基于边缘UPF 下沉的5G 定制网在电子制造业的应用

［文旭桦 鄢欢 肖荣奋 王成英 陈斯伟］

1 引言

生产制造信息化正全方位的改变的生产的形态，提升生产的效率，其中以工业互联网为甚。但由于企业云网等信息化基础设施不足，底层网络架构调整过程复杂、影响生产，管理者看待信息化的观念保守落后，信息化实施人员视野受限等不利因素的存在，目前电子制造行业的信息化存在着诸多问题，如：多信息化系统并存，数据难归集、呈现散，决策难；大型制造企业数据敏感度高，泄露风险大；设备类型多样化，互通难、壁垒高；网络形态多样、速率低、不稳定，改造复杂风险大，给企业进一步提升产品质量，加快产线效率，实现更大范围的信息化和自动化带来了挑战，一系列新型智能化应用和一张支持全连接高速网络的使用迫在眉睫。

2 电子制造业5G 定制网需求分析

2.1 电子制造业新型智能化应用需求

电子制造业针对目前存在的痛点，需要在多个场景实现新型智能化应用，如以下一些场景。

已经在生产领域广泛应用的AGV，目前存在电磁感应AGV 轨道固定移动路径变成本高，激光传感AGV 受环境影响因素较大，WIFI 网络不稳定、时延大，需要升级为基于视觉实时分析的AGV。

对于流水线上逐步使用的机器视觉系统，多数为单机设备，无法与产线上其他系统协同联动，柔性化差，需升级为可以云化部署并易于在柔性制造场景使用的机器视觉平台。

目前的数据采集平台，多为单机单系统部署，获取方式落后，采集实时性差，容易形成数据孤岛，需要更灵活更实时高效的统一数据采集平台，打破各条产线的壁垒。

此外，在疫情防控常态化的现状下，一些基于高清视频的智能应用也逐步成为企业的刚需，如综合智能安防、高清视频监控、AR 远程维护/巡检、VR 实训教学等。

2.2 新型智能应用的网络需求

上述智能应用对网络时延、上下行速率等指标均有较高的需求，如表1 所示。

表1 电子制造业智能化应用网络需求模型

由表1 可见，上述应用的共同对要求均为移动性、高带宽、低时延。对于企业客户而言，生产运营数据的安全性同样至关重要，因此所有数据要尽可能不出园区，不能暴露在公网之中。因此建设一张能够实现企业自主管理维护，全流程全要素定制、多业务融合承载、云网能力有效协同、高速泛在、端到端安全可控的移动网络，是电子制造企业升级迈向高端制造必经之路。5G 定制网的特性，与企业的网络需求高度符合，已成为众多企业升级改造的必选项。

另一方面，由于5G 终端价格较高，从企业效益出发，对于对带宽时延要求不高的场景，企业希望网络同样能够支持价格低廉的4G 模组，以期用较小的投入实现更全面的生产要素连接。因此，定制网在满足5G 接入的基本需求以外，为4G 设备服务也同样是刚需。

3 边缘UPF 功能特性

3.1 UPF 介绍及下沉方式组网

5G 定制网是运营商根据客户需求，将部分网络资源提供给客户专用的一类组网模式。按照提供给客户专用核心网设备数量，5G 定制网可以分为：核心网网元完全共享、部分核心网网元独享、核心网完全独享3 种架构，中国三大运营商据此分别设计了对应的产品。为满足高带宽、低时延、高安全的网络需求，必须将网元就近下沉。综合权衡网络资源需求和建设运营成本，部分核心网网元独享架构成为目前多数企业的选择。

如图1 所示，5G 核心网已将控制面与用户面分离，而客户的应用数据只需经过用户面。因此在部分核心网网元独享架构的5G 定制网中，只需给客户独享数据面设备UPF。UPF（User Plane Function，用户面功能）是5G 定制网关键网元，能够将客户上层应用数据就近分流至客户，达到提高传输带宽，减少时延并与公网完全隔离。UPF 作为5G 核心网的用户面网元，主要功能是响应SMF 请求，作为RAN 与DN 之间的联接点，也作为PDU 会话锚点负责完成用户面上GTP-U 协议的封装与解封装，完成用户面门控、重定向、流量转向等策略规则的实施。

图1 5G 核心网架构

运营商机房内，也可以根据客户需求和业务特征，直接部署于企业园区的机房内，其全部功能和分流流量由客户独享。由此实现了企业应用数据在本地闭环不出园，高带宽应用使用流畅无卡顿，控制类应用实时反馈时延短。与此前集中部署在运营商核心网不同，部署在核心网边缘，用于支持具体客户5G 需求的，称为边缘UPF。边缘UPF下沉部署，是5G 定制网满足客户需求的关键。

3.2 边缘UPF 功能特性

边缘UPF 可按需部署在企业园区或边缘DC，提供本地分流服务，满足行业用户高带宽、低时延、可靠性高、部署简单的需求。为保障业务高可用，边缘UPF 需要支持双活双备。边缘UPF 的标准功能如下。

