5G邊緣UPF專網鋼鐵智造應用研究

葉會標，沈國強，樊忠文

(中國電信股份有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310020)

0 引言

工業信息化是當前我國由傳統工業制造大國向工業制造強國轉變的關鍵舉措，中國鋼鐵產量長期占據全球50%以上產能，但是生產效率低于行業平均水平，伴隨5G 新基建起步，以5G 布局助力工業智能制造發展逐漸清晰。傳統鋼鐵制造業通信網絡構建嚴重依賴固網專線、無線工業Wi-Fi、藍牙短距通信等多制式網絡，但隨著鋼鐵行業各個生產設備接入環網需求量增加，傳統拉網布線已經難以滿足苛刻生產環境下設備接入需求的快速增長[1]。因此，鋼鐵制造領域極需能夠滿足大數據傳輸、穩定可靠、海量接入、生產數據可控的網絡信息化方式來實現一體化信息布局，增強工業制造實力。第五代通信技術(5G)憑借其增強移動寬帶、海量機器類通信、超可靠低時延通信功能特性，將極大地適配當前生產需求，5G 新網元UPF 通過靈活部署方式實現當前超低時延業務可行性，同時進一步延伸邊緣計算業務，來達到生產辦公數據通信統一化[2]。

1 鋼鐵行業通信需求

數字透明化生產是當前傳統制造業改造方向，隨著人力綜合成本抬升、產能和環保平衡發展需要、高架空、高危險源作業環境(高溫/粉塵/噪音/有害氣體)等實時監控、遠程控制需求對網絡帶寬需求在短期內急劇增長。以傳統鋼鐵鍛造區域為例，廢鋼吊運天車作業等重點作業流程自動化、信息化嚴重不足，危險區域管控不足；高溫/蒸汽等危險源多，監管不夠或者設備老化導致監管危險源視頻質量差，監管效果不足。傳統無線AP僅支持單向認證安全性差且加密算法簡單易破解，頻譜是公共資源，受外界干擾下性能衰減快，同時安全問題頻發。AP 間干擾嚴重速率和接入用戶數沒有保證，難以達到大帶寬接入，沒有切換保證機制，經常源AP 掉死后在新AP 重新連接時延過長。同時企業自己部署Wi-Fi專網，在性能上無法滿足高可靠、低時延需求。光纜專線雖然有高穩定性特性，但是面對多終端接入，移動性業務場景下業務支持度較低。藍牙短距通信在面對大帶寬業務場景明顯支撐能力不足，同時傳輸距離受終端收發能力限制，應用范圍極為有限。如表1 所示冶煉區域遠程天車針對不同業務實際下對網絡帶寬、時延需求，精確的網絡帶寬時延設計才能保證金屬冶煉的準確性和可靠性，同時隨著自動控制技術的發展，對控制精度和控制品質提出了較高的要求，需要對大型冶煉信息化控制系統進行改進設計，實現金屬冶煉過程的信息化處理、遠程管理控制和信息加工。

表1 冶煉區天車對網絡能力需求

2 5G UPF專網功能實現

2.1 UPF 定義與功能

UPF 是3GPP 協議定義下5G 核心網的用戶面，承載數據流量，負責在無線接入網和Internet 之間轉發流量、報告流量使用情況、QoS 策略實施等，相當于4G 時代SGW-U 和PGW-U 角色。在5G 網絡架構中，應用CUPS(Control and User Plane Separation)架構將核心網的C 面和U 面實現徹底分離，U 面功能由UPF 獨立擔當，用戶面功能實現去中心化。隨著用戶面網關功能獨立，可根據業務場景需要為其選擇部署位置，實現業務分布式部署，既可以部署于中心DC，也可以部署于本地DC，甚至部署在更靠近用戶的邊緣DC。這取決于垂直行業對網絡的要求，如時延、帶寬、可靠性等。譬如在低時延場景中(如自動駕駛)，用戶面UPF 需要更靠近用戶，部署在邊緣位置，實現下沉式部署。

