5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)能力開放進展和研究

邢真/XING Zhen，邵偉翔/SHAO Weixiang，高峰/GAO Feng

（中興通訊股份有限公司，中國 深圳 518057）

1 5G能力開放賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜合了工業(yè)系統(tǒng)和信息技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)了工業(yè)智能化發(fā)展，具有提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和資源使用的巨大潛力。同時，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)引領(lǐng)著互聯(lián)網(wǎng)從消費虛擬經(jīng)濟向以垂直行業(yè)為代表的實體經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，為企業(yè)帶來了新模式、新生態(tài)和新機遇。為了滿足這一工業(yè)智能化發(fā)展需求，具有高可靠、低時延、廣覆蓋特點的5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施必不可少。基于服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使得5G網(wǎng)絡(luò)能夠通過開放接口為第三方提供技術(shù)支撐；按需選擇的核心理念，使得5G網(wǎng)絡(luò)能提供定制化的服務(wù)能力，從而賦能垂直行業(yè)，驅(qū)動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。因此，只有實現(xiàn)行業(yè)業(yè)務(wù)應用和5G能力開放的有益結(jié)合，才能真正創(chuàng)造價值。

作為網(wǎng)絡(luò)的重要功能和運營商數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵途徑，能力開放并非首次在5G網(wǎng)絡(luò)中提出。追溯至4G時代，第3代合作伙伴計劃（3GPP）定義了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)能力開放功能（SCEF），提出北向T8接口對外開放、南向各類網(wǎng)元對內(nèi)連通的架構(gòu)，實現(xiàn)了全網(wǎng)通用的統(tǒng)一能力開放。隨著信息技術(shù)（IT）與通信技術(shù)（CT）的深度融合、垂直行業(yè)新業(yè)務(wù)需求的凸顯，5G時代的能力開放需要在保障與現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)兼容的同時充分考慮自身網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及能力體系。對此，3GPP在R15中，定義了網(wǎng)絡(luò)開放功能（NEF），并面向應用功能（AF）提供事件監(jiān)控、流量策略、參數(shù)配置等類型的標準能力開放服務(wù)。3GPP R16對已有開放接口做了補充和增強，同時新增了數(shù)據(jù)分析、非互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸（NIDD）、網(wǎng)絡(luò)側(cè)統(tǒng)計等能力開放服務(wù)。隨著網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算、確定性網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，除了上述網(wǎng)絡(luò)標準開放能力外，5G網(wǎng)絡(luò)抽象出更多類型的能力如網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)、邊緣計算服務(wù)等提供給上層業(yè)務(wù)。

除了信息通信技術(shù)（ICT）行業(yè)和標準組織，世界各國的工業(yè)操作技術(shù)（OT）企業(yè)、學術(shù)界等也在推動5G發(fā)展與工業(yè)領(lǐng)域需求的融合[1]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）、工業(yè)互聯(lián)與自動化5G聯(lián)盟（5G-ACIA）等組織從工業(yè)需求的角度對組網(wǎng)架構(gòu)、運營模式、頻譜需求等話題深入探討并向3GPP標準導入。通過開放接口，5G將在工廠流程自動化、IT生產(chǎn)、物流和倉儲等工業(yè)應用場景提供服務(wù)能力。例如，交通運輸、能源分配等控制應用通過調(diào)用事件監(jiān)控能力實現(xiàn)通信服務(wù)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)管理功能；未來工廠、園區(qū)等工業(yè)應用通過流量策略服務(wù)能力實現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障和移動辦公加速等。

2 面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的5G能力開放架構(gòu)

