业深度融合的产物，是实现产业数字化、网络化、智能化发展的重要基础设施，通过人、机、物的全面互联，全要素、全产业链、全价值链的全面连接，推动形成全新的生产制造和服务体系，是经济转型升级的关键依托、重要途径、全新生态。5G+边缘计算是支持工业互联网的关键技术，“5G+边缘计算”应用场景贯穿工业制造的全过程，覆盖 AGV、生产过程控制、机器协作等各个环节。“5G+边缘计算”融合应用将显著降低企业运营成本，提高生产效率，优化制造资源配置，提升产品高端化、装备高端化和生产智能化水平，推动制造业实现质量效益提高、产
2、业结构优化、发展方式转变、增长动力转换，为工业互联网提供有力保障。5G 时代工业互联网边缘计算网络白皮书详细介绍了工业互联网发展面临的挑战及边缘计算的优势，分析了工业互联网场景对 5G+边缘计算的需求，并给出工业互联网的 5G+边缘计算网络架构及解决方案实践案例。为行业客户、设备商、集成商和运营商在部署和应用时提供参考。本白皮书由中国科学院沈阳自动化研究所、中国信息通信研究院、中国移动通信集团有限公司、中国联合网络通信集团有限公司、中国电信集团有限公司、华为技术有限公司、重庆大学、北京易华录信息技术股份有限公司、贝加莱工业自动化（中国）有限公司、三菱电机自动化（中国）有限公司、徐州重型机械有限
3、公司、联通（江苏）产业互联网有限公司、中讯邮电咨询设计院、青岛海尔工业智能研究院有限公司、大连金勺科技有限公司等单位共同完成。主要编写人包括：中国科学院沈阳自动化研究所曾鹏、李栋、俞雪婷、刘金娣中国联合网络通信集团有限公司曹畅、贾雪琴、何涛、肖羽、王跃重庆大学蔡岳平贝加莱工业自动化（中国）有限公司宋华振联通（江苏）产业互联网有限公司于谦中国移动通信集团有限公司刘鹏、王帅华为技术有限公司宋军，黄还青，孙建平，翁志强，高偲大连金勺科技有限公司曹欣徐州重型机械有限公司李忠福，张翔，杜兆龙青岛海尔工业智能研究院有限公司黄玉宝、胡明臣中国信息通信研究院张恒升、王哲中国电信集团有限公司雷波、解云鹏、赵倩颖
4、、吕航北京易华录信息技术股份有限公司王凌、钟将三菱电机自动化（中国）有限公司高山青，朱超中讯邮电咨询设计院王帅边缘计算产业联盟（ECC）CONTENTS目录1.1 工业互联网发展现状及挑战011.2工业边缘计算发展现状及优势031.3工业互联网边缘计算网络内涵及利益共同体04工业互联网发展面临的挑战及边缘计算的优势01012.1工业互联网的典型 5G+边缘计算场景052.25G+边缘计算给工业互联网带来的价值082.3工业互联网场景对 5G+边缘计算的网络需求09工业互联网场景对5G+边缘计算的网络需求分析02053.1 工业互联网边缘计算网络架构103.25G 行业专网113.35G 边缘计
5、算在 OT 网络的应用模式143.4工业互联网的 5G 边缘计算网络架构及网络规划17工业互联网的5G 边缘计算网络架构03104.1大型装备制造行业解决方案实践224.23C 行业解决方案实践264.3智慧工厂解决方案实践29工业互联网边缘计算网络解决方案实践04225.1工业互联网边缘计算网络未来展望315.2工业互联网边缘计算网络发展建议32工业互联网边缘计算网络发展趋势及建议0531边缘计算产业联盟（ECC）5G 时代工业互联网边缘计算网络1工业互联网发展面临的挑战及边缘计算的优势工业互联网是互联网和新一代信息技术与工业系统全方位深度融合所形成的产业和应用生态，是工业智能化发展的关键综
6、合信息基础设施，其本质是以机器、原材料、控制系统、信息系统、产品以及人之间的网络互联为基础，通过对工业数据的全面深度感知、实时传输交换、快速计算处理和高级建模分析，实现智能控制、运营优化和生产组织方式变革。全球主要国家在工业互联网方面进行战略布局，由前期市场自发探索走向了政府市场的双轮驱动。国际方面，为了使工业重新焕发强大的竞争力，如美国、德国、日本等工业强国纷纷布局工业互联网，通过新一代信息技术促进生产关系和生产关系革新，抢占产业竞争制高点。政府加强工业互联网顶层设计，纷纷发布国家发展战略，政府通过投资项目、科研补贴、税收优惠等方式，支持科技基金、创新中心、研究机构等引领工业互联网发展，推动
