工業互聯網+5G 發展策略研究
來源:郵電設計技術雜志 更新時間:2021-06-30

摘要:工業互聯網發展水平與一個國家的國際競爭力強相關,截至2020 年我國工業互聯網發展初見成效,但商業模式還需要持續探索。首先探索工業互聯網定義及發展情況,其次理清工業互聯網與5G 關系,然后剖析運營商在工業互聯網中的定位,最后提出“工業互聯網+5G”背景下的運營商端邊云協同方案及網絡架構。

關鍵詞:工業互聯網;5G;運營商;端邊云協同

1概 述

中國互聯網發展應用正從消費互聯網轉向工業互聯網,工業互聯網已經成為世界各國重要的基礎設施,其發展水平直接影響一個國家制造業的轉型升級和國際競爭力。2018—2020年是我國工業互聯網起步發展期,工信部實施工業互聯網創新發展工程,帶動總投資近700億元,遴選4個國家級工業互聯網產業示范基地和258個試點示范項目。

2020年我國工業互聯網產業經濟增加值達到3.1萬億元,占GDP比重為2.9%,新增超過255萬個就業崗位,已建成具有較強行業和區域影響力的工業互聯網平臺超70個,連接工業設備數量達4 000萬臺(套),工業互聯網網絡已覆蓋全國300個城市,連接18萬家工業企業。

另外,工業互聯網產業聯盟2020年4月份的統計數據顯示,工業互聯網產業聯盟在多個領域取得實質性進展:

a)會員單位數量從2016年初不足150家發展至1800家以上。

b)新技術研究與測試驗證方面,輸出55個測試床和56份研究報告。

c)產品和解決方案方面,輸出70多個解決方案資源池。

d)應用試點探索與落地方面,輸出163個優秀應用實施案例。

e)標準規范制定與實施方面,輸出工業互聯網標準體系。

f)垂直行業部署與推廣方面,覆蓋15 個垂直行業,含6個非制造業。

綜上,截至2020年底我國已初步建成工業互聯網基礎設施和產業體系,多個地方政府如北京、上海、重慶、青島、成都、長沙等推動工業互聯網產業集聚和制造業轉型升級,密集謀劃和建設工業互聯網產業園區。此外,互聯網公司、設備廠商、垂直行業和運營商等也競相布局升級工業互聯網平臺,加快中小企業“上云”步伐。我國企業數字化轉型比例為25%,中小企業數字化轉型空間巨大,隨著工信部2021年1月《工業互聯網創新發展行動計劃(2021—2023年)》的印發,工業互聯網的智能化進程有望加速。

2工業互聯網與5G關系

從宏觀經濟看,國際貨幣基金組織(IMF)統計數據顯示,受新冠肺炎疫情影響,2020年全球經濟增長率預計為-4.4%,2025年平均增速將下降至3.5%,其中發達經濟體、新興經濟體平均增速將分別下降至1.7%、4.7%。各國政府將工業互聯網作為傳統工業改造、未來產業競爭力塑造的共同選擇,工業互聯網作為第4次工業革命的關鍵支撐,已成為全球產業競爭新焦點,也是我國塑造國際競爭新優勢的著力點,5G被認為加速第4次工業革命而被寄予厚望。

從技術演進看,移動通信基本以10年為周期進行升級換代,5G承載工業互聯網業務場景的“萬物智聯”時代正在到來。5G等新技術發展將可能改變傳統架

構范式,需在工業互聯網發展過程中進一步融合。

表1給出了移動通信技術演進及典型業務。從需求角度看,工業互聯網涉及物流、采購、倉儲、生產、產品和服務等全要素,5G超大帶寬、超低時延等特有優勢可以實現海量數據毫秒級傳輸,確保工業互聯網全要素資源的順暢連接和快速精準控制的高要求。

