5G边缘UPF专网钢铁智造应用研究

叶会标，沈国强，樊忠文

(中国电信股份有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310020)

0 引言

工业信息化是当前我国由传统工业制造大国向工业制造强国转变的关键举措，中国钢铁产量长期占据全球50%以上产能，但是生产效率低于行业平均水平，伴随5G 新基建起步，以5G 布局助力工业智能制造发展逐渐清晰。传统钢铁制造业通信网络构建严重依赖固网专线、无线工业Wi-Fi、蓝牙短距通信等多制式网络，但随着钢铁行业各个生产设备接入环网需求量增加，传统拉网布线已经难以满足苛刻生产环境下设备接入需求的快速增长[1]。因此，钢铁制造领域极需能够满足大数据传输、稳定可靠、海量接入、生产数据可控的网络信息化方式来实现一体化信息布局，增强工业制造实力。第五代通信技术(5G)凭借其增强移动宽带、海量机器类通信、超可靠低时延通信功能特性，将极大地适配当前生产需求，5G 新网元UPF 通过灵活部署方式实现当前超低时延业务可行性，同时进一步延伸边缘计算业务，来达到生产办公数据通信统一化[2]。

1 钢铁行业通信需求

数字透明化生产是当前传统制造业改造方向，随着人力综合成本抬升、产能和环保平衡发展需要、高架空、高危险源作业环境(高温/粉尘/噪音/有害气体)等实时监控、远程控制需求对网络带宽需求在短期内急剧增长。以传统钢铁锻造区域为例，废钢吊运天车作业等重点作业流程自动化、信息化严重不足，危险区域管控不足；高温/蒸汽等危险源多，监管不够或者设备老化导致监管危险源视频质量差，监管效果不足。传统无线AP仅支持单向认证安全性差且加密算法简单易破解，频谱是公共资源，受外界干扰下性能衰减快，同时安全问题频发。AP 间干扰严重速率和接入用户数没有保证，难以达到大带宽接入，没有切换保证机制，经常源AP 掉死后在新AP 重新连接时延过长。同时企业自己部署Wi-Fi专网，在性能上无法满足高可靠、低时延需求。光缆专线虽然有高稳定性特性，但是面对多终端接入，移动性业务场景下业务支持度较低。蓝牙短距通信在面对大带宽业务场景明显支撑能力不足，同时传输距离受终端收发能力限制，应用范围极为有限。如表1 所示冶炼区域远程天车针对不同业务实际下对网络带宽、时延需求，精确的网络带宽时延设计才能保证金属冶炼的准确性和可靠性，同时随着自动控制技术的发展，对控制精度和控制品质提出了较高的要求，需要对大型冶炼信息化控制系统进行改进设计，实现金属冶炼过程的信息化处理、远程管理控制和信息加工。

表1 冶炼区天车对网络能力需求

2 5G UPF专网功能实现

2.1 UPF 定义与功能

UPF 是3GPP 协议定义下5G 核心网的用户面，承载数据流量，负责在无线接入网和Internet 之间转发流量、报告流量使用情况、QoS 策略实施等，相当于4G 时代SGW-U 和PGW-U 角色。在5G 网络架构中，应用CUPS(Control and User Plane Separation)架构将核心网的C 面和U 面实现彻底分离，U 面功能由UPF 独立担当，用户面功能实现去中心化。随着用户面网关功能独立，可根据业务场景需要为其选择部署位置，实现业务分布式部署，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户的边缘DC。这取决于垂直行业对网络的要求，如时延、带宽、可靠性等。譬如在低时延场景中(如自动驾驶)，用户面UPF 需要更靠近用户，部署在边缘位置，实现下沉式部署。

2.2 UPF 替换MEC 降低成本

如图1 所示，UPF 作为5G 网络和多接入边缘计算(MEC)之间的连接锚点，所有核心网数据必须经过UPF转发才能流向外部网络，因此MEC 业务实现必须是以UPF 分流为基础。而MEC 是5G 业务应用面向更加宽广的标志。MEC 解决方案通过UPF 实现与3GPP 数据面的集成，通过NEF 实现与3GPP 控制面的集成。MEC 属于一种超前商业概念，ETSI 定义了MEC 的商业框架，包含软件架构、应用场景和API 接口。MEC 出现的目的是满足云应用在本地闭环、移动网络分布式下沉以及终端算力提升所形成的连接+计算的融合汇聚节点[3]。

图1 UPF 与MEC 架构连接示意图

UPF 是ETSI 与3GPP 网络架构融合的关键点，MEC由ETSI 和3GPP 共同制定标准，5G 是MEC 发展的先决条件，因此5G UPF 可以独立存在同时也可以做到数据本地分流实现超低时延、上行大带宽业务能力满足垂直行业对网络超低时延、超高带宽以及安全等方面的诉求。并且当前MEC 产业链不成熟，成本相比UPF 过于高昂，盈利模式不清晰，各项业务提供、业务运营和业务使用对象均尚处于初始状态，突破当前低效盈利尴尬状态决定着MEC 产业未来的发展[4]。