7、工业互联网从概念探讨迈入产业实践。国内方面，工业互联网已经得到了国家的高度认可与重视，“十三五”规划、中国制造 2025、“互联网+”、“深化制造业与互联网融合发展”等等重大战略都明确提出发展工业互联网。2018 年及 2019 年,我国又密集出台了工业互联网发展行动计划(20182020 年)工业互联网网络建设及推广指南等一批政策文件,大力支持工业互联网的发展。2019 年底，工信部印发 “5G+工业互联网”512工程推进方案提出要推进 5 大类 12 项 5G+工业互联网重大工程建设，以加速推进 5G 技术与工业互联网的融合应用落地，以加强 5G、工业互联网、人工智能等新型基础设施建设。国
8、际相关产业组织由各自推进走向了对接联合，企业间跨界融合平台化、生态化创新的发展模式。工业互联网发展面临的挑战及边缘计算的优势01工业互联网发展现状及挑战1.1边缘计算产业联盟（ECC）5G 时代工业互联网边缘计算网络2工业互联网发展面临的挑战及边缘计算的优势行业组织围绕工业互联网通力合作。产业联盟汇聚成员单位的优势资源，推进产学研用协同创新，使成员之间的成果转化和对接更加高效。德国工业 4.0 平台由德国机械设备制造业联合会、德国电气和电子制造商协会等发起，协会负责技术和理念推广，研究机构负责技术开发、标准制定和人才培养，大众、西门子等大型制造企业提供技术与解决方案，中小企业则以联合方式参与创
9、新研发并分享创新成果。美国工业互联网联盟由 AT&T、思科、GE、IBM和英特尔 5 家企业联合发起，目前有 210 家成员单位，支持了边缘网关、工业互联网平台等 26 个测试床。我国在2016 年 2 月成立了工业互联网产业联盟，2020 年联盟成员数量超过 1600 家，先后从工业互联网顶层设计、技术研发、标准研制、测试床、产业实践、国际合作等多方面开展工作，发布了工业互联网白皮书、工业互联网平台、测试床、优秀应用案例等系列成果。企业积极投入研发与应用。企业是工业互联网发展的主力军，制造企业、自动化企业、IT 企业都积极参与工业互联网建设与推广。老牌工业企业 GE 和西门子在巨大的数字化转
10、型压力下，率先推动工业互联网发展，施耐德、ABB等紧随其后。微软、美国参数技术公司（PTC）等 IT 企业凭借在软件服务、平台建设等方面的优势也占据一席之地。同时，工业互联网领域也涌现出 Ayla、Flutura、Maana、QiO 等一批初创企业，他们借助在物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术上的优势，通过投资并购、战略合作、成立联盟等方式增强竞争优势，推动工业互联网创新发展。国内也涌现一批工业互联网企业，包括新型工业互联网科技企业如树根互联，传统的电信运行商、设备商，如移动、联通、电信和华为、中兴等企业也纷纷投入主要力量，提出各自的工业互联网解决方案。国内工业企业在国际政策的推动下也在
11、积极开展工业互联网的改造升级，进行工业互联网技术的应用落地。通过几年来的理论和实践探索，工业互联网网络已从概念形成普及进入到应用实践推广的新阶段，业界对工业互联网的发展方向已有高度的共识。在这一过程中，国内外均形成了大量的探索实践，工业互联网改造已经涵盖了工业的多个行业、大中小各类企业乃至实体经济的各个领域，为进一步创造新的生产力和发展动能奠定了基础。虽然工业互联网网络发展迅猛，但是仍然面临诸多挑战。工业设备基础比较薄弱。当前数据采集因为传感器实际数量设置偏少，各个装备的智能化水平较低，现场设备联网率偏低，故而因此产生了在现场数据的采集数量、类型、精度等各方面的低标准结果。IT 网络与 OT
12、网络跨网互联困难，工业传统网络历史遗留下的分层隔离、多总线协议共存的局面导致工业互联网的网络化改造阻力较大，各自独立的系统导致数据孤岛，难以形成信息的有效流动和互通，因此难以对实时分析、智能优化和科学决策提供充足的条件。由于产业链条的变长，需要产品全生命周期的数据的集成，涉及多链条多角色的协作和整合，因此工业互联网对数据的理解、流动和全生命周期的管理提出更高要求。边缘计算产业联盟（ECC）5G 时代工业互联网边缘计算网络3工业互联网发展面临的挑战及边缘计算的优势边缘计算技术是计算技术发展的焦点，通过在靠近工业现场的网络边缘侧运行处理、分析等操作，就近提供边缘计算服务，能够更好满足制造业敏捷连接
13、、实时优化、安全可靠等方面的关键需求，改变传统制造控制系统和数据分析系统的部署运行方式。目前，国内外产业界对边缘计算架构及模型已经能开展多方面的探索，2014 年，欧洲ETSI 成立移动边缘计算标准化工作组（MEC），将密集型移动计算任务迁移到附近的网络边缘服务器中，提出移动边缘计算模型；2015 年，开放雾计算联盟（OFC）开展OpenFog 架构及安全性、可扩展性、开放性等 8 个支柱模型研究；国内边缘计算产业联盟及工业互联网产业联盟联合发布边缘计算参考架构 3.0白皮书和 20 多个边缘计算测试床。在标准制定方面，2020 年，中国联通等单位在ITU-T SG20推动的“边缘计算需求和能