目前工業界采用的無線通信協議眾多,如短距無線(藍牙、ZigBee)、工業專用無線(如Wire lessHART)、3G/4G蜂窩無線、Wi-Fi等,這些協議各有不足且相對封閉,設備互聯互通較難,制約了設備上云。5G具備感知泛在、連接泛在、智能泛在等優勢,有望成為工業互聯網的網絡及技術底座,5G相對于其他無線通信協議優勢顯著,以Wi-Fi為例,5G相對于Wi-Fi有以下優勢。

a)5G抗干擾能力更強,Wi-Fi使用公用頻段導致抗干擾能力差,5G使用運營商獨有頻段具備更高的安全性和可靠性。

b)5G能夠承載高并發大數據量業務,Wi-Fi信道少,資源有限,5G具備大帶寬特性。

c)5G能夠保證超低時延及更廣覆蓋,Wi-Fi時延不穩定,用戶增多導致時延增大,5G網絡可通過行業定制化降低時延,增加覆蓋能力。

d)5G可以實現快速切換保障數據可靠傳輸,針對快速移動場景,Wi-Fi連接下無法進行切換,5G網絡可以實現數據切換。

從應用角度看,工業互聯網為5G創造大量應用場景如機器視覺檢測、精準遠程操控、現場輔助裝配等,工業互聯網是5G商用的“主戰場”,截至2020年底,我國應用于工業互聯網的5G基站超過3.2萬個,5G+工業互聯網項目已超過1100個,工業互聯網應用覆蓋原材料、裝備制造、消費品、能源、醫療等30余個重點行業。

3 工業互聯網需求背景下的5G關鍵技術

工業互聯網涉及的主體包括機器、車間、企業、人等,端到端的產業鏈包括設計、研發、生產、營銷、管理、服務等環節,在工廠內需要實現信息采集設備、生產設備、生產管理系統以及主體之間的互聯,在工廠外需要實現生產企業、協作企業、產品、用戶、金融機構、供應鏈、物流等企業的互聯。工業互聯網的核心需求總結如表2所示。

工業互聯網作為5G商用的“主戰場”,其業務需求和技術需求也是驅動移動通信技術從4G向5G演進的原生訴求,5G關鍵技術包括邊緣計算和網絡切片。

a)邊緣計算(MEC)。從定義看,MEC是指根據業務場景需要將多種接入形式的部分功能、應用及內容部署到企業側網絡邊緣,提供低時延、大帶寬、高安全的服務,達成極致用戶體驗;從技術及安全角度看,邊緣計算將核心網用戶面下沉到物理邊緣側為企業提供5G專網能力,實現“企業數據不出企業”;從商業角度看,尤其針對視頻類等大量數據傳輸需求的應用,能夠實現本地存儲及運算,節省邊緣網絡到核心網及公網的傳輸成本和時間成本。

b)網絡切片。從定義看,網絡切片是指按需組網的技術,在獨立組網(SA)架構下將一張物理通信網絡虛擬出多個專用的、隔離的端到端邏輯子網,滿足工業互聯網定制化場景需求。從技術角度看,主要采用虛擬化和軟件定義網絡技術,把硬件抽象為計算、存儲和網絡資源進行統一管理分配,為不同的切片配置相應資源,且完全隔離互不干擾,實現邏輯上的統一管理和靈活切割。從關鍵特征看,包括按需部署、按需隔離、運維自動化、端到端SLA(Service-Level Agree ment)保障等。

4 運營商在工業互聯網中的定位

隨著5G商用向縱深發展,互聯網公司、設備廠商、垂直行業和運營商等均在探索工業互聯網的價值空間。

4.1 互聯網公司

互聯網公司從中心云下沉,依托中心云生態向邊緣拓展并嘗試構建邊云生態,整個過程依賴于運營商MEC網絡底座。

從國外看,美國重視平臺建設是其工業互聯網發展的特色,亞馬遜在2019年8月份發布邊緣服務平臺Wavelength,并陸續與Verizon、Vodafone、KDD 和SK電訊等合作共同提供邊緣云服務;微軟在2019年10月發布邊緣云平臺Azure IoT Edge,并與AT&T合作將人工智能訓練及推理場景下沉到網絡邊緣;谷歌于2019年4月份推出邊緣框架Anthos,聯合自有硬件芯片Edge TPU和軟件堆棧Cloud IoT Edge改善邊緣生態研發環境,并與AT&T合作將生態推送到企業和個人客戶。

