牛園園

【摘要】 ? ?隨著5G技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)作為信息技術(shù)的重要組成部分也得到了快速發(fā)展，為萬(wàn)物智聯(lián)提供堅(jiān)實(shí)技術(shù)保障。本文利用5G技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，基于MEC邊緣云技術(shù)，提出了智慧工廠的解決方案，并在馬鋼熱電總廠CCPP項(xiàng)目中進(jìn)行實(shí)踐和探索，為5G技術(shù)在傳統(tǒng)行業(yè)中的應(yīng)用提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】 ? ?5G網(wǎng)絡(luò) ? ?MEC邊緣云技術(shù) ? ?物聯(lián)網(wǎng) ? ?移動(dòng)通信

前言

5G 網(wǎng)絡(luò)是指的第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，相較于第四代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，它擁有更極致的體驗(yàn)，上行數(shù)據(jù)的速度超過(guò)10Gbps，但是下行數(shù)據(jù)的速度卻小于20Gbps，。5G不但可以大幅度降低延時(shí)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體效率答復(fù)提高，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也變得更加簡(jiǎn)單，端到端延遲也將小于5毫秒以及每平方千米百萬(wàn)的連接數(shù)。不僅如此，5G技術(shù)將融入各行各業(yè)開(kāi)啟物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，它將和大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等一起迎來(lái)信息通訊時(shí)代的黃金10年。視頻領(lǐng)域、無(wú)人機(jī)領(lǐng)域、車聯(lián)網(wǎng)、智能農(nóng)業(yè)、智慧工廠、智能制造、智能電網(wǎng)、全球物流跟蹤系統(tǒng)、市政抄表等，都將隨著5G技術(shù)的發(fā)展而蓬勃發(fā)展。

1953年成立的馬鞍山鐵廠，這也是之后的馬鋼，又稱為馬鋼股份有限公司。馬鋼熱電總廠為了減少耗能，提高發(fā)電效率，為了能對(duì)煤氣資源將進(jìn)行更高效利用，準(zhǔn)備用煤氣置換出2臺(tái)高溫高壓天然氣鍋爐，另選場(chǎng)地重新修建1座183MW燃?xì)?-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站（簡(jiǎn)稱 CCPP）。為了提高生產(chǎn)的智能化和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用水平，2019年5月27日，馬鞍山聯(lián)通與馬鋼集團(tuán)成立“中國(guó)聯(lián)通5G創(chuàng)新中心馬鋼聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，確定組織架構(gòu)及工作方案，對(duì)鋼鐵生產(chǎn)領(lǐng)域和CCPP項(xiàng)目進(jìn)行5G實(shí)驗(yàn)和探索。

一、5G性能指標(biāo)及優(yōu)勢(shì)分析

5G網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的速率能達(dá)到10-20Gbps，比4G網(wǎng)絡(luò)提高了將近二十倍，用戶的體驗(yàn)速度將會(huì)達(dá)到0.1Gbps-1Gbps，速度快了數(shù)十倍。流量密度目標(biāo)值為10 Tbs/km2的5 G網(wǎng)絡(luò)比4 G網(wǎng)絡(luò)快100倍;網(wǎng)絡(luò)能源效率提高100倍。

5G可聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量為100萬(wàn)/km2，而4G的可聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量?jī)H為10萬(wàn)/km2，。在頻譜效率方面，5G相對(duì)于4G 提升了3-5倍;5G的端到端時(shí)延達(dá)到了1ms，同樣比第四代移動(dòng)通信快了十倍。在手機(jī)方面，5 G支持高達(dá)500 km/h時(shí)速的通信環(huán)境速度提高了1.43倍。

為滿足對(duì)5 G性能指標(biāo)的要求，5 G將結(jié)合毫米波通信技術(shù)、D2D、新的多地址技術(shù)、超密集組網(wǎng)技術(shù)、大規(guī)模多天線技術(shù)與新的信息編碼技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。此外，5 G的解決方案將采取全新的架構(gòu)：允許邏輯上獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)集合在一個(gè)通用物理信息基礎(chǔ)架構(gòu)上，又稱“網(wǎng)絡(luò)切片”。可以根據(jù)垂直行業(yè)的業(yè)務(wù)需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行定制，使5 G真正成為新一代全社會(huì)共享的信息基礎(chǔ)設(shè)施。

二、MEC邊緣云技術(shù)原理及應(yīng)用

隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)與大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、邊緣計(jì)算等技術(shù)深度融合，為智慧城市、社交媒體、智能制造、自動(dòng)駕駛等創(chuàng)新業(yè)務(wù)的發(fā)展注入新活力。MEC邊緣云實(shí)現(xiàn)了低延遲、高帶寬與本地化業(yè)務(wù)向網(wǎng)絡(luò)邊緣的下沉，是5 G數(shù)字化轉(zhuǎn)型與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的關(guān)鍵。數(shù)萬(wàn)個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)幫助運(yùn)營(yíng)商打開(kāi)了與 垂直和OTT行業(yè)合作的心新模式，同時(shí)也是5 G體驗(yàn)優(yōu)化的最后階段。

