多接入邊緣計算在智慧礦山網絡中應用分析

劉海鵬，周淑秋

（中國勞動關系學院 應用技術學院,北京 100048）

0 引言

“加快新一代信息技術與煤炭產業深度融合，推進煤炭產業高端化、智能化、綠色化轉型升級，實現煤炭開采利用方式的變革，提升煤礦智能化和安全水平，促進煤炭行業高質量發展”是加速推進煤礦智能化建設、早日實現智慧礦山的總體指導思想[1-2]。當前礦山網絡中軟硬件設備種類繁多、制式復雜，不僅包含光纖、銅纜、串行總線、工業以太網等有線網絡，還包括蜂窩、WiFi、藍牙、ZigBee 等無線網絡，資源共享率低，升級改造困難，且很多井下垂直新業務需求因上下行傳輸帶寬受限、服務總時延過長而無法得到滿足。

近年來，5G 技術[3-5]與工業互聯網、礦山網絡等的深度融合為解決上述問題提供了思路，在礦山舊設備升級改造、垂直新業務部署等方面均有成功應用案例。而多接入邊緣計算（Multi-access Edge Computing，MEC）[6]作為5G 核心技術之一，在其中發揮了重要作用，引起學術界和產業界的廣泛關注。實際上，MEC 早于5G 技術誕生，其核心思想是在靠近業務終端的網絡邊緣位置實現計算、存儲、決策、反饋等原來需要遠端核心網或云端實現的功能，可極大地降低業務雙向時延，且能大大分流并節省承載網及核心網的帶寬流量。MEC 是5G 最重要的原生關鍵特征之一，成為5G 賦能礦山行業的重要抓手，是最終實現少人/無人智慧礦山愿景不可或缺的重要支撐技術。在未來階段（Beyond-5G，6G），MEC與移動通信技術的發展既各自獨立進化，又互相影響制約。本文以MEC 技術為主線，分析其在智慧礦山中應用的必要性，對智慧礦山中計算節點分布情況進行建模，并基于建模結果提出針對智慧礦山的MEC 部署模型。

1 MEC 技術背景

MEC 最早起源于分布式計算和處理技術，霧計算、內容分發網絡（Content Delivery Network，CDN）等已包含了邊緣計算思想，即將復雜任務直接分配給物理上距離最終用戶很近位置的計算節點，而不是由遠端云計算中心來分發、計算和處理。2014年，歐洲電信標準化協會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）規范定義了移動通信領域的邊緣計算概念-移動邊緣計算，特指移動通信領域的分布式云計算。2017 年，ETSI 把WiFi、有線等多種接入方式納入進來，由原來只面向移動通信的單一模式擴充到多接入復合模式。現在由第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）和ETSI 共同對MEC 規范進行定義和維護，3GPP 主要定義MEC 在5G 系統內部的實現及其與5G 核心網的交互，ETSI 則負責定義MEC 的架構、業務流程等。具有MEC 功能的網絡節點對外提供計算、存儲和網絡資源服務，MEC 功能可抽象為基于底層虛擬化設備的若干功能實體的集合，各功能實體可根據實際情況布置在不同網絡節點和硬件設備上。礦山行業的特性決定了礦山網絡通常采用獨立性和私密性極強且與外界完全隔離的行業專網，MEC 可部署在專網中距離最終用戶非常近的網絡節點中。

2 MEC 在智慧礦山應用的必要性

智慧礦山業務種類繁多。針對視頻監控類業務（如4K/8K 實時監控），如果能在井下靠近高清攝像頭或傳感器位置部署MEC 節點，由5G 核心網下沉網元-用戶面功能（User Plane Function，UPF）先對用戶數據進行分流和卸載，然后在MEC 節點處配合模式識別、機器學習算法，則可對需繼續上傳至核心網和云端的高清視頻進行去霧、去噪、壓縮處理，從而極大地節省承載網上行帶寬資源，同時可對危險操作（如井下礦工不帶安全帽等）提供第一時間的反饋。針對井下應急救援、礦車自動駕駛、自動導引運輸車輛（Automated Guided Vehicle，AGV）及各類井下機器人[7]等時延敏感類業務，引入MEC 能夠顯著降低業務時延，減輕承載網壓力，極大提升終端用戶業務體驗。針對連接類業務，在井下布置引入人工智能（Artificial Intelligence，AI）算法的MEC 節點，可結合本地數據挖掘算法，第一時間對井下各種傳感器獲取的大量數據進行分析、反饋，有選擇地把有價值信息進行卸載和上傳，極大地減輕網絡傳輸壓力。MEC 支持藍牙、ZigBee、LoRa、Mesh、可見光通信（Light Fidelity，LiFi）、WiFi 系列（WiFi6[8]及早期WiFi協議）、蜂窩移動系列（2G/3G/4G/5G）、RS485 串行總線及CAN 總線、工業以太網、漏泄電纜、透地通信等協議。目前來看，MEC 是基于現有井下多種協議和設備提供融合管控的唯一選擇，也是為用戶提供端到端、無差別高質量服務的最佳解決方案。