2.2 UPF 替換MEC 降低成本

如圖1 所示，UPF 作為5G 網絡和多接入邊緣計算(MEC)之間的連接錨點，所有核心網數據必須經過UPF轉發才能流向外部網絡，因此MEC 業務實現必須是以UPF 分流為基礎。而MEC 是5G 業務應用面向更加寬廣的標志。MEC 解決方案通過UPF 實現與3GPP 數據面的集成，通過NEF 實現與3GPP 控制面的集成。MEC 屬于一種超前商業概念，ETSI 定義了MEC 的商業框架，包含軟件架構、應用場景和API 接口。MEC 出現的目的是滿足云應用在本地閉環、移動網絡分布式下沉以及終端算力提升所形成的連接+計算的融合匯聚節點[3]。

圖1 UPF 與MEC 架構連接示意圖

UPF 是ETSI 與3GPP 網絡架構融合的關鍵點，MEC由ETSI 和3GPP 共同制定標準，5G 是MEC 發展的先決條件，因此5G UPF 可以獨立存在同時也可以做到數據本地分流實現超低時延、上行大帶寬業務能力滿足垂直行業對網絡超低時延、超高帶寬以及安全等方面的訴求。并且當前MEC 產業鏈不成熟，成本相比UPF 過于高昂，盈利模式不清晰，各項業務提供、業務運營和業務使用對象均尚處于初始狀態，突破當前低效盈利尷尬狀態決定著MEC 產業未來的發展[4]。

3 5G UPF專網搭建

3.1 業務需求設計

實現鋼鐵冶煉區域無人化生產需要，整體端到端時延根據不同的業務類型被限制在10 ms～50 ms 之間，業務上行帶寬設計需求在500 Mb/s～900 Mb/s。在空口方面，5G 網絡通過靈活幀結構實現上行搶占性調度、上行免授權調度等一系列新技術減少空口傳輸時延。而在后端網絡架構側，降低端到端時延的最主要方法就是減少信號的傳輸距離、路由跳數，相應的技術方案為網關下沉[5]。而下沉的UPF 與本地服務器相連通，直接達到降低通信時延的目的。冶煉區域屬于復雜危險的作業環境，造成工廠勞力成本急劇增加，“增產降耗”已經作為此類企業智慧化升級的第一需求。改變在噪聲、粉塵、高溫的現場進行人工三班倒操作，以及職工工作環境和工作時延、工作狀態、效率無法保障現狀，企業目標在于人力替換，實現毫秒級操作時延，完成對人力的替代，杜絕因人為事故引發的停產。并且在鋼鐵企業機房部署UPF服務器，同時通過定制化5G 基站形成生產區域5G 網絡覆蓋，實現遠程操控、精準操控。如圖2 所示，當前鋼鐵冶煉生產區域天車系統由采集器(掃描儀、測距儀、編碼器、攝像頭)+5G 網絡+PLC 控制器三部分組成，通過掃描儀采集水平方向信息、編碼器采集垂直方向信息、測距儀采集距離信息，獲取周邊物料、坑料、車輛、車斗高度及裝卸位置信息和畫面，通過5G 定制基站實時將采集數據傳輸至UPF 本地服務器端進行數據處理(時延低至10 ms)。會話流程(PDU Session)由目標終端發起創建請求，目標終端向AMF 發送的NAS 消息中包含PDU Session 的基礎數據，同時無線基站側(RAN)在目標終端發送給AMF 的NAS 信息中插入用戶位置信息和訪問類型信息用于用戶面UPF 錨點的選取。AMF 接收到PDU Session創建請求后，對攜帶數據進行分析，基礎數據中不包含S-NSSAI 時，選擇默認切片；當攜帶數據中包含S-NSSAI，不包含DNN 時，且此時用戶簽約信息中對應S-NSSAI有默認DNN，根據用戶簽約信息中選擇默認DNN；否則AMF 為S-NSSAI 選擇本地配置DNN。如果攜帶DNN 是網絡不支持的DNN，AMF 對會話建立請求拒絕服務。AMF 根據PDU Session 創建請求中的DNN、S-NSSAI 信息從備選的SMF 列表中選擇對應的SMF。SMF 接收PDUSession_CreateSMContext 請求后，SMF 使 用PDU Session 創建攜帶基礎數據和所關聯企業本地UPF 作為錨點建立數據鏈路進行數據傳輸。其中5G 對于PDU Session 選擇錨點最重要的是PDU Session 所指向的DN的APN 和用戶簽約信息中APN 權限訪問數據[6]。工廠部署邊緣一體式增強UPF 包含UPF PSA1、UPF PSA2、ULCL UPF 功能，其中UPF PSA1 為主錨點，專網目標終端(5G 采集器)注冊創建會話分配目標終端IP(分為固定IP、動態IP)地址，通過N6 接口對接公網。在ULCL UPF環節，通過N9 接口接收來自ULCL UPF 上行報文。UPF PSA2 為輔錨點，通過N6 接口對接廠區網絡，實現采集器數據與本地園區內網數據互通[7]。ULCL UPF 本職實現上行數據分流，對分流后的下行數據進行聚合，通過N9 和N6 接口對接本地數據庫，同時所有公網和工廠園區下行數據都匯總到ULCL UPF 發給目標終端。其中廠區內所有數據以IP 為匹配規則，固定段IP 默認為專網，非固定IP 默認為公網業務，專網數據傳輸路徑如下：