為了向第三方工業(yè)應用提供所需的5G網(wǎng)絡(luò)能力，我們提出了一種基于5G網(wǎng)絡(luò)的能力開放體系分層架構(gòu)，主要包含網(wǎng)絡(luò)層、能力層和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理。如圖1所示，應用層（移動機器人、遠程控制、數(shù)字孿生、機器視覺、數(shù)據(jù)采集等）為能力開放的需求方，通過對底層資源的調(diào)用實現(xiàn)5G+移動機器人、5G+遠程控制等新型融合應用。網(wǎng)絡(luò)層整合終端層（傳感器、工廠設(shè)備、監(jiān)控攝像機、智能機器人、車載終端等）接入的功能為能力開放的供給方，所提供能力包括：網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力（語音、視頻、計費、專線等）、策略類能力（切片管理、流量加速等）、控制能力（接入控制、QoS保證等）、數(shù)據(jù)服務(wù)能力（數(shù)據(jù)共享、負載和狀態(tài)信息等）等。能力層位于中間，是架構(gòu)的核心和橋梁，主要負責對底層資源的抽象、封裝、編排以及對上層應用的統(tǒng)一應用程序編程接口（API）開放。

2.1 網(wǎng)絡(luò)層

▲圖1 5G網(wǎng)絡(luò)能力開放體系架構(gòu)

5G核心網(wǎng)的內(nèi)部借助統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲（UDR）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能（NFs）間的信息開放，通過NEF、策略控制功能（PCF）等實現(xiàn)AF對網(wǎng)絡(luò)功能直接或間接訪問，并向授信或非授信的調(diào)用者開放服務(wù)能力。此外，網(wǎng)絡(luò)切片是軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)應用于5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵服務(wù)。根據(jù)3GPP TS23.501[2]中的定義，不同的網(wǎng)絡(luò)切片能夠利用網(wǎng)絡(luò)切片選擇協(xié)助信息（S-NSSAI）進行識別。通信服務(wù)管理功能（CSMF）和切片管理功能（NSMF），實現(xiàn)面向工業(yè)企業(yè)可定制、可安全隔離的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)。

在接入網(wǎng)中，邊緣計算使運營商和第三方服務(wù)托管在靠近用戶終端（UE）接入點的位置，從而通過減少端到端延遲和傳輸網(wǎng)絡(luò)上的負載來實現(xiàn)高效的服務(wù)交付。根據(jù)3GPP標準中對邊緣計算能力的介紹，5G網(wǎng)絡(luò)原生支持邊緣計算功能，核心網(wǎng)選擇靠近UE的用戶面功能（UPF）并通過N6接口執(zhí)行從UPF到本地數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的流量控制。為了將敏感數(shù)據(jù)保存在工業(yè)現(xiàn)場并保持自動化過程獨立于Internet連接，本地化的方法（多接入邊緣計算）相比于集中的方法（云計算）更為可取[2]。

根據(jù)3GPP R16和5G-ACIA工作組相關(guān)進展，時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）、非公共網(wǎng)絡(luò)（NPN）和5G局域網(wǎng)（LAN）等垂直組網(wǎng)類技術(shù)是實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)對工業(yè)4.0支持的關(guān)鍵內(nèi)容，可滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下的確定性、獨立性和協(xié)同性需求。為了實現(xiàn)對時間敏感服務(wù)能力的支持，3GPP將整個端到端5G系統(tǒng)視為TSN橋接器，與外部網(wǎng)絡(luò)集成在一起，實現(xiàn)邏輯上的“TSN橋”和時間同步。為了實現(xiàn)專網(wǎng)專用，3GPP提出了兩種5G NPN部署方式：獨立非公共網(wǎng)絡(luò)和集成NPN的公共網(wǎng)絡(luò)，以解決運營商公網(wǎng)和垂直行業(yè)私網(wǎng)之間的漫游問題[3]。5G-LAN提供了組管理服務(wù)，使第三方AF可以對組創(chuàng)建、更新和刪除，并可以對5G網(wǎng)絡(luò)中的虛擬網(wǎng)絡(luò)（VN）配置數(shù)據(jù)，對組成員UE的配置進行處理。