從國內看,阿里云在2019年12月推出邊緣計算解決方案Link IoT Edge,將云應用延伸到邊緣并與云端數據聯動。百度在2018年發布端云一體解決方案Baidu IntelliEdge,包括智能邊緣本地運行包和智能邊緣云端管理套件。騰訊在2019年采用“CDN+邊緣計算”模式探索視頻直播、游戲、鑒黃等場景。

綜上,互聯網公司從中心云向邊緣延伸均采取和運營商MEC邊緣云合作的策略,對運營商技術整合、生態聯營、邊云協同等方面提出需求。

4.2 設備廠商

設備廠商從邊緣終端逐漸上移,積極研發符合MEC 部署要求的通用硬件基礎設施和針對邊緣計算具體場景的產品。如戴爾推出易安信邊緣計算網關Edge Gateway,并與VMware 聯合推出Dell EMC SDWAN Edge 集成平臺提供MEC 解決方案。

設備廠商邊緣硬件受接入方式、空間覆蓋、網絡保障等方面的能力限制,亟需通過5G構建大帶寬、低延時特性的管道連接方式,需要運營商提供完善的邊緣局點承載方案,對運營商在一體化交付、基礎架構能力集成、邊緣機房適配等方面提出訴求。

4.3 垂直行業

垂直行業利用自身對行業場景的理解(如遠程醫療、工業機器人、無人物流等),在邊緣云上交付關鍵技術或應用解決方案,使能企業數字化升級。垂直行業應用需要承載在運營商的MEC邊緣云上,對運營商開放邊緣應用生態系統提出相應訴求。

4.4 運營商

全球主流運營商均在積極利用5G優勢探索工業互聯網商業價值,借助MEC平臺及服務實現從管道經營到算力經營轉變,強化2B市場能力,完善2C業務體驗。

從國外看,美國AT&T 將邊緣計算定位為5G 戰略三大支柱之一,與微軟、谷歌等聯合部署基于5G網絡的邊緣云平臺,并主導發起了Airship、Akraino 等邊緣開源項目,加快邊緣計算生態建設和商用部署。

從國內看,三大運營商(中國移動、中國電信、中國聯通)已在MEC 領域進行戰略部署。如中國聯通推出CUC-MEC邊緣云平臺,優化3GPP 和ETSI 等標準規范,構建開放的MEC 邊緣云生態,積極與互聯網公司、設備廠商及垂直行業合作,實現與公有云、行業云、私有云的無縫對接。為了更好地滿足業務實時響應、一體化交付實施的需求,中國聯通成立MEC BU實現全國統籌調度;成立1個MEC業務運營中心、N個創新業務孵化基地、X個省分專項拓展組,推進全國MEC邊緣云節點規劃、建設、運維、運營及MEC業務拓展工作。

從技術演進看,隨著5G MEC系統的引入,網絡將呈現IP化、扁平化、無線化、靈活組網發展趨勢,運營商承載網絡面臨新的四大挑戰

a)L3 VPN需求。5G MEC中用戶轉發面(UPF)的下移需要無線核心網業務端口下移,導致原骨干網上的L3 VPN 下移至移動承載網;UPF分布式部署需要增加L3 VPN 覆蓋。

b)接入網需求。覆蓋企業園區的基站和5G MEC 需要低延遲的網絡直連和企業重要業務數據不出園區。

c)邊云協同需求。5G MEC中UPF 需要和中心云控制面和管理系統通信;5G MEC 的MEP(Multi-ac cess Edge Platform,等同PaaS)平臺中的應用將成為運營商或其他合作伙伴如互聯網公司云應用的一部分。

d)移/固承載網雙平面需求。5G MEC 提供無縫固定網絡與移動網絡融合(FMC——Fixed Mobile Con vergence)業務需要邊緣計算接入網絡(ECA——Edge Computing Access)提供多接入,跨越無線網絡和固網的連接;實驗網絡智能(ENI——Experimental Net worked Intelligence)需要提供跨越移動和固定承載網的網絡連接,完成和中心云、MEC間的業務互通。