2.1 MEC邊緣云總體框架

基于以 DC為核心的全云化網(wǎng)絡(luò)，中國(guó)聯(lián)通構(gòu)建了 MEC邊緣云整體架構(gòu)，通信云與MEC邊緣云融合構(gòu)建。根據(jù)集約化部署要求，管理面區(qū)集中， DC之間采用 SDN組網(wǎng)完成管理功能和遠(yuǎn)程配置。邊緣云可以與私有云、公共云與通信云進(jìn)行互通，達(dá)成云邊的協(xié)同功能。

中國(guó)聯(lián)通對(duì)于邊緣云進(jìn)行整體布局當(dāng)中，依照集團(tuán)集約化的要求，將對(duì)大區(qū)集中進(jìn)行管理，業(yè)務(wù)也將更親近用戶，并且實(shí)現(xiàn)融合通信云建設(shè)。

省區(qū)域的DC：對(duì)MEC里面的管理面MEPM進(jìn)行部署，并且與MEAO集團(tuán)實(shí)現(xiàn)對(duì)接，MEPM管理本地所有以及邊緣業(yè)務(wù)，將業(yè)務(wù)刪除，維護(hù)以及開(kāi)通得以實(shí)現(xiàn)。

地級(jí)市邊緣DC ：通信云和邊緣型云共同使用IaaS平臺(tái)，邊緣云業(yè)務(wù)直接由MEAO/MEPM管理。邊緣云給予了與私有和公有云對(duì)接的功能，讓云邊協(xié)同得以實(shí)現(xiàn)。本地DC業(yè)務(wù)適用于對(duì)AR/VR、云游戲、VCDN和視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)的部署。

邊緣級(jí)的邊緣DC：為大型企業(yè)提供了數(shù)據(jù)延敏感業(yè)務(wù)以及數(shù)據(jù)本地化處理的部署。聯(lián)通提供了通用與專用硬件與輕量化ME-IaaS相結(jié)合的方案，主要是因?yàn)檫吘墮C(jī)房資源有限。邊緣DC使用的是即插即用、極簡(jiǎn)運(yùn)維與獨(dú)立自制，提供本地分流功能，符合智能場(chǎng)館、車聯(lián)網(wǎng)以及工業(yè)控制等部署業(yè)務(wù)。

中國(guó)聯(lián)通建立了 MEC邊緣云全國(guó)管理中心，重點(diǎn)部署 MEAO，實(shí)現(xiàn)了與通信云NFVO、OSS之間的對(duì)接，接受全網(wǎng)軟硬資源數(shù)據(jù)，提供統(tǒng)一LCM、統(tǒng)一配置、集中運(yùn)維與統(tǒng)一編排的分發(fā)功能。聯(lián)通邊緣云創(chuàng)建了統(tǒng)一能力的開(kāi)放性平臺(tái)，并能將統(tǒng)一性的界面和接口提供給第三方。同時(shí)，聯(lián)通 MEC邊緣云使用的架構(gòu)是SDN組網(wǎng)，對(duì)中心云以及邊緣云進(jìn)行統(tǒng)一管理，自動(dòng)部署基礎(chǔ)設(shè)施，為 VNF/APP按需動(dòng)態(tài)提取 IaaS資源，包括網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、計(jì)算，通過(guò)集中管理遠(yuǎn)程 SDN，整體運(yùn)維效率得到提高。

2.2 MEC邊緣云智慧工廠解決措施

作為工業(yè)智能化發(fā)展的重要模式，智慧工廠得到了業(yè)界的大力關(guān)注，智能工廠旨在通過(guò)工廠的信息化改造，提供高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保、舒適的人機(jī)有效交互，快速的幫助工廠提高生產(chǎn)效率和降低工廠運(yùn)營(yíng)管理成本。

將智慧工廠涉及到的智慧路燈、攝像頭監(jiān)控、智能巡檢小車等業(yè)務(wù)，通過(guò)MEC邊緣云業(yè)務(wù)平臺(tái)上的智能應(yīng)用系統(tǒng)接入，MEC服務(wù)器部署在廠區(qū)機(jī)房，基站與核心網(wǎng)之間鏈路支持bypass切換，實(shí)現(xiàn)本地業(yè)務(wù)分流的同時(shí)保護(hù)業(yè)務(wù)連續(xù)不中斷，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別需要處理的應(yīng)用數(shù)據(jù)，分流至應(yīng)用服務(wù)控制中心。

利用4/5G + MEC+物聯(lián)網(wǎng)的部署方式更加靈活，緩解了電力行業(yè)廠區(qū)內(nèi)線路施工維護(hù)的難度，有效節(jié)約創(chuàng)建費(fèi)用。與此同時(shí)，邊緣端的 AI應(yīng)用加載，提供了方便快捷的智能分析與統(tǒng)計(jì)，減少了管理部門的監(jiān)管壓力，數(shù)據(jù)利用4/5G網(wǎng)絡(luò)+MEC+物聯(lián)網(wǎng)的方式，數(shù)據(jù)不出廠區(qū)，安全性得到保障，搭載在邊緣側(cè)的應(yīng)用，比公有云響應(yīng)更為及時(shí)。