2.2 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理

為了便于在工業(yè)場景下對5G開放能力的調(diào)用，相關(guān)接口的實現(xiàn)通常需要屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)細節(jié)，使接口具有易用性，并且通過模塊化使其功能可選、對新功能后向兼容。在這一過程中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理功能必不可少。下面從設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)管理和安全管理3方面對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理需求進行簡要介紹。

對于設(shè)備管理，關(guān)鍵的開放能力包括設(shè)備身份管理、設(shè)備配置和上線、設(shè)備連接管理和監(jiān)控、設(shè)備群組管理、設(shè)備位置信息管理等[4-7]。

? 設(shè)備身份管理：不同的通信和應用層通常使用多種標識符類型。由于OT設(shè)備的復雜多樣性、垂直行業(yè)通信的隱私和安全性等，應當避免在5G系統(tǒng)中使用應用層OT設(shè)備標識符。在5G能力開放接口中應使用唯一標識符，例如3GPP定義的通用公共訂閱標識符（GPSI），以將UE標識作為設(shè)備的組成部分。

? 設(shè)備配置和上線：通過開放能力接口向5G核心網(wǎng)絡(luò)獲取UE ID標識符和網(wǎng)絡(luò)訪問身份驗證密鑰等UE信息，以支持將設(shè)備在5G系統(tǒng)中集成、配置、激活和連接。因此，該開放接口需要支持單個設(shè)備和設(shè)備組的配置和上線，并且在設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)時通知訂閱用戶。

? 設(shè)備連接管理和監(jiān)控：在設(shè)備連接管理中，UE到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接的比特率、端到端延遲等QoS特性需要按需定義；在設(shè)備監(jiān)控功能中，開放接口需要實現(xiàn)對按需、定期和事件觸發(fā)的設(shè)備連接性監(jiān)控的支持。這樣的開放能力可用于物流追蹤、交通管理、設(shè)備故障處理等多種使用場景[8]。

? 設(shè)備群組管理：5G開放能力接口具有創(chuàng)建、修改和刪除設(shè)備組的能力，以便于區(qū)域性的通信服務(wù)。一個設(shè)備可能同時屬于多個組，因此5G開放能力接口也應當支持將單個設(shè)備添加至群組中或從中刪除。

? 設(shè)備位置信息管理：5G系統(tǒng)支持用于跟蹤移動資產(chǎn)的精確定位服務(wù)，例如自動導引車、可移動組裝平臺和控制面板等。在這一過程中，應用程序通過相關(guān)的能力開放接口獲取設(shè)備不同顆粒度的位置數(shù)據(jù)、設(shè)備移動事件和時間事件等。

對于網(wǎng)絡(luò)管理，關(guān)鍵的開放能力包括網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)配置與保持等。

? 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控：相關(guān)的能力開放接口需要在啟動和運行期間提供監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的方法，以驗證是否正確配置和連接了網(wǎng)絡(luò)組件，監(jiān)控5G系統(tǒng)中是否正確配置了端到端邏輯網(wǎng)絡(luò)，以及該邏輯網(wǎng)絡(luò)是否正在按照規(guī)定的服務(wù)水平規(guī)范（SLS）運行。同時，還需要監(jiān)控來自物理/邏輯網(wǎng)絡(luò)組件和連接的錯誤警報，并對錯誤的檢測、定位、原因分析和解決方式提供監(jiān)控信息。

? 網(wǎng)絡(luò)配置與保持：在發(fā)生故障后完全或部分重啟5G系統(tǒng)（即特定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點或功能）以重新建立設(shè)備連接，無須進一步的手動交互。這種能力包括完全或部分備份、還原5G系統(tǒng)，添加、刪除和修改現(xiàn)有無線接入網(wǎng)（RAN）設(shè)備和邏輯網(wǎng)絡(luò)等。該方式中，對5G網(wǎng)絡(luò)的任何更改均以受控方式進行，從而最大限度地減少故障和服務(wù)中斷[9]。