圖2 5G UPF專網示意圖

(1)上行5G 采集器數據：目標終端-＞RAN-＞ULCL UPF-＞UPF PSA2-＞本地園區。

(2)下行公網、本地網絡下發數據：目標終端＜-RAN＜-ULCL UPF＜-UPF PSA2＜-本地園區。

(3)非專網數據傳輸路徑如下：

①上行辦公網絡數據：目標終端-＞RAN-＞ULCL UPF-＞UPF PSA1-＞公網；

②下行辦公、日常業務數據：目標終端＜-RAN ＜-ULCL UPF＜-UPF PSA1＜-公網。

廠區內所有定制SIM 卡用戶附著激活后由SMF 根據獨立DNN 選擇廠區UPF 為主錨點，對邊緣業務進行廠區本地流量卸載。專網SIM 卡采用固定IP 和動態IP 相結合的IP 地址分配方式。固定IP 用戶IP 地址由UDM分配，動態IP 地址用戶IP 地址由UPF 分配，能夠滿足天車群控、加裝機器人調控動態IP 分配，高清數據監控、智慧照明等固定IP 分配，實現生產車間所有聯動組網，一套網絡整合降低運維成本，提高各個應用場景的部署靈活性。如表2 所示，對比傳統Wi-Fi、藍牙、專線通信在低時延、切換、容量方面的不足，5G專網實現同一覆蓋區域內所有設備超低時延接入來完成遠程控制，同時輔助高精度視頻采集與AI 數據同步分析系統實現同一區域內高精度生產，鋼鐵生產質量更高。鋼鐵制造廠高溫危險作業區域多，實現生產區域內實現多設備無線接入，降低人員工作巡檢面臨安全風險、避免安全生產事故、減少人員現場作業，通過5G專網無線接入實現高清實時視頻監控，同時通過云技術協同進行AI預測，確保實時準確掌握生產現場關鍵動態，提前干預，避免安全事故。

表2 UPF專網下生產效率提升對比

3.2 業務成本控制

如圖3 所示，隨著國內各個5GC 和本地數據中心建設逐步完善，UPF 作為實現超低時延業務關鍵一環，已經延伸出4 種模式，總體部署方式分為大區中心UPF、區域中心UPF、城市UPF、企業園區UPF。根據目標行業實質性需求，選擇低成本、可靠的專網分流方案實現運營成本最低化，初期可通過共享式，最大化覆蓋2B 用戶，在初期確保投資效率，部署在運營商機房，硬件以及運維條件都已具備，有利于業務快速展開。邊緣增強型一體化UPF 同時具備計算和連接能力滿足企業訴求，實現極簡運維一站式服務。后期隨著業務模型固定以及高質量企業客戶需求進行入園式部署，進一步強化UPF專網體驗。