三、馬鋼CCPP項(xiàng)目5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)解決方案

3.1 項(xiàng)目組網(wǎng)方案

接入側(cè)設(shè)備，如監(jiān)控槍機(jī)、球機(jī)，廠內(nèi)電力巡檢機(jī)器人及各類數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過(guò)聯(lián)通室外型5G CPE接入5G專用基站，智慧照明系統(tǒng)利用NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)在單燈控制器內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)模組接入物聯(lián)網(wǎng)專用頻段，連接5G專用基站。經(jīng)IPRAN移動(dòng)承載網(wǎng)，利用L2VPN技術(shù)，數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入MEC服務(wù)器。應(yīng)用數(shù)據(jù)流量經(jīng)部署在廠區(qū)內(nèi)的應(yīng)用服務(wù)器處理，直接在客戶監(jiān)控中心進(jìn)行可視化展示。

圖1 ? ? 組網(wǎng)示意圖

3.2 5G基站建設(shè)方案

根據(jù)馬鋼熱電總廠CCPP項(xiàng)目業(yè)務(wù)需求，5G基站建設(shè)目標(biāo)為馬鋼熱電總廠CCPP項(xiàng)目應(yīng)用場(chǎng)景全覆蓋，全部使用5G宏站提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋。解決方案為新建3個(gè)聯(lián)通5G基站，利舊廠區(qū)南門20米外綠化帶內(nèi)存量鐵塔一個(gè)，CCPP主廠房樓頂新建9m拉線塔1座，北主控樓樓頂新建15米拉線塔，所有天線掛高大概在32米左右，每個(gè)基站約覆蓋300米左右的范圍。經(jīng)模擬測(cè)試，5G宏站覆蓋效果良好，下行速率平均在970Mbps，上行速率平均約96Mbps。根據(jù)本次應(yīng)用場(chǎng)景需求，本方案的按網(wǎng)絡(luò)帶寬預(yù)估使用率60%設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)帶寬冗余到達(dá)40%。

根據(jù)新建廠區(qū)施工圖，本項(xiàng)目建設(shè)面積近77500平方米，根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求與聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃安排，在光纜接通后確定基站具體建設(shè)方案。

3.3 光纜及局房配套資源建設(shè)方案

熱電廠內(nèi)無(wú)聯(lián)通光纜資源，附近的馬鋼力生分場(chǎng)聯(lián)通光交接間可提供光纜接入。從馬鋼力生分場(chǎng)聯(lián)通光交接間新建一條24芯光纜至馬鋼熱電總廠CCPP項(xiàng)目主控樓機(jī)房，具體實(shí)施進(jìn)行實(shí)地路由勘查，使用管道或架桿接入。

3.4設(shè)備解決方案

（1）項(xiàng)目5G無(wú)線宏站建設(shè)采用64T64R、192陣子200W大功率宏站設(shè)備，單站采用標(biāo)準(zhǔn)扇區(qū)方式組網(wǎng)部署。

（2）項(xiàng)目采用中國(guó)聯(lián)通自主研發(fā)的CUC-MEC邊緣云業(yè)務(wù)服務(wù)平臺(tái)。該平臺(tái)較華為、中興等設(shè)備制造商具有系統(tǒng)松耦合、設(shè)備自主采購(gòu)，平臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)等多方面優(yōu)勢(shì)。

（3）5G CPE WIN產(chǎn)品可為各類終端提供便捷的5G接入能力，支持IP65級(jí)防塵防水功能，可供室外使用，極具性價(jià)比。本產(chǎn)品為5 G無(wú)線路由器，采用高通SDX55芯片，同時(shí)兼容網(wǎng)絡(luò)5 G RF和4 G LTE，并能使用 sub 6 G SA/NSA兩種模式的終端，四天線結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)Wi-Fi信號(hào)覆蓋面積更廣，在5 G行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中廣泛適用。5G CPE WIN支持LTE FDD、LTE TDD、SA和NSA 四種模式; NR MIMO允許2T4R;上行允許256 QAM;在2.5 ms雙周期幀結(jié)背景之下NSA網(wǎng)絡(luò)里面的上行速率能達(dá)到200Mbps;下行速率能夠達(dá)到1.9Gbps，在2.5 ms雙周期幀結(jié)背景之下SA網(wǎng)絡(luò)里面的上行速率能達(dá)到330Mbps;下行速率能夠達(dá)到1.5Gbps。

四、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)5G技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和性能指標(biāo)進(jìn)行了分析，對(duì) MEC邊緣云技術(shù)原理進(jìn)行了概述，并提出一 MEC邊緣云技術(shù)為基礎(chǔ)的智能工廠解決措施。針對(duì)馬鋼熱電總廠CCPP項(xiàng)目，對(duì)項(xiàng)目組網(wǎng)、5G基站建設(shè)、光纜及局房配套資源建設(shè)和設(shè)備的選用提出了可行的實(shí)施方案，提高了馬鋼熱電總廠CCPP項(xiàng)目的智能化水平，對(duì)提高企業(yè)智慧管理具有重要的意義和作用。

參 ?考 ?文 ?獻(xiàn)

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