① 会话管理：支持PDU 会话建立、修改、删除和信息上报等；

② ULCL 数据分流：支持根据IP 五元组对UE 上行报文进行分流；

③ 隧道管理：支持SMF 和UPF 分配F-TEID；

④ 数据转发与路由：支持用户面数据转发和缓存功能；

⑤ QoS 控制：支持QoS 参数配置与修改、SMF 下发QoS 参数等；

⑥ IP 地址分配：支持SMF 和UPF 分配IP地址；

⑦ 策略执行：支持PDR、FAR、BAR、QER 和URR 的接收与执行；

⑧ 移动性管理：支持基于Xn 和X2 接口的切换。

基于边缘UPF 下沉的5G 定制网组网方案如图2 所示。边缘UPF 下沉部署于运营商边缘机房或客户机房，通过N3、N4、N6 接口与其他网元互通。

N3 为UPF 与5G NR 互通的接口，使用GTP-U 协议。N4 作为UPF 与大网SMF 互通的接口，在控制面使用PFCP 协议传输信令，同时也可以使用GTP-U 协议传输SMF 需要通过UPF 接收或发送的数据。N6 是UPF 与外部DN 互通接口，一般基于IP 与DN 网络通信，也可根据需要支持L2/L3 层隧道。对于园区类客户，其内网数据一般不需与公网互通，因此不对接N9 接口。

大网SMF 根据客户终端的专用DNN，选择边缘UPF对终端的数据流量进行承载，并通过N6 接口直接转发至客户应用平台，从而实现了客户业务数据的园区内分流，满足了客户应用高带宽、低时延以及不出公网的要求，如图2 所示。

图2 基于边缘UPF 下沉的5G 定制网组网

考虑到客户的安全需求，边缘UPF 对设备及网络安全极其重视，形成了网元内生安全与大网安全联合防护的融合安全架构。

边缘UPF 内生安全防护，针对硬件资源层、平台层、数据层和应用层可能承受的安全风险，从数据保护、安全隔离、权限控制、安全部署等维度提供相应的防护措施，包括：

组网安全：项目方案需确保数据不出厂区；

网络隔离：边缘UPF 与所有出口部署防火墙，并配置ACL；

系统安全：数据面与信令面、管理面互相隔离，保证N3 口传输的用户数据的完整性、机密性和防重放攻击。

业务安全：可对DOS 攻击进行防范；可配置包过滤规则（访问控制列表）并据此对终端数据报文进行过滤。

此外边缘UPF 可与大网安全有效联动，实现移动恶意程序监控、移动上网日志留存、统一DPI 等能力。

4 部署案例

基于边缘UPF 下沉的5G 定制网部署在电子制造领域，能够充分满足智能应用的网络需求，较好的支撑了企业的转型升级需求，下面以运营商自研的一款UPF——URANUS 系列为例进行描述。URANUS 系列商用以来，已在全国近30 省市部署超100 个案例，其中电子制造领域超过了20 个案例。该系列有10G/20G/50G 吞吐量3 种规格，一套产品由2 台通用服务器，2 台业务交换机组成，在满足承载多个移动性应用、高带宽、低时延、高安全的基础上，还通过定制化开发，较好地满足了客户的个性化需求。

某PCB 电路板企业需在其新建厂房建设无线网络以支撑其产线上的AGV 调度系统运行。传统的Wi-Fi 网络质量不稳定，时延大，存在安全隐患，在网络无法连续覆盖的区域AGV 小车经常中断。

新的解决方案如图3 所示，将边缘UPF 下沉部署至靠近客户，将AGV 调度平台部署于MEC 中，打造一张高稳定、低时延、高安全的5G 专网，保障了应用平稳高速运行。未来该企业还将部署基于5G 的视频监控及机器视觉检测等应用，打造“基于边缘云的智慧工厂应用”，实现5G 与工业内网的深度融合，构建数字化孪生工厂。

图3 某PCB 企业的5G 定制网组网

某LED 芯片企业目前有线网络走线复杂，现场环境混乱，网络难以配套柔性产线，需要进行超1 000 台焊线及固晶机床“剪辫子”。传统的方式依然为采用Wi-Fi，但这种方案网络时延大，数据顺序混乱，无法对设备远程控制，同时易受环境影响，传输质量不稳定，数据回传易丢包。

如图4 所示通过边缘UPF 下沉，为客户部署5G 定制网，提供稳定、可靠、高质量无线网络，低时延、高可靠网络满足设备精准管理需求，有利于企业柔性制造敏捷部署，快速投产。此外，由于生产机床本身无法通过增加5G 模组进行5G 化改造，所有机床均通过5G CPE 与UPF建立的GRE 隧道，通过5G 定制网透传，将机床原有的内网地址送达客户内网，顺利实现原有企业内网的“剪辫子”。经定制网部署前后对比，企业新流程上线所需调整时间大幅缩短45%，可靠性较固网未发生明显变化。边缘UPF 部署后进行时延测试，采用边缘UPF 方案比采用大网UPF，时延平均降低22.2%。

图4 某LED 芯片企业的5G 定制网组网

5 结束语

5G 定制网赋能垂直行业已进入深度融合阶段，边缘UPF 是运营商高质量建设5G 定制网，进而切入电子制造业的信息化领域的重要抓手。边缘UPF 下沉部署，让运营商自主掌握5G 定制网的关键环节，从而快速响应市场，更好的满足客户的个性化需求，帮助客户提升生产运营效率，加速电子制造业转型升级，尽早实现科技自立自强。