14、力要求”（ITU-T Y.4208）的国际标准正式发布、“边缘计算网关”等国际标准正在稳步推进；CCSA 在边缘云、云边协同、边缘网关、边缘计算在工业互联网、车联网等领域的应用也有相当数量的标准报批。2016 年 10 月，由 IEEE 和 ACM 正式成立了 IEEE/ACM Symposium on Edge Computing，组成了由学术界、产业界、政府（美国国家基金会）共同认可的学术论坛，对边缘计算的应用价值，研究方向开展了研究与讨论。2017 年中国科学院沈阳自动化研究所牵头成立了中国自动化学会边缘计算专业委员会。2018 年是边缘计算蓬勃发展的一年，在微软 2018 年度开发者大
15、会上，微软公司发布“Azure IoT Edge”等边缘侧产品，将业务重心从哪 Windows 操作系统转移到智能边缘计算方面。几乎在同一时间，亚马逊公司发布“AWS Greengrass”边缘侧软件，将 AWS 云服务无缝扩展至设备。阿里云宣布 2018 年将战略投入边缘计算技术领域并推出边缘计算产品 Link Edge。边缘计算的优势体现在三个方面：工业边缘计算发展现状及优势1.2提供 IT 与 OT 跨网互通的能力，边缘侧网关向现场设备提供多种接口、协议，可以解决现场设备信息联网和工业设备多协议之间与 IT 网络设备互通的问题，强化平台数据输入的能力，实现传感器控制系统、管理软件等不同来
16、源的海量数据的集成与汇聚。边缘计算与云计算协同的能力，通过边缘侧在设备端就能够对业务数据进行实时处理，数据不必上传到云端，大大节省数据传输的时延和网络的带宽消耗，提高实时业务的确定性保障和数据的安全性。边缘计算在网络边缘侧的智能分布式架构与平台上，通过知识模型驱动智能化能力，建立统一的服务框架，面向系统运维人员、决策者、开发者等多角色多链条人员，实现协作。边缘计算产业联盟（ECC）5G 时代工业互联网边缘计算网络4工业互联网发展面临的挑战及边缘计算的优势工业互联网边缘计算网络是工业互联网与边缘计算结合的新型网络。采用工业互联网网络基础架构，在此基础上加入边缘计算网关、边缘计算控制器和边缘云，通
17、过边缘计算技术，降低工业现场的复杂性，提高工业数据计算的实时性和可靠性，形成更为先进和优化的工业互联网网络解决方案。通过边缘计算技术，可以对工业互联网形成有力的技术支持，解决工业互联网发展中遇到的问题。工业互联网体系架构 2.0中指出“边缘计算技术的赋能作用主要体现在两个方面：一是降低工业现场的复杂性。目前在工业现场存在超过 40 种工业总线技术，工业设备之间的连接需要边缘计算提供“现场级”的计算能力，实现各种制式的网络通信协议相互转换、互联互通，同时又能够应对异构网络部署与配置、网络管理与维护等方面的艰巨挑战。二是提高工业数据计算的实时性和可靠性。在工业控制的部分场景，计算处理的时延要求在
18、10ms 以内。如果数据分析和控制逻辑全部在云端实现，难以满足业务的实时性要求。同时，在工业生产中要求计算能力具备不受网络传输带宽和负载影响的“本地存活”能力，避免断网、时延过大等意外因素对实时性生产造成影响。边缘计算在服务实时性和可靠性方面能够满足工业互联网的发展要求。”同时，工业互联网也为边缘计算提供了基础的数据、网络支撑和业务承载平台。通过边缘计算和工业互联网两种技术的结合，能够形成更为先进和优化的解决方案，助理工业企业转型升级。工业互联网边缘计算网络产业将是由通信运营商、通信设备商、工业设备商、系统集成商、工业用户等多个利益共同体组成的生态系统。其中通信设备商为工业互联网边缘计算网络提
19、供基本的网络传输设备、边缘计算设备及其配套的解决方案；工业设备商提供工业设备并接入工业互联网边缘计算网络，作为系统数据的基础来源；通信运营商在通信设备商和工业设备商搭建网络和设备设施基础上，提供网络服务和管控云平台，并负责网络和系统的运行维护；系统集成商在通信运营商搭建的服务和平台基础上开发上层应用，将整个工业互联网边缘计算网络系统设备数据进行集成与应用，面向用户需求提供服务；工业用户通过系统集成商提供的服务接口使用工业互联网边缘计算网络系统。通过通信运营商、通信设备商、工业设备商、系统集成商、工业用户的多方共建共投共享，实现利益共同体各方利益的最大化。工业互联网边缘计算网络内涵及利益共同体1