3 5G UPF专网搭建

3.1 业务需求设计

实现钢铁冶炼区域无人化生产需要，整体端到端时延根据不同的业务类型被限制在10 ms～50 ms 之间，业务上行带宽设计需求在500 Mb/s～900 Mb/s。在空口方面，5G 网络通过灵活帧结构实现上行抢占性调度、上行免授权调度等一系列新技术减少空口传输时延。而在后端网络架构侧，降低端到端时延的最主要方法就是减少信号的传输距离、路由跳数，相应的技术方案为网关下沉[5]。而下沉的UPF 与本地服务器相连通，直接达到降低通信时延的目的。冶炼区域属于复杂危险的作业环境，造成工厂劳力成本急剧增加，“增产降耗”已经作为此类企业智慧化升级的第一需求。改变在噪声、粉尘、高温的现场进行人工三班倒操作，以及职工工作环境和工作时延、工作状态、效率无法保障现状，企业目标在于人力替换，实现毫秒级操作时延，完成对人力的替代，杜绝因人为事故引发的停产。并且在钢铁企业机房部署UPF服务器，同时通过定制化5G 基站形成生产区域5G 网络覆盖，实现远程操控、精准操控。如图2 所示，当前钢铁冶炼生产区域天车系统由采集器(扫描仪、测距仪、编码器、摄像头)+5G 网络+PLC 控制器三部分组成，通过扫描仪采集水平方向信息、编码器采集垂直方向信息、测距仪采集距离信息，获取周边物料、坑料、车辆、车斗高度及装卸位置信息和画面，通过5G 定制基站实时将采集数据传输至UPF 本地服务器端进行数据处理(时延低至10 ms)。会话流程(PDU Session)由目标终端发起创建请求，目标终端向AMF 发送的NAS 消息中包含PDU Session 的基础数据，同时无线基站侧(RAN)在目标终端发送给AMF 的NAS 信息中插入用户位置信息和访问类型信息用于用户面UPF 锚点的选取。AMF 接收到PDU Session创建请求后，对携带数据进行分析，基础数据中不包含S-NSSAI 时，选择默认切片；当携带数据中包含S-NSSAI，不包含DNN 时，且此时用户签约信息中对应S-NSSAI有默认DNN，根据用户签约信息中选择默认DNN；否则AMF 为S-NSSAI 选择本地配置DNN。如果携带DNN 是网络不支持的DNN，AMF 对会话建立请求拒绝服务。AMF 根据PDU Session 创建请求中的DNN、S-NSSAI 信息从备选的SMF 列表中选择对应的SMF。SMF 接收PDUSession_CreateSMContext 请求后，SMF 使 用PDU Session 创建携带基础数据和所关联企业本地UPF 作为锚点建立数据链路进行数据传输。其中5G 对于PDU Session 选择锚点最重要的是PDU Session 所指向的DN的APN 和用户签约信息中APN 权限访问数据[6]。工厂部署边缘一体式增强UPF 包含UPF PSA1、UPF PSA2、ULCL UPF 功能，其中UPF PSA1 为主锚点，专网目标终端(5G 采集器)注册创建会话分配目标终端IP(分为固定IP、动态IP)地址，通过N6 接口对接公网。在ULCL UPF环节，通过N9 接口接收来自ULCL UPF 上行报文。UPF PSA2 为辅锚点，通过N6 接口对接厂区网络，实现采集器数据与本地园区内网数据互通[7]。ULCL UPF 本职实现上行数据分流，对分流后的下行数据进行聚合，通过N9 和N6 接口对接本地数据库，同时所有公网和工厂园区下行数据都汇总到ULCL UPF 发给目标终端。其中厂区内所有数据以IP 为匹配规则，固定段IP 默认为专网，非固定IP 默认为公网业务，专网数据传输路径如下：

图2 5G UPF专网示意图

(1)上行5G 采集器数据：目标终端-＞RAN-＞ULCL UPF-＞UPF PSA2-＞本地园区。

(2)下行公网、本地网络下发数据：目标终端＜-RAN＜-ULCL UPF＜-UPF PSA2＜-本地园区。

(3)非专网数据传输路径如下：

①上行办公网络数据：目标终端-＞RAN-＞ULCL UPF-＞UPF PSA1-＞公网；

②下行办公、日常业务数据：目标终端＜-RAN ＜-ULCL UPF＜-UPF PSA1＜-公网。

厂区内所有定制SIM 卡用户附着激活后由SMF 根据独立DNN 选择厂区UPF 为主锚点，对边缘业务进行厂区本地流量卸载。专网SIM 卡采用固定IP 和动态IP 相结合的IP 地址分配方式。固定IP 用户IP 地址由UDM分配，动态IP 地址用户IP 地址由UPF 分配，能够满足天车群控、加装机器人调控动态IP 分配，高清数据监控、智慧照明等固定IP 分配，实现生产车间所有联动组网，一套网络整合降低运维成本，提高各个应用场景的部署灵活性。如表2 所示，对比传统Wi-Fi、蓝牙、专线通信在低时延、切换、容量方面的不足，5G专网实现同一覆盖区域内所有设备超低时延接入来完成远程控制，同时辅助高精度视频采集与AI 数据同步分析系统实现同一区域内高精度生产，钢铁生产质量更高。钢铁制造厂高温危险作业区域多，实现生产区域内实现多设备无线接入，降低人员工作巡检面临安全风险、避免安全生产事故、减少人员现场作业，通过5G专网无线接入实现高清实时视频监控，同时通过云技术协同进行AI预测，确保实时准确掌握生产现场关键动态，提前干预，避免安全事故。

