基于MEC 的5G 虛擬專網在家電企業應用研究

汪雙兔 ，汪海旸

(1.中國聯合網絡通信有限公司合肥市分公司，安徽 合肥230001；2.中國移動通信集團安徽有限公司黃山分公司，安徽 黃山235000)

0 引言

據統計，5G 技術在各重點行業，尤其在工業制造行業經濟價值占比已接近30%，5G 將促使傳統工業OT+IT 架構底層向上層逐步延伸，無線連接技術向5G 網絡技術、邊緣計算和時間敏感網絡(Time Sensitive Network，TSN)延伸[1-3]。 家 電 企 業 具備工業制造企業80%的屬性，運用5G 各類應用提升生產效率是未來家電企業的主流趨勢。家電企業與傳統制造業一樣，面臨著如下問題：

(1)網絡復雜，OT 和IT 兩張網共存；

(2)前端無線網絡接入占比小且時延大；

(3)工業協議類型繁多，設備互通成本高。

因此，傳統家電企業廠區內網架構難以支撐生產型業務對于網絡差異性、確定性、安全性、低時延的需求。

基于5G 網絡的移動邊緣計算(Mobile Edge Computing，MEC)可以提供顆粒度更小、響應速度更快的云計算能力[4]，5G+MEC 專網應用使得家電企業所面臨的現狀得到改善。 本文結合安徽某制造企業數據不出園區、低時延的剛性需求，基于移動邊緣計算上搭建5G 虛擬專網，幫助其數字化轉型，為未來實現5G+工業互聯網夯實基礎。

1 相關研究工作

在靠近用戶處搭建虛擬化資源池，在資源池中部署MEC 平臺，利用MEC 平臺在用戶本地網絡邊緣側區分本地敏感應用數據流量，同時結合5G 網絡天生的低延時性，以此形成低時延、高可靠5G 虛擬專網，是本文設計方案和研究的基礎。 基于MEC 的5G 專網工作介紹如下：根據文獻[5-7]，通過移動邊緣計算將接入方式拓展至5G 網絡；根據文獻[8-11]，充分結合云計算的優勢，將虛擬化資源池部署的方式引入MEC 平臺的部署方式中；根據文獻[11-16]，從MEC 主要功能出發，研究各類接入方式下MEC平臺的分流機制原理和方式，引入5G 接入方式下MEC 分流設計方案。

1.1 5G 專網實現原理

MEC 是實現5G 專網的關鍵技術，可利用無線接入網絡就近提供用戶所需低時延網絡服務和IT云端計算功能，將企業本地網絡流量與互聯網流量進行區分，而創造出一個具備高性能、低延遲與高帶寬的電信級計算、網絡服務環境，加速網絡中各項內容、服務及應用的快速下載[17]，讓用戶享有不間斷的高質量網絡體驗。 圖1 為5G 專網通過虛擬化部署的MEC 分流示意圖。

運營商基站和核心網之間部署好MEC 專網設備后，會給MEC 平臺托管的應用制定分流規則：首先利用GTP(隧道協議)封裝流量數據，然后平臺定義一個五元組：Q=(源IP，源端口，目的IP，目的端口，協議類型T)；接著把應用URL 解析成IP，MEC平臺內部的專用模塊會根據數據五元組信息，對所有收到的上行數據包頭進行解析，只要是目的地址的包， 則在MEC 內部剝掉GTP 頭后轉發到對應的應用去，這就是實現數據分流的機制。