20、.3边缘计算产业联盟（ECC）5工业互联网场景对 5G+边缘计算的网络需求分析5G 时代工业互联网边缘计算网络5G+边缘计算在工业互联网中有着广泛的应用，例如工业视觉、AR 远程协助、智能巡检等。这些典型应用场景对与 5G 和边缘计算带来的大带宽、低时延、高可靠性有着很高的要求。下面选取几个工业互联网的典型5G+边缘计算场景来进行介绍。工业互联网场景对 5G+边缘计算的网络需求分析02工业互联网的典型 5G+边缘计算场景工业视觉2.1工业视觉用于自动检验、工件加工和装配自动化以及生产过程的控制和监视的图像识别。通过 4K、8K 等高清摄像头、工业相机采集生产线上产品的图像信息，将图像进行处理、
21、分析和理解，以识别各种场景下的目标和对象，实时检测生产线上产品的质量，包括外观缺陷检测、尺寸检测、图案检测等，以达到对产品质量检测的高精度、实时性、高效率的目的，可以最大程度替代人工质检，降低企业成本，提升质检的效率和效果。工业视觉需要采集分析大量的图像信息，并做出实时的反馈控制，要求大带宽：5150Mbps/300Mbps 回传成像数据；低时延：20-50ms，PLC 控制反馈。因此工业视觉场景中需要结合 5G+边缘计算。通过 5G 的高上行带宽进行图像信息的传送，满足工业视觉大带宽的需求；结合边缘计算平台部署的机器视觉 AI 算法完对产品的快速检测，此外还需与云端进行协同进行大数据存储、A
22、I 算法训练。边缘计算产业联盟（ECC）6工业互联网场景对 5G+边缘计算的网络需求分析5G 时代工业互联网边缘计算网络AR 远程协助AR 远程协助可以支持员工学习、培训、交流，提供操作示范、导引，提醒生产过程注意事项及操作细节；将工人看到的场景直接传递给工艺人员，工艺人员通过视频、语音、标记等交互手段对工人进行直观指导。AR 类应用希望要用户有身临其境的真实感，如果当用户改变动作到画面绘制在新的位置上花了太长的时间，画面就会产生偏移，造成拖影。因此，没有足够低的时延，就不能给用户一个很好的服务体验，远程协助也不能达到最佳效果。因此此类场景对网络的时延和带宽有着很高的要求。因此可以通过边缘计算
23、平台提供转码、渲染、三维重建、物体识别、AR内容管理等能力为 AR 远程协助提供业务的近端实时处理和低时延保障；通过 5G 保证 AR 远程协助大的大带宽需求。远程驾驶越来越多的工业场景会用到远程驾驶，如钢铁厂的天车远程驾驶、地下矿井的采掘车远程驾驶等。通常企业在中央控制室设置远程驾驶装备（监控屏和控制设备），通过远程驾驶装备远程操控前端设备。该场景需要精准控制生产作业设备，对业务时延有较高要求（通常小于 20ms），通过 5G 接入和 MEC 的本地分流可以实现远程驾驶的业务保障。AI 视频监控主要有 2 大类 7 个细分场景，包含园区办公室监控、仓库监控、园区出入监控、生产线设备异常、操作
24、人员行为、是否戴安全帽、车间人员是否按规定路线行走等；除了安防监控，生产过程中还需要对生产线设备及操作人员行为异常进行识别，增强产线安全和可靠性，为产线工序定义操作红线，关键操作不能有遗漏；AI 视频监控场景会记录园区中的大量信息，因此对数据的隐私性有要求，同时需要对大量的视频数据进行实时分析，因此对带宽和时延有很高的要求。利用 5G+边缘计算+AI，在现场部署视频监控，对工人的操作进行记录并且实时的送到后台。系统分析软件依赖 MEC 的边缘计算能力对视频进行分析，对比，识别园区内的异常事件。多机器人协作多机器人协作顾名思义就是多个机器人相互协作。用于作业的工业机器人、物料配送的移动机器人等都
25、具有内部传感器和感知周围环境的外部传感器，通过融合 C2C 技术进行信息交互与自主决策，完成复杂的作业，实现人机、机机之间的有效配合，保证安全、可靠的工作。多机器人协作系统由远程控制端、智能中心、智能机器人以及边缘侧组成。多机器人协作中，需要传输两类信息，一类是状态类信息，包括机器人的状态及环境信息，如关节的位置、速度，这类信息是从底层机器人端到控制端的反馈或机器人之间的信息传递，信息量较大，实时性要求高。另一类是控制类信息，从控制端到机器人的控制命令信息，这类信息对数据的安全性和可靠性有较高要求。因此多机器人协作系统可以与 5G、机器视觉、边缘计算、云计算技术的融合，改善机器人的刚性自动化，