表2 UPF专网下生产效率提升对比

3.2 业务成本控制

如图3 所示，随着国内各个5GC 和本地数据中心建设逐步完善，UPF 作为实现超低时延业务关键一环，已经延伸出4 种模式，总体部署方式分为大区中心UPF、区域中心UPF、城市UPF、企业园区UPF。根据目标行业实质性需求，选择低成本、可靠的专网分流方案实现运营成本最低化，初期可通过共享式，最大化覆盖2B 用户，在初期确保投资效率，部署在运营商机房，硬件以及运维条件都已具备，有利于业务快速展开。边缘增强型一体化UPF 同时具备计算和连接能力满足企业诉求，实现极简运维一站式服务。后期随着业务模型固定以及高质量企业客户需求进行入园式部署，进一步强化UPF专网体验。

图3 5G UPF 部署方式示意图

大区级、区域级UPF 通常部署于省会城市或者地市级区域，主要承载地市区域范围的用户面业务，包括互联网访问、音视频以及本地企业业务等。区域级UPF 与现网5G 核心网融合，运营商通过QoS、DNN 定制和切片等技术，为行业客户提供端到端差异化保障的网络连接、行业应用等服务。同时，基于5G专网原子能力进行了行业属性的封装预置，适用于为行业客户提供该行业专属化服务的场景。此类UPF 部署模式具有广域跨省、业务加速、公专协同、业务隔离的差异化特征，通过切片、DNN 定制来区分数据网络和路由隔离，通过高质量的专线隔离保障用户业务体验，同时支持单卡多DNN 定制、支持定向访问的在线编排[8]。

边缘级UPF 通常部署于区县边缘，应对高带宽、时延敏感、数据机密性强等业务。将UPF 下沉到移动边缘节点，可基于数据网络标识(Data Network Name，DNN)或IP 地址等识别用户，并根据分流策略对用户流量进行分流，对需要本地处理的数据流进行本地转发和路由，避免流量迂回，降低数据转发时延，提升用户体验。此类UPF 主要面向中小型企业用户同时对网络信息化需求较高且需要分担成本问题，UPF 部署在运营商邻近机房[7]。根据客户需求和业务特征，可以选择独享或与其他企业共享UPF。在同一切片内，通过定制DNN 来区分数据网络和路由隔离，提供差异化的SLA，保障用户业务安全。边缘级UPF 在部署运维上可通过软硬件预装、自动纳管、配置自动下发等方式实现设备即插即用。在正常运维中，可通过EMS 进行集中配置下发和运维管理，边缘级UPF 下沉部署，通过N4 接口对接中心的SMF，需要考虑N4 接口安全，一般可以通过将N4 接口划分成独立的网络平面，或者通过部署防火墙/IPSEC 进行安全策略增强。

企业级UPF 部署于企业机房，充分利用超级上行、干扰规避、5G 网络切片和边缘计算等技术，按需定制专用基站、专用频率和专用园区级UPF 等专用网络设备，为企业客户提供一张隔离的、端到端高性能的专用接入网络，同时可以按需定制MEC 与行业应用，对专网提供专属运维支撑服务。同时，生产数据能够在园区内闭环，与公众网数据安全隔离，确保生产的安全可靠[9]。总体而言，企业级UPF 需要解决起步成本高、设备功能复杂、部署和运维难度高等问题，还需要满足轻量化的最简部署，功能更有针对性，可以根据场景需求灵活搭配，并且实现出厂预安装、现场开箱即用，同时支持本地运维和远程运维等特性。因此，针对特殊行业如钢铁冶金、港口、煤矿等综合立体型制造企业，利用5G专网实现信息化改造越级式发展，有利于传统作业模式实现自动化生产。

4 结论

根据企业实际业务需求定制化5G专网能够快速缩短信息化改造时效，第四次工业革命是我国由工业大国转向工业强国的重要转折点，而新一代信息通信技术演进是实现企业转型避免市场淘汰的关键。UPF专网下沉极大加快当前5G 与工业生产融合创新发展，进而推动制造业从单点、局部的信息技术应用向全行业、生产面数字化、网络化和智能化转变，为建设制造强国、网络强国提供有力支撑。本研究通过经验复制，针对不同产业实现网络定制一体化，可快速实现5G 与工业互联网融合创新，强化生产制造核心环节智能化、安全化，不断释放市场迭代效应。