圖3 5G UPF 部署方式示意圖

大區級、區域級UPF 通常部署于省會城市或者地市級區域，主要承載地市區域范圍的用戶面業務，包括互聯網訪問、音視頻以及本地企業業務等。區域級UPF 與現網5G 核心網融合，運營商通過QoS、DNN 定制和切片等技術，為行業客戶提供端到端差異化保障的網絡連接、行業應用等服務。同時，基于5G專網原子能力進行了行業屬性的封裝預置，適用于為行業客戶提供該行業專屬化服務的場景。此類UPF 部署模式具有廣域跨省、業務加速、公專協同、業務隔離的差異化特征，通過切片、DNN 定制來區分數據網絡和路由隔離，通過高質量的專線隔離保障用戶業務體驗，同時支持單卡多DNN 定制、支持定向訪問的在線編排[8]。

邊緣級UPF 通常部署于區縣邊緣，應對高帶寬、時延敏感、數據機密性強等業務。將UPF 下沉到移動邊緣節點，可基于數據網絡標識(Data Network Name，DNN)或IP 地址等識別用戶，并根據分流策略對用戶流量進行分流，對需要本地處理的數據流進行本地轉發和路由，避免流量迂回，降低數據轉發時延，提升用戶體驗。此類UPF 主要面向中小型企業用戶同時對網絡信息化需求較高且需要分擔成本問題，UPF 部署在運營商鄰近機房[7]。根據客戶需求和業務特征，可以選擇獨享或與其他企業共享UPF。在同一切片內，通過定制DNN 來區分數據網絡和路由隔離，提供差異化的SLA，保障用戶業務安全。邊緣級UPF 在部署運維上可通過軟硬件預裝、自動納管、配置自動下發等方式實現設備即插即用。在正常運維中，可通過EMS 進行集中配置下發和運維管理，邊緣級UPF 下沉部署，通過N4 接口對接中心的SMF，需要考慮N4 接口安全，一般可以通過將N4 接口劃分成獨立的網絡平面，或者通過部署防火墻/IPSEC 進行安全策略增強。

企業級UPF 部署于企業機房，充分利用超級上行、干擾規避、5G 網絡切片和邊緣計算等技術，按需定制專用基站、專用頻率和專用園區級UPF 等專用網絡設備，為企業客戶提供一張隔離的、端到端高性能的專用接入網絡，同時可以按需定制MEC 與行業應用，對專網提供專屬運維支撐服務。同時，生產數據能夠在園區內閉環，與公眾網數據安全隔離，確保生產的安全可靠[9]。總體而言，企業級UPF 需要解決起步成本高、設備功能復雜、部署和運維難度高等問題，還需要滿足輕量化的最簡部署，功能更有針對性，可以根據場景需求靈活搭配，并且實現出廠預安裝、現場開箱即用，同時支持本地運維和遠程運維等特性。因此，針對特殊行業如鋼鐵冶金、港口、煤礦等綜合立體型制造企業，利用5G專網實現信息化改造越級式發展，有利于傳統作業模式實現自動化生產。

4 結論

根據企業實際業務需求定制化5G專網能夠快速縮短信息化改造時效，第四次工業革命是我國由工業大國轉向工業強國的重要轉折點，而新一代信息通信技術演進是實現企業轉型避免市場淘汰的關鍵。UPF專網下沉極大加快當前5G 與工業生產融合創新發展，進而推動制造業從單點、局部的信息技術應用向全行業、生產面數字化、網絡化和智能化轉變，為建設制造強國、網絡強國提供有力支撐。本研究通過經驗復制，針對不同產業實現網絡定制一體化，可快速實現5G 與工業互聯網融合創新，強化生產制造核心環節智能化、安全化，不斷釋放市場迭代效應。