26、提高产线的柔性能力。多机器人协作的需求主要是低时延、高可靠性需求，通过 5G NR 空口的低时延、高可靠性改善了 Wifi的时延大、可靠性低的缺点控制要求；实时计算和控制需求，可通过 MEC 的部署满足了机器人 PLC 控制信息的安全可靠，进一步降低时延。边缘计算产业联盟（ECC）7工业互联网场景对 5G+边缘计算的网络需求分析5G 时代工业互联网边缘计算网络无人机巡检无人机巡检被广泛的应用在智慧物流、智慧园区、设备巡检等领域。巡视包括人员、财产、治安、消防安全。无人机利用摄像头视频（可见光高清、红外等）实时传送到厂区综合控制中心。通过对视频图像进行基于人工智能的物体识别、模式识别分析，判断所
27、巡检的地点是否存在安保异常或火警异常并实现智能提示，最大限度降低安保人员日常劳动强度。可以实现厂区范围内规范化、常态化的空中安保巡视和设备点检。但实际上，大部分前端设备都只具备单纯的感知和摄像功能，不具备前置的计算功能，需要将数据传输至数据中心进行处理。将视频分析与处理服务被部署在距感知设备较近的 MEC 平台中。通过无人机摄像头采集到的数据和图像信息通过 5G 基站传输到 MEC平台中进本地分析预处理，降低对核心网及骨干网带宽资源的占用，同时也将时延缩短到端到端。AI 训练服务则被部署在云数据中心，依靠云计算强大的计算能力来对数据进行训练，得到更准确地训练模型。5G 的上行速率可达200Mb
28、ps，可以支持 4K、8K 甚至全景的视频回传；二是 5G 毫秒级的低时延高可靠特性可以有效地保障无人机的精确控制和精准定位。AGV 仓储物流AGV 是自动引导运输车（Automated Guided Vehicle）的英文缩写。通常也称为 AGV 小车，它是一种装备有电磁或光学等自动引导装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车。AGV 系统是智慧工厂的重要构成之一，实现物料的自动流转和生产制造的全程可追溯生产数据采集。在 AGV 仓储物流场景中，AGV小车接收到指令后自动前往相应的位置进行工作。在 AGV 小车工作流程中，需要对自己目前所在的位置进行定位，通过传感
29、器检测前方路障，实时规划路径，与其他小车进行协同等，因此对时延和并发有着很高的要求。在群车密集式作业，密集存储的场景中：WiFi 并发 200 台（1600 平方米仓库），移动切换 Wifi AP 每天 10+次停机，重传恢复 2 分钟；网络需求：支持 100-200AGV 并发、时延要求在 50-100ms 之间。通过 5G+边缘计算，可以支持数百台AGV 小车同时接入，在边缘处实时处理 AGV 传感器所采集的数据，对其指令和路径进行规划。边缘计算产业联盟（ECC）8工业互联网场景对 5G+边缘计算的网络需求分析5G 时代工业互联网边缘计算网络“5G+边缘计算”应用场景贯穿工业制造的全过程，
30、覆盖 AGV、生产过程控制、机器协作等各个环节。“5G+边缘计算”融合应用将显著降低企业运营成本，提高生产效率，优化制造资源配置，提升产品高端化、装备高端化和生产智能化水平，推动制造业实现质量效益提高、产业结构优化、发展方式转变、增长动力转换，为工业互联网提供有力保障。综合来讲“5G+边缘计算”讲给工业互联网带来以下五大价值：1免布线。5G+边缘计算解决园区内原有 WiFi 网络抗干扰能力差的问题，同时避免架设有线网络成本高、难度大、工期长的难题，保证终端网络连接的方便稳定性。如在 AGV 仓储物流场景中在园区面积比较大时，WiFi 覆盖面积较小，解决位置移动时导致的 WiFi 频繁重连问题。
31、3提供低时延。很多工业互联网场景中如多机器人协作，对时延有很高要求，由于 5G 边缘计算更靠近终端的特性提供的低时延可以满足低时延场景中对精度、协同等高要求。5提高安全性。由于园区内的信息涉及到企业的内部数据，具有很高的隐私性，数据本地处理，降低了数据泄露的风险，提升的工业互联网的安全性。5G+边缘计算与工业互联网的融合创新发展，将推动制造业从单点、局部的信息技术应用向数字化、网络化和智能化转变，也为 5G+边缘计算开辟更为广阔的市场空间，从而有力支撑制造强国、网络强国建设。当前，我国产业界推进 5G+边缘计算与工业互联网融合创新的积极性不断提升，“5G+边缘计算+工业互联网”内网建设改造覆盖