綜上,憑借5G+邊緣網絡特有優勢,運營商掌控MEC入場券,相對于互聯網公司、設備廠商及垂直行業承擔底座角色,通過把移動網絡的CT(Communica tion Technology)能力注入至MEC 平臺和IT(Informa tion Technology)能力融合,結合邊緣節點的下沉、網絡切片技術和分流能力,實現流量的本地疏通,提供低延時、大帶寬、高安全的邊緣計算能力,快速在制造、安防、醫療等工業互聯網領域實現以MEC 邊緣云撬動5G 項目落地并帶來收入。

5 工業互聯網+5G 端邊云協同方案及網絡架構

5.1 端邊云協同方案

本文站在運營商的角度提出基于工業互聯網的“端、邊、云”協同方案(見圖1),可以滿足工業互聯網各類業務場景對通信網絡及管理平臺的訴求,總體來看,工業互聯網場景下的邊緣云無法完全取代中心云(包括公有云/私有云/行業云等),兩者是協同關系。

a)邊緣云(即邊緣計算):發揮邊緣設備靠近數據的優勢,聚焦實時、準實時及短周期的數據處理及模型推理等工業互聯網場景,針對數據安全、數據處理及傳輸耗時等敏感需求,減少邊緣設備與云端設備交互,降低數據流往返云端的通信帶寬及時間成本。

b)中心云:發揮云服務器端有大算力資源、多模型聯動及平臺協作等優勢,聚焦非實時及長周期的數據處理、模型訓練等工業互聯網場景,全面覆蓋數據處理、模型訓練、多模型協同決策等需要周期性看護的需求,充分挖掘中心云的價值空間。

5.2 端邊云網絡架構

工業互聯網場景需求差異較大,針對公安、新媒體、校園、物業、醫療、司法等典型行業,基于地理位置構建區域、本地、邊緣/客戶駐地3 層網絡架構(見圖2),各層MEC滿足不同業務需求,構建策略如下。

a)區域MEC,主要部署于省會或主要發達城市的運營商核心機房,建議每個城市各建設1套。

b)本地MEC,主要部署于有需求的地(市)運營商的核心機房,建議有需求的城市各建設1套。

c)邊緣/客戶駐地MEC,針對邊緣MEC,主要部署在每個地(市)運營商的匯聚機房,每個城市至少建設1套匯聚MEC;針對客戶駐地/園區MEC,按照實際業務需求部署在客戶側,實現業務數據不出園區,保障安全性高。

6未來及展望

從全球看,工業互聯網發展水平與國家的國際競爭力強相關,5G作為工業互聯網的網絡及技術底座直接決定其發展進程,目前我國工業互聯網發展雖已初見成效,但仍處于初級階段,呈現行業知識多樣性、企業數字化水平差異大、缺乏成功的價值共創模式等特征,筆者認為當前運營商主導的3種工業互聯網商業模式尚需從以下幾個方面探索改進。

a)通信模式,運營商建設網絡,企業根據流量、速率、切片服務等級支付通信費用。優勢是收費模式簡單易行,挑戰是難以保障5G網絡投資的效益。

b)集成模式,運營商建設網絡與應用系統,向企業收取系統集成費。優勢是可快速拓展客戶及業務范圍擴大盈利,挑戰是工業互聯網應用系統定制化要求高,短期內無法快速復制。

c)專網模式,運營商提供定制網絡,企業支付網絡建設或租賃費。優勢是和企業內網緊密耦合,減少5G 網絡建設和運營成本,挑戰是定制網絡商業模式較新,存在體制機制挑戰。

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作者:

應江勇,畢業于北京郵電大學,高級工程師,博士,北京華為數字技術有限公司AI數據首席專家,5級技術專家,主要研究方向為人工智能框架、算法及專利、平臺等,落地行業包括終端、電商、通信、媒體、公安、金融、自動駕駛等。

引用格式:應江勇. 工業互聯網+5G 發展策略研究[J]. 郵電設計技術,2021(5):78-82.



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