3 基于業務需求的礦山網絡計算樹

3.1 計算樹定義及演進

為實現礦山從機械化、自動化、智能化直至少人/無人開采的愿景，需要不斷增強網絡的計算能力、存儲能力、實時反饋處理能力。為了更深入地揭示MEC 技術在礦山網絡的應用規律與發展路線，參考MEC 中關于計算能力的表述，將礦山網絡中具有特定分析、判斷、計算、存儲能力的網絡節點定義為計算節點，由全部計算節點及節點間連接線路構成的邏輯結構稱為基于業務需求的礦山網絡計算樹。計算樹中各節點根據業務需求可部署于地面，也可部署在井下。參考移動通信技術在礦山網絡中的應用程度，并結合智慧礦山發展規律，將礦山網絡計算樹演進大致劃分為3 個階段，如圖1 所示，其中環形圖標代表計算節點，圓形圖標代表無計算能力的純業務節點。

圖1 礦山網絡計算樹演進Fig.1 Computing tree evolution of mine network

3 個階段劃分大體上可參照5G 及其相關技術是否在井下大規模應用為判斷標志。當前礦山網絡以3G、4G、早期WiFi 系列技術為主，用戶面和數據面控制全部位于地面核心網，所有井下信令和數據都要上傳到位于地面的計算樹根節點（計算節點）進行分析處理，井下各葉子節點（純業務節點）沒有計算能力且不做任何計算相關操作。此時處于計算樹發展的第1 階段，也可稱之為Pre-5G 階段。

第2 階段標志特征是井下部署了具備邊緣計算能力的節點（如5G 系列的MEC 服務器）作為計算樹第2 層分支節點。該模式可將葉子節點上傳數據先由下沉到井下的核心網元（如5G UPF）進行分流，部分能夠在本地處理的數據直接由第2 層計算節點來反饋處理，仍需上傳的數據再卸載上傳給根節點。該階段的標志性技術主要包括核心網元UPF 下沉、網絡切片[9-10]、WiFi6、全光纖環網、IP 無線接入網（IP Radio Access Network，IP-RAN）、虛擬現實/增強現實（Virtual Reality/Augmented Reality,VR/AR）等，與5G（SA）階段緊密對應，也可稱之為5G 階段。

第3 階段相對前2 個階段最大的不同是井下葉子節點具備了相當的實時處理和計算能力，可更迅速地處理信息和數據。另外，葉子節點之間及分支節點之間可進行實時任務交換和負載分擔（圖1 中虛線），如設備到設備（Device to Device，D2D）直連、協同作業。核心網部分具有分流功能的網元將繼續下沉到葉子節點位置，云-邊-端各部分能力得以最大程度的釋放。該階段標志性技術主要包括太赫茲通信、非正交多址接入（Non Othogonal Multiple Access，NOMA）、智慧計算與傳輸、分布式核心網、基于章魚仿生的計算協作處理、混合現實/擴展現實（Mixed Reality/Extended Reality，MR/XR）、數字孿生[11]等，可稱之為Beyond-5G（6G）階段。

3.2 各階段業務特性

根據礦山網絡計算樹演進各階段特征分析，對各階段業務特性進行對比，結果見表1。

表1 3 個階段業務特性對比Table 1 Comparison of system characteristics in three stages

（1）負載均衡性。第1 階段：計算和處理任務全部集中在計算樹根節點，葉子節點只負責對獲取數據進行轉發，是一種集中式計算模式，根節點處容易產生瓶頸效應，負載均衡性很差。第2 階段：由于計算樹第2 層分支節點具備了一定的計算能力，在很大程度上分擔了原來只屬于根節點的計算任務，減輕了主干線路的傳輸負載，提升了整體負載均衡性。第3 階段：隨著葉子節點計算能力及各節點之間協作能力的增強，計算任務按需分配到各層級不同閑置節點，充分發揮全部節點最大潛能。根節點通常只保留基本控制功能，真正實現了去中心化的分布式、下沉式計算模式。