1.2 5G 專網特點與優勢

5G 專網具有如下特點與優勢：

(1)數據面和控制面冗余部署，既保障公網業務也保障分流業務不中斷，同時支持基于五元組信息制定分流策略，只對特定業務進行分流，不影響原來公網業務。

(2)MEC 平臺采用旁路bypass 的部署方式，穩定性高：無論MEC 節點發生任何故障，業務永遠能直通原來的公網，相對旁路部署能減少網絡故障節點。

(3)MEC 平臺采用虛擬化部署，具備高可靠性(Highly Available，HA)，同時硬件解耦，兼容X86 系列的服務器。

(4)MEC 平臺的分流規則、應用、傳輸、MEC 設備每個環節都做到不給第三方侵入和攻擊的機會，甚至終端應用需要經過MEC 應用鑒權驗證， 避免非法用戶使用。

2 建設背景及政策

2.1 技術發展和行業需求驅動

圖1 5G 專網本地分流示意圖

2016 年4 月，歐洲電信標準協會(ETSI)定義了MEC 的七大業務場景，其中就包含了企業5G 專網應用。 隨著5G 商用時代的全面推進，MEC 邊緣計算成為助力5G 網絡數字化轉型和差異化創新應用服務的強力助推技術，是各互聯網頭部企業、設備廠商、垂直行業和運營商等競相搶占的具有新機遇和挑戰的領域。 各垂直行業也聚焦邊緣計算作為交付多種服務的關鍵技術，以滿足自動駕駛、工業互聯網、企業專網等應用對大帶寬、低時延、安全私密性的需求，使能企業數字化升級。

2017 年3 月，為了適應行業非移動業務需求，ETSI 將移動邊緣計算拓展至多接入邊緣計算(Multiaccess Edge Computing)，但這些行業的垂直應用希望能夠承載在運營商的MEC 邊緣計算的5G 專網上，對運營商在開放邊緣應用生態系統上提出了更高的要求。

2.2 家電企業數字化改造的需要

家電制造企業OT 和IT 底層網絡通常是基于有線網絡，隨著現場生產環境的復雜化、靈活性等影響，很多家電工業通信逐步采取如ZigBee、WiFi等無線傳輸方式[18]。 此種模式雖一定程度上增強了移動性，但傳輸時延、連接數量、數據安全性都得不到保證，這是家電企業所不能接受的。 而5G 網絡自身具備低時延特點，MEC 更是將計算和網絡等資源以虛擬化資源池的形式下沉部署至客戶側，因此建設基于MEC 的5G 虛擬專網，成為了眾多制造企業的首選。 表1 將傳統WiFi 無線網絡與5G 專網做了對比分析。

3 安徽某家電企業5G 虛擬專網方案分析

2020 年伊始，疫情“黑天鵝”的到來，5G、工業互聯網、大數據、云計算、區塊鏈等新技術涌現，國家新基建政策的出臺，都推動了安徽某家電行業頭部企業數字化轉型。 該企業現有如下兩個場景生產弊端：

(1)成品通過PDA 手持終端掃碼，然后通過無線網路回傳系統后入庫，無線網絡的時延較高和不穩定性導致效率低下；

(2)產線數據采集與監視控制系統(SCADA)采集終端通過無線WiFi 采集數據傳輸至制造執行系統(MES)，經常存在數據接收不全或接收不到的情況。

因此，該企業希望借助5G+MEC、工業PON、AI等新一代信息技術的應用，形成設備智能化、生產透明化、管理移動化、決策數據化的智能工廠體系，進一步實現少人化、無人化的智能全連接工廠建設目標。 以5G+智能工廠為目標， 建設基于MEC 的5G 專用內網通信基礎設施， 實現海量設備連接點及應用場景的5G 全連接智能工廠。

本解決方案計劃在該家電企業園區廠房內完成5G 網絡覆蓋及MEC 邊緣云平臺的搭建，并與工業互聯網平臺實現與自動化生產線、機械手、固定式條碼自動掃描設備、可視化系統、智能檢測設備等自動化設備的互通，并接入MES 等業務系統，最終通過5G 專用網絡實施，全面實現網絡化改造，從而實現設備自動化、生產透明化、物流智能化、管理移動化、決策數據化的智能工廠體系。

3.1 5G 虛擬專網方案設計實現

本次項目在該企業車間采取室分系統新建方式，提供5G 網絡信號覆蓋，方便快捷，且后臺易于統一管理優化。 5G 室分信號放大器采用復合光纜連接，數字室分設備RHUB 與BBU 采用光纖連接。5G 信號設備BBU 安裝在機房，RHUB 安裝在廠區弱電井內或弱電集中點，線纜沿弱電井到沿橋架布放至5G 室分信號放大器。 MEC 邊緣云平臺使用了3 臺華為RH2288 PRO 服務器搭建虛擬化資源池，為保證MEC 平臺和業務穩定運行，加入Bypass 網卡，且防火墻與業務交換機采用冗余設計。 整體組網拓撲如圖2 所示。