32、的行业领域日趋广泛，应用范围向生产制造核心环节持续延伸，叠加倍增效应和巨大应用潜力不断释放。2兼容多协议，降低改造成本。由于相关设备间都采用 L2 网络接口，工业设备商和企业都不希望改造相关设备的网络通信接口和协议，5G MEC 对多协议和通信接口的兼容，降低了改造成本。4提供大带宽，降低对外网带宽需求。AR/VR，监控，巡检等场景，由于需要传送大量视频图像信息，往往需要超大带宽，5G 的超级上行能力可以为该类场景提供超大带宽，同时利用边缘计算进行本地处理，减少传送到云中心的数据，降低对外网的带宽需求。5G+边缘计算给工业互联网带来的价值2.2边缘计算产业联盟（ECC）9工业互联网场景对 5G
33、+边缘计算的网络需求分析5G 时代工业互联网边缘计算网络工业互联网场景对 5G+边缘计算的网络需求2.31支持业务通过固网或移动网的多接入需求 工业互联网场景中，需要接入多种终端设备进行数据的采集、控制等，由于业务的固定或移动特定，决定了设备接入网络的方式必然是多样的，需要网络支持业务通过固网或移动网的多接入需求。2支持工业互联网的可靠连接性需求 网络能够在边缘计算节点业务发生故障时，不再往异常边缘计算节点做业务分发，能够快速切换至其他节点，降低故障影响面。5需要网络满足工业互联网确定性时延/低时延、高带宽、高并发网络需求 在时延方面，工业自动化控制通常分为运动控制和过程控制，运动控制通常要求
34、时延在 1ms 级别，过程控制要求时延在10ms100ms 级别；同时，确定性时延不仅要求低时延，还要求时延的抖动控制在一定范围内，通常为纳秒级；带宽方面，对于传统结构化数据的采集，要求在 100kbps，对于非结构化数据的采集，例如视频等，要求在 100mpbs 以上；同时需要支持大量终端设备的高并发。因此，需要网络满足工业互联网的确定性时延/低时延、高带宽、高并发网络需求。3支持云边协同/跨域边云协同 在智能巡检、AGV 应用、园区设施管理以及 C2C控制等场景中都对边缘节点以及云中心的协同有要求，如通过云平台接收来自边缘计算节点聚合的数据信息进行模型训练，并将更新模型推送到边缘端，完成数
35、据的分析和处理等，需要网络支持云边协同/跨域边云协同。4满足运营商网络和园区网融合的互联互通互操作、以及安全互信需求 园区网和运营商网络融合是工业互联网中常见的场景之一。园区网为行业客户在园区范围内提供网络连接，运营商网络为行业客户提供互联网接入和分流管道。同时，运营商网络或园区网可部署边缘计算节点，为用户提供数据服务等业务。6支持现场异构接入网络 工业互联网需要面对多种多样的设备，5G+边缘计算的网络需要向下支持多种类的设备接入。7支持 OT 网的协议和低延迟 在 5G 网络应用到 OT 网络中，需要 5G 网络支持TSN 等 L2 工业互联网协议，满足设备间通信协议的匹配需求。同时，要简化
36、端到端网络来降低网络延迟来满足工业互联网的通信性能要求。边缘计算产业联盟（ECC）10工业互联网的 5G 边缘计算网络架构5G 时代工业互联网边缘计算网络企业园区网按功能一般分为三个部分，办公网、生产 IT网和生产 OT 网络，有不同的网络要求和技术体系。办公网：由企业的 IT 团队负责建设和运维，标准的eMMB 场景，主要网络建设目标是解决网络覆盖和高性价比带宽问题，有线网络技术采用以太网交换和路由，无线技术以 WiFi 为主。生产 IT 网：也是由企业的 IT 团队负责建设和运维，支持 AGV 物流、预测维护和移动监控等生产辅助应用，对网络的延迟和工业级可靠通信有一定要求，是 5G 和Wi
37、Fi 积极进入的场景。OT 网：由企业的生产 OT 团队负责，以现场总线和工业以太网等专业网络为主，有非常高的低延迟和工业级可靠通信要求。5G LAN 和 5G TSN 在寻找价值应用来突破。OT网络有很高的安全要求，通过防火墙和园区网互连。5G MEC 可以部署在 OT 网络中，支持智能制造，满足低延迟和高工业级通信可靠性要求；也可以部署在园区网骨干上，支持智能园区应用，移动应用（机器人）。在园区里可以部署，多个 5G MEC 来支持不同的业务；每个 5G MEC 里面的 UPF 都由一个 5G 核心网控制面来进行统一管理和提供漫游服务。5G MEC 可以和企业的边缘云部署在一起。企业有一个