（2）業務移動性。礦山網絡一般是由單一電信運營商（如中國電信、中國聯通、中國移動）和設備提供商（如華為、中興）為煤礦量身定制的園區專網，可實現數據內部隔離，不涉及跨運營商的業務切換問題。本文中業務移動性是指終端設備跨井下不同無線基站、WiFi-AP、MEC/UPF 服務器的業務連續性。第2 階段引入WiFi6 技術，5G 微基站的覆蓋率得以提高，且第3 階段引入太赫茲通信、NOMA、超大規模陣列天線等技術，井下終端的業務連續性及切換性能逐步增強。

（3）數據安全性。所有階段專網內的數據都不出專網。從第2 階段開始，大量的數據流量在分支節點處直接分流和處理，縮短了數據傳播路徑，數據存儲位置下沉至更深層次節點，最大程度地減少數據遭受泄露和外部攻擊的可能。另外，隨著終端計算能力的增強，一些葉子節點具備一定的自愈能力，可在緊急情況下自動備份和恢復數據。因此，業務數據安全性是逐階段提高的。

（4）可擴展性。在第1 階段，控制面與數據面沒有徹底分離，在物理上都集中在地面根節點位置。在第2 階段，核心網數據面部分功能下沉至分支節點，為第3 階段引入時間敏感型網絡（Time Sensitive Network,TSN）、確定性網絡（Deterministic Networking，DetNet）等基于更多時分技術的確定性服務預留了接口。在第3 階段，進一步在MEC 中融入AI 技術，從而提供更多的確定性服務和更高服務質量（Quality of Service，QoS）。另外，從第2 階段開始引入網絡切片功能，能夠實現差異化的定制網絡，通過不同網域協同及感知，保障確定性需求業務的端到端性能；第2，3 階段能夠在第2 層分支節點甚至葉子節點處（第3 階段）提供面向垂直化差異性業務需求的深度可編程接口，為網絡端到端確定性業務可控和升級提供了極大的擴展空間。

（5）一體化特性。隨著AI 功能的引入和節點計算、存儲能力的不斷提升，計算樹各層級負載更加均衡、反饋更加迅速、協作不斷加強、分工更加合理，各階段一體化特性逐漸增強。考慮到當前井下各種軟硬件設備、協議并存，系統升級過程中還要兼顧成本回收等多重要素，雖然第2，3 階段分支節點和葉子節點計算能力都有不同程度的提升，但距離井下嵌入式平臺統一化、各種軟硬件設備接口完全標準化的目標還任重道遠。

4 基于計算樹的智慧礦山網絡MEC 部署模型

礦山高安全、高帶寬、低時延、數據不出園區等特殊行業屬性，決定了礦山網絡多采用同外界完全隔離的行業專網。礦山專網具有獨立的核心網、承載網和接入網。核心網通常位于地面，承載和接入部分目前多采用3G/4G/5G、窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things,NB-IoT）、RS485、CAN、工業以太網等技術。在5G 專網中，除認證管理功能（Authentication Management Function，AMF）、會話管理功能（Session Management Function,SMF）等核心網主要網元會保留在地面，部分網元（UPF）會通過N4 接口下沉到井下作為錨點配合MEC 發揮作用[12-14]。就目前技術發展狀況來看，構建高可靠的“井下一張網”是大勢所趨，5G 和光纖結合是未來至少10 a 內智慧礦山發展的基石[15]。結合計算樹演進技術特征，本文提出一種智慧礦山網絡MEC 部署模型，如圖2 所示。節點圖標左側框內數字代表該節點對應計算樹中節點級別：0 代表0 級節點，即根節點；1 代表1 級分支節點，距離根節點邏輯距離為1 跳；2 代表2 級分支節點，距離根節點邏輯距離為2 跳。需要注意的是，這里的數字只代表該節點在計算樹中相對根節點的層級，具有相同數字標號的節點可部署于地面，也可部署于井下。