表1 5G 專網與傳統WiFi 無線網絡對比

5G 虛擬專網的實質是在靠近移動用戶的運營商傳輸網絡(IPRAN)為用戶提供基于IT 架構和云計算的能力。可以部署在基站、匯聚環和城域等位置，還可以托管第三方的業務服務器，甚至托管整個企業網[19]。 根據該企業對不同業務流安全隔離的要求，在5G+MEC 的基礎上結合切片技術為企業構建業務粒度級別的虛擬企業專網；企業不同類型、不同隔離要求的業務流，如視頻類、工控類、辦公類等業務可以劃分為不同切片，隔離承載[19]。 5G 虛擬專網搭建成功后，會依據IP、接入點網絡APN、端口號等識別本地網絡訪問業務流、進行本地數據分流，將數據包轉發到相關應用。從而避免流量迂回，降低訪問時延。

3.2 邏輯設計

企業搭建5G 虛擬專網后，前端用戶設備UE 訪問邊緣數據主要流程如下：

(1)終端訪問邊緣應用；

(2)終端通過無線WiFi 訪問客戶前置設備CPE(支持5G)；

(3)CPE 把數據發給PB(基站)，PB 再發給5G BBU(5G 基帶處理單元)，5G BBU 把流量發給管理/存儲接入交換機(TOR)；

(4)TOR 交換機將流量轉到Eth3(物理網口)，對應DP(分流平臺)的虛擬網口6；

(5)分流平臺虛擬機(DP Vm)進行分流，確認是邊緣應用(ME-APP)的流量；將ME-APP 的流量從虛擬網卡2 轉發；

(6)網卡把流量轉發給交換機，再次通過交換機進入應用。

流程示意如圖3 所示。

企業搭建5G 虛擬專網后，UE 訪問核心網流程如下，示意圖如圖4 所示。

(1)終端訪問核心網；

(2)終端可以通過WiFi 訪問CPE(5G)，CPE 把數據發給PB，PB 發給5G BBU，5G BBU 把流量發給TOR 交換機；

(3)TOR 交換機將流量轉到Eth3(物理網口)，對應DP 的虛擬網口6；

(4)DP Vm(分流平臺虛擬機)進行分流，確認不是ME-APP 的流量，該流量從虛擬網卡7 轉發；

(5)流量轉到核心交換機；

(6)核心交換機把請求發送給核心網。

圖2 組網拓撲圖

圖3 訪問邊緣數據圖

圖4 訪問公網數據圖

該家電企業通過部署5G 專網服務， 經過幾個月的試運行，實現了：

(1)通過極低時延的5G 專網將前端采集的生產數據傳送至企業內部業務系統，改變了通過傳統無線WiFi 采集數據延時高的問題，端到端的時延低于10 ms，可靠性達99.999 9%。

(2)數據不出企業園區以保證數據安全，生產線敏感重要信息由MEC 分流到園區本地網；同時訪問公網的數據沒有影響，訪問園區服務的流量直接導入本地服務器，不需要迂回到運營商核心網，敏感數據可以存儲于本地，避免公網的安全風險。

(3)對前端設備的反向控制，以及對SCADA 傳遞的異常信息預警并發送至產線，保障了工業生產自動化控制需要，提高了設備間協同制造能力。

4 結論

本文在安徽某家電企業數字化轉型的需求下，提出了基于MEC 的5G 專網技術，該技術是支撐該企業轉型的關鍵使能技術。 目前3GPP 的5G 標準R16 版本已經凍結，R17 版本正處于演進規劃中，潛在方向（如TSN、可穿戴、高精度定位等）也基本確定[20]，基于R17 版本的工業5G 應用和5G 專網的高精度定位產品也將陸續推出，因此本項目的實施，是家電制造企業在專網領域做出的創新探索與實踐，為該企業后續叉車UWB 高精度定位和成品出入庫等應用與5G 網絡結合做好基礎；是5G+工業互聯網建設的第一步。 但也提出了諸多問題供后續研究解決：

(1)5G 核心網獨立組網(SA)全面商用后，用戶面功能(UPF)與會話管理功能(SMF)兩大網元需進行N4 接口解耦，各大運營商亦需盡快完成通用的N4 接口解耦規范的制定，促進UPF 網元與設備松耦合，讓更多設備廠商參與到競爭中，助力5G 可持續發展的良性生態形成。

(2)5G 專網屆時將采取UPF 專用設備分流模式，運營商5G 核心網大都采取大區建設，數據將流經運營商大區UPF 設備后方可回流到企業園區，本文中5G 專網的極低延時如何在未來組網模式中得以保持，也是未來需研究的問題。