38、工业互联网云平台负责企业的所有生产和管理活动，同时部署边缘云和 5G MEC 来完成特定的应用。工业互联网平台可以是部署在园区里的私有云，也可以是部署在专有云中。工业互联网平台通过园区网和园区间专网来连接所有的边缘云和 5G MEC。企业的不同园区间，通过专线或切片（支持低延迟业务）互连，支持远程控制或远程 VR 等应用。工业互联网边缘计算网络架构，如图 3.1 所示。工业互联网的 5G 边缘计算网络架构03工业互联网边缘计算网络架构3.1bac边缘计算产业联盟（ECC）11工业互联网的 5G 边缘计算网络架构5G 时代工业互联网边缘计算网络5G 行业专网3.25G 专网具有大带宽、广连接、低
39、时延、安全性高等诸多优势。同时，5G 专网具备部署区域化、网络需求个性化、行业应用场景化等特点。所谓部署区域化，是指 5G 专网服务的部署范围可根据区域设计，可面向封闭式的使用场景，如制造业园区、港口、矿山等；网络需求个性化，是指对时延要求严苛、可靠性要求高、上行速率需求高、数据安全和隔离要求严格等，5G 专网中的网络切片、边缘计算、NFV/SDN 实现园区网络灵活部署；行业应用场景化，是指 5G 网络将为不同的行业场景就近部署算力并提供能力开放。5G 专网可与现有 IT 网络实现兼容互通，网络能力、网络技术也将不断演进升级。最后，对于多数企业重要的一点是，5G 公网与专网的融合部署可缩短建设
40、周期，进而大大降低成本。5G 专网服务不仅仅是一张通信网络，更是一种融合网络、云计算、边缘计算、应用平台全面定制的综合解决方案。5G 专网包括以下三种类型：5G 虚拟专网、5G 混合专网以及 5G 独立专网。工业互联网边缘计算网络架构，如图 3.1 所示。办公网生产IT网生产OT网工业以太网/现场总线工业互联网云平台总部分园区园区网园区网边缘云MEC（UPF）边缘云5G控制面（SMF，OAM）工业互联网云平台广域网MEC（UPF）MEC（UPF）图 3.1工业互联网边缘计算网络架构边缘计算产业联盟（ECC）12工业互联网的 5G 边缘计算网络架构5G 时代工业互联网边缘计算网络在 5G 虚拟专
41、网模式中，企业专网用户和企业内公众用户，共享 5G 基站、5G 核心网（控制面和 UPF）和 5G 承载网。企业专网用户数据流，从企业专网用户终端，经过运营商在园区里共享基站，5G 承载网，到公网 UPF，再通过专线传回企业云。企业用户数据一般都会出园区。园区里面普通用户数据流，通过运营商在园区里共享基站，经 5G 移动承载网传到公网 UPF。流程和园区外普通用户的业务流一样。运营商可以通过提供 5G 切片来保证基站到 UPF 的通信性能和数据安全，5G 切片包括 5G 基站切片、5G 移动承载网切片和 5G 核心网（UPF）切片。从运营商 5G UPF 到企业云间的专线也可以采用切片网络来保
42、证高性能。在 5G 混合专网模式中，企业专网用户和企业内公众用户，共享 5G 基站和 5G 核心网控制面。企业用户有专用的、部署在企业园区里的 5G MEC（包括专用的 UPF）。5G MEC 在园区里面和企业云互连。企业专网用户数据流，从企业专网用户终端，经过运营商在园区里的共享基站，直接到园区 5G MEC 的 UPF，最后通过园区内网络连接企业云。企业用户数据不出园区，但 5G 用户的控制信息会出园区，被发送到运营商的 5G 核心网控制面。园区里面普通用户数据流，通过运营商在园区里共享基站，经 5G 移动承载网传到公网 UPF。其流程和园区外普通用户的业务流一样。图 3.25G 虚拟专网
43、WAN5G控制面 公网UPF5G移动承载网（切片）专线，切片5G核心网企业内私有环境企业内公众环境基站企业云公众环境基站图 3.35G 混合专网WAN5G控制面 5G移动承载网5G核心网企业内私有环境企业内公众环境基站企业云公众环境基站MEC（UPF）3.2.1 5G 虚拟专网3.2.2 5G 混合专网边缘计算产业联盟（ECC）13工业互联网的 5G 边缘计算网络架构5G 时代工业互联网边缘计算网络在 5G 独立专网模式中，为企业专网用户和企业内公众用户分别建设独立的 5G 网络。5G 企业专网，有独立的无线频段、独立的基站和独立的无线核心（5G 控制面和 UPF），所有网络设备都在园区里，通
44、过园区网络互连。5G 企业独立专网可以由运营商来建设，也可以是企业自建。运营商同时在企业园区里部署公共 5G 网络，和园区外部署方案一致，提供普通用户的 5G 业务。企业专网用户数据流，从企业专网用户终端，经过运营商在园区里的独立基站，直接到园区 5G MEC 的 UPF，最后通过园区内网络连接企业云。企业用户数据不出园区。园区里面普通用户数据流，通过运营商在园区里共享基站，经 5G 移动承载网传到公网 UPF。其流程和园区外普通用户的业务流一样。三种 5G 专网具有不同特性和客户对象，分析小结见表 3.1。图 3.45G 独立专网WAN5G控制面 5G移动承载网5G核心网企业内私有环境企业内