圖2 智慧礦山網絡MEC 部署模型Fig.2 MEC deployment model in smart mine network

2 級分支節點可對應地面/井下具備相當計算、存儲能力的終端設備，如無人礦卡[16]、井下機器人、AGV、綜采設備、高清攝像頭等。節點MEC 功能應能夠根據具體情況靈活開關，如在節點本身電量不太充足且需完成更緊急任務的情況下，MEC 功能可即時關閉。不同2 級分支節點之間可通過無線藍牙、ZigBee、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）等D2D 方式進行直連協作計算，實現負載均衡。可根據井下實際環境狀況，設置1 個兼具UPF分流功能的特殊2 級分支節點。該節點配置相對較高、獨立供電，可通過有線方式連接到井下基站，能夠完成較復雜的計算處理操作。以上操作的目的是將MEC 功能最大可能地擴展到距離業務終端更近的設備上，最大限度地減小業務雙向傳輸時延，加快反應速度。

1 級分支節點一般由配置更高、性能更加穩定的獨立MEC 服務器擔任，支持有線固定連接、獨立供電，能夠提供與節點計算能力、存儲能力、網絡通信能力相匹配的邊緣計算能力。其作用是接收由2 級分支節點卸載轉發過來的復雜計算和數據處理任務。如果需繼續上傳，則1 級分支節點會將數據經承載網上傳至地面計算樹根節點（0 級節點），由其完成最終的復雜任務計算或指令反饋。

具有超強計算和存儲能力的0 級節點、除下沉UPF 網元外其他核心網網元全都部署于地面，是整個礦山網絡控制中心，功能包括分配具體業務對應的MEC 歸屬節點、協調三級節點的任務卸載和資源管理策略、整合網絡切片及子切片的訂閱使用、對端到端業務連續性進行編排和管理等。

從圖2 可看出，智慧礦山井下骨干傳輸設備由多個IP-RAN 節點交換機和柔性抗災光纜連接構成電信級萬兆IP-RAN 工業環網，配以具備物理通道隔離的網絡切片技術，完成對井下不同有線（工業以太網、RS485、CAN 總線等）、無線（3G/4G/5G、NB-IoT等）通信協議的傳輸和接入覆蓋，實現集井下通信、物資管理、安全監測、集中控制、智能生產于一身的“井下一張網”。無線接入設備中的移動基站特指遵循3GPP 協議族的固定接入設備（如多模4G/5G/NB-IOT 基站），WiFi6-AP 特指遵循IEEE802.11.ax協議族的固定接入設備，1 級分支節點和2 級分支節點均可通過有線/無線方式接入傳輸網。在實際部署過程中，節點功能可根據地面/井下實際情況按需取舍、靈活調配，模型適用于智慧礦山建設的各個階段。這種深度為2 的三級扁平化結構既實現了算力的最大化下沉，又能根據任務實況動態卸載和上傳指令和數據，可在兼顧計算樹各部分負載均衡的同時，根據各級節點計算、存儲能力和業務需求動態決定實施何種卸載策略，完成卸載算法動態匹配、任務協同。具有UPF 功能的不同計算節點之間可通過3GPP 定義的N9 接口實現協作，高級別節點向低級別節點分配和卸載任務（如1 級分支節點到0級節點）通過N4 接口完成。

5 結論

（1）作為賦能智慧礦山的錨點，MEC 是一種與移動通信技術并行的計算技術。通過分析和探討MEC 技術起源、發展及其在智慧礦山中應用的必要性，認為MEC 是當前礦山設備升級改造、異構多類型設備接入、垂直差異化需求滿足等問題的最佳解決方案。

（2）對礦山網絡計算能力進行建模，得到了基于礦山業務需求驅動的礦山網絡計算樹模型及其3 個發展階段：Pre-5G、5G、Beyond-5G（6G），梳理了各階段主要特征和標志性技術，對比分析了各階段業務特性，指出礦山網絡的負載均衡性、業務移動性、數據安全性、可擴展性、一體化特性等在第1 階段中最差，除一體化特性外，其他業務特性在第2 階段均有所提升，大部分業務特性在第3 階段都能實現最優解決方案，但距離實現硬件設備真正通用、接口完全標準化的目標還有差距。

（3）針對礦山網絡特點，提出了一種基于計算樹的智慧礦山網絡MEC 部署模型，設計了各計算節點功能及工作流程，為MEC 技術落地實施及現有礦山網絡升級改造提供了參考依據。