對于安全管理，能力開放過程需要支持能力提供方（5G NPN）和需求方（工業(yè)應用程序）之間的相互身份認證，并且保證通信的機密性和完整性。此外，UE的安全日志記錄信息對于外部調(diào)用程序應當是可用的。

2.3 能力層

能力層位于應用層和底層資源中間，作為能力提供引擎實現(xiàn)對底層資源的抽象、封裝、編排，并對上層應用的統(tǒng)一API接口開放。面向5G賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景，能力層主要包括通用API框架（CAPIF）、垂直行業(yè)通用服務(wù)使能引擎（SEAL）、開放平臺通信統(tǒng)一架構(gòu)（OPC UA）工業(yè)自動化組件和未來工廠應用引擎（FF APP）。

CAPIF的推出是為了避免不同API規(guī)范之間的重復和方法不一致，以指導3GPP范圍內(nèi)的能力開放建設(shè)。CAPIF功能實體能夠被提供服務(wù)API的任何3GPP功能使用。CAPIF的邏輯功能包含核心功能、API公開功能、API發(fā)布功能和API管理功能4個部分，這4個模塊可以在實際組網(wǎng)時采用集中或分布式部署和靈活組合[10]。

為了確保垂直行業(yè)應用（VA）在3GPP系統(tǒng)上能夠有效使用和部署，SEAL功能架構(gòu)考慮了支持垂直行業(yè)應用的通用能力。架構(gòu)對于3GPP TS23.401[11]和 3GPP TS23.501[2]中定義的使用E-UTRA或NR接入的應用均可適用。SEAL以API的形式向VA提供SEAL服務(wù)，并且服務(wù)器之間的API交互符合CAPIF的定義。SEAL服務(wù)規(guī)范包括組管理、配置管理、位置管理、身份管理、密鑰管理和網(wǎng)絡(luò)資源管理等部分[12]。

OPC是用于不同制造商的設(shè)備、控制器、機器和系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)安全交換時的互操作性標準。OPC UA則是一個將各個OPC Classic規(guī)范的所有功能集成的可擴展框架，它與平臺無關(guān)，并且面向服務(wù)，作為通用和中立的通信體系結(jié)構(gòu)被開發(fā)和維護。在工廠中，5G成為連接機器、人和物體的重要手段。從OPC UA的角度來看，在確定性通信中使用5G，已經(jīng)包含在OPC UA的規(guī)劃中。

FF APP是未來工廠5G應用架構(gòu)的解決方案，能夠確保未來工廠應用在5G網(wǎng)絡(luò)中的有效使用和部署。3GPP TR 23.745[11]提出了面向FF APP支持的體系結(jié)構(gòu)和功能模型的研究方案。該模型結(jié)合SEAL架構(gòu)，通過工業(yè)服務(wù)使能引擎（FAE）在北向為工業(yè)應用提供服務(wù)使能，最終實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)與未來工廠應用的融合。

3 結(jié)束語

在ICT和OT企業(yè)的雙重推動、5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的背景下，各行業(yè)、各組織都在積極推動5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)能力的開放標準研究，中國各省市也通過制定相關(guān)政策推進5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用示范落地。目前中國已經(jīng)完成了對主要融合場景的定義、需求分析和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計，并且在一些典型場景中進行了案例應用。然而，面向未來，5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展仍存在問題和挑戰(zhàn)。例如，工業(yè)場景基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化改造水平不足制約著融合業(yè)務(wù)的發(fā)展；作為供需主體，ICT和OT企業(yè)間的相互認知、理解仍處在初級階段等。對此，需要加強ICT/OT行業(yè)的對接交流，實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)由局部增強到全網(wǎng)變革的延伸，使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)由特定場景的數(shù)字化轉(zhuǎn)型到全面智能化發(fā)展，最終實現(xiàn)5G能力開放對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的深度賦能。