45、公众环境基站企业云公众环境基站MEC（UPF）5G 虚拟专网5G 混合专网5G 独立专网网络共享共享基站、5G 核心网和5G 移动承载网共享基站和 5G 核心网的控制面系统无共享数据是否出园区出园区不出园区不出园区MEC 位置比较高，在运营商机房下移到园区下移到园区低延迟中高高数据传输安全比较高（可以用切片）很高最高灵活自服务低中高3.2.3 5G 独立专网3.2.4 5G 专网特性分析边缘计算产业联盟（ECC）14工业互联网的 5G 边缘计算网络架构5G 时代工业互联网边缘计算网络图 3.55GMEC 在 OT 网络中应用模式成本低中高客户对象对网络性能和边缘计算要求不高，对成本比较敏感的中
46、小企业对网络性能尤其是时延要求高，同时对本企业数据管控有较高要求的客户，如工业视觉检测、工业数据采集、云化 PLC、设备远程控制、移动诊疗车、AGV 调度与导航、机器人巡检等。对安全、性能、自管理要求苛刻的行业客户，如矿山（矿山井下采矿、矿车无人驾驶）、港口（吊机远控、自动集卡）大型工厂、电网等采用运营商 5G 网络来建设专网，有成本低、迅速开通和专业建维的优点。当前，在工业互联网领域，大企业基本上都采用 5G 混合专网模式5G 边缘计算在 OT 网络的应用模式3.35G MEC 在企业网，特别是 OT 网络中的应用，给工业互联网带来了新的通信应用能力和应用模式。OT 网络中的设备和应用一般分
47、为 5 层：设备层、边缘控制器层、边缘网关层、边缘云层和工业互联网云平台层。传统的工业互联网 OT 网络是有线网络。设备和边缘控制器间一般采用简单、实时的现场总线来构建网络。边缘控制器和边缘网关，边缘网关间，采用各种工业以太网来构建车间级网络。5G MEC 在 OT 网络中的部署应用当前主要是 5G 混合专网模式，为工业互联网应用提供了移动和低延迟通信能力，如图 3.5 所示，提供了“低延迟无线通信”和“无线通信+边缘计算”两种通信应用新模式。设备边缘控制器边缘网关边缘云工业互联网云平台工业互联网云平台3.3.1 5G 边缘计算在 OT 网络的应用模式架构边缘计算产业联盟（ECC）15工业互联
48、网的 5G 边缘计算网络架构5G 时代工业互联网边缘计算网络图 3.6OT 有线网络和 5G“低延迟无线通信”模式网络5G“低延迟无线通信”模式提供低延迟无线通信连接，原先这些通信连接主要是通过现场总线和工业以太网来提供的，也就是一个二层（L2）网络。由于相关设备间都采用 L2 网络接口，工业设备商和企业都不希望改造相关设备的网络通信接口和协议，因此5G LAN 和 5G TSN 被用来提供二层通信连接，组建一个端到端的 L2 业务网络。如图 3.6 所示，在传统的 OT 有线网络中，设备通过L2 有线网络（现场总线和工业以太网）连接到控制器。5G“低延迟无线通信”模式组网是由 5G 基站，运
49、营商IP RAN 路由器，5G MEC 系统组成，通过防火墙和企业 OT 网络连接；5G MEC 中的 UPF 和无线基站一起提供 5G 通信连接；设备可以通过 5G 模组或 5G CPE 来上5G 网络。5G 网络从基站到 UPF 间，通过 GTP 封装来传输 L2 数据帧（如以太网帧），这个传输过程要经过运营商的 IP RAN 网络和 MEC 网关路由器。L2 帧在 UPF 被从 GTP解封装出，再通过数通网络的 L2 VPN（VxLAN，L2TP）传输到控制器，中间要穿越 MEC 防火墙和企业防火墙，以及 MEC 网关路由器和企业园区网。随着工业以太网向 TSN 标准演进，5G TSN
50、技术将被用来组建 5G L2 网络。“低延迟无线通信”（蓝线）模式：为设备层、边缘控制层和边缘网关层间提供 5G 通信连接，对应原来的现场总线和工业以太网通信连接。大部分情况只需要 UPF来提供 5G 通信连接，不需要 MEP 来提供边缘计算应用。“无线通信+边缘计算”（红色）模式：为设备侧、边缘控制器层和边缘网关层提供到边缘云的通信连接，一般是提供三层（IP）通信连接，延迟要求一般会比“低延迟无线通信”模式略低。MEP 平台及应用可能部署在 5G MEC 中，提供前端实时智能应用，并且能调用 5G 的开放通信能力，来编写有 5G 特色的智能应用。在工业互联网中，5G MEC 系统一般要同时满