王 斌，李 鵬，王建國，黃林冰，李 正

（湖南天冠電子信息技術(shù)有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

在科技進(jìn)步、國家新基建建設(shè)推動，以及市場需求響應(yīng)的背景下，當(dāng)下5G、SD-WAN、物聯(lián)網(wǎng)三大技術(shù)成為通信領(lǐng)域討論的最為熱烈的話題，也是很多數(shù)通領(lǐng)域企業(yè)的戰(zhàn)略規(guī)劃方向。

國內(nèi)四大運(yùn)營商加速對5G基站建設(shè)和部署，目前5G基礎(chǔ)建設(shè)已基本成熟，亟待開發(fā)大量的基于5G業(yè)務(wù)的應(yīng)用。5G技術(shù)是具有革命性意義的新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)的UPF、基站、MEC的下沉，是對企業(yè)和用戶的再一次造血和升華。用戶自定義的5G網(wǎng)絡(luò)，在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛、智慧城市、AR/VR等領(lǐng)域發(fā)揮巨大價值。

SD-WAN技術(shù)是企業(yè)對自己的WAN網(wǎng)絡(luò)的再一次定義，SD-WAN顛覆了傳統(tǒng)openVPN、GRE等VPN技術(shù)對公網(wǎng)IP地址的要求，降低了企業(yè)對于昂貴的傳統(tǒng)專網(wǎng)VPN（MPLS-VPN、VXLAN）連接技術(shù)的依賴性。SD-WAN通過對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離，簡化了企業(yè)級廣域網(wǎng)的管理與維護(hù)。企業(yè)利用低成本、易獲得的Internet接入能力，構(gòu)建高性能的企業(yè)級廣域網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打通了物與物之間的壁壘，讓設(shè)備獲得了生命，具有了感知，物與物之間可以主動進(jìn)行信息交換，萬物互聯(lián)的時代已經(jīng)到來，是時勢所趨。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，加快了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和價值體現(xiàn)，是智慧城市、智能智造、智能家居、自動駕駛等新興領(lǐng)域發(fā)展的必要條件[1]。

1 技術(shù)背景

科技興國是黨和國家一直以來堅守的發(fā)展戰(zhàn)略，當(dāng)今中國的經(jīng)濟(jì)實力已達(dá)到新的水平，但我們的高端技術(shù)實力和美國等發(fā)達(dá)國家相比還存在一定差距。

目前，國內(nèi)公司自主研發(fā)的SD-WAN和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在5G產(chǎn)品上得以應(yīng)用，并在眾多企業(yè)和場景中運(yùn)行。5G、SD-WAN、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合是國內(nèi)的新技術(shù)，工程師通過將三大技術(shù)的優(yōu)勢完美融合到產(chǎn)品中，提升了工作效率，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)價值[2]。

2 研究目的

5G改變社會，改變企業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)營模式；SDWAN改變組網(wǎng)方式，改變用網(wǎng)成本；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改變物體結(jié)構(gòu)，改變了思維。將一個產(chǎn)品賦予這三種能力是一件極具挑戰(zhàn)的工作。5G+SD-WAN物聯(lián)網(wǎng)融合技術(shù)的研究和實現(xiàn)，其目的是使5G產(chǎn)品的應(yīng)用更加廣泛，更加貼近用戶需求，使應(yīng)用更加靈活簡單[3]。

5G技術(shù)雖然可以為用戶提供更大帶寬、更低延時、更廣的連接數(shù)，但在現(xiàn)實中，普通用戶是很難得到5G公網(wǎng)IP地址。雖然運(yùn)營商可以為用戶定制5G專網(wǎng)，但一般中小企業(yè)或普通用戶很難得到運(yùn)營商的支持，或需要更高的網(wǎng)絡(luò)成本。SD-WAN技術(shù)的實現(xiàn)，幫用戶解決了無公網(wǎng)IP或無專網(wǎng)的疼點(diǎn)問題，只要用戶能上網(wǎng)（普通5G卡即可），即可使兩個或多個5G終端設(shè)備建立網(wǎng)絡(luò)連接，摒棄了傳統(tǒng)服務(wù)器與客戶端架構(gòu)模式。目前最新的SD-WAN技術(shù)采用一種去中心化的模式，該模式是區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺的加持，能讓不同地域、不同形態(tài)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間不再陌生，它們可以通過類似加好友的方式相互建立連接，或組一個群（即虛擬局域網(wǎng)）。物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺與SD-WAN深度融合，是企業(yè)采用遠(yuǎn)程辦公、遠(yuǎn)程維護(hù)和操控、自動駕駛、無人機(jī)等技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的最經(jīng)濟(jì)有效的辦法。

3 產(chǎn)品與技術(shù)實現(xiàn)

3.1 5G-CPE

5G-CPE主要功能是通過從運(yùn)營商5G基站接收5G信號，并將其轉(zhuǎn)換為Wi-Fi信號或有線信號，將本地各終端（PC、平板電腦、手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像頭等）接入互聯(lián)網(wǎng)。5G-CPE不僅可以通過5G網(wǎng)絡(luò)上行提供WAN網(wǎng)絡(luò)，也可以通過以太網(wǎng)口有線上行提供WAN網(wǎng)絡(luò)。

5G-CPE主要應(yīng)用于室外直播、移動辦公、城市森林道路監(jiān)測、工地礦山、家庭公寓等領(lǐng)域，通過5G網(wǎng)絡(luò)來給手機(jī)、智能終端等設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)通信。

3.2 5G路由器

5G路由器通過5G網(wǎng)絡(luò)和有線多通道上行來為企業(yè)或家庭提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。5G路由器不僅能實現(xiàn)上網(wǎng)流量負(fù)載均衡，同時保障了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)或有線線路出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會自動切換到另外一條正常的線路，避免了斷網(wǎng)帶來的經(jīng)濟(jì)損失和風(fēng)險。在5G路由器智能選路算法加持下，能對在線會議、IP電話、遠(yuǎn)程辦公等實時性要求高的數(shù)據(jù)提供最優(yōu)通道，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和穩(wěn)定性，極大地提升了用戶體驗。5G路由器AC/AP功能可以對內(nèi)網(wǎng)無線AP進(jìn)行管控，PSE接口不僅可以為無線AP、監(jiān)控攝像頭提供網(wǎng)絡(luò)，還可以提供電源[4]。

5G路由器主要用于企業(yè)、銀行、能源、政府、連鎖超市、醫(yī)院、學(xué)校等單位，為辦公和運(yùn)營提供可靠、穩(wěn)定、高實時性的網(wǎng)絡(luò)。在 SD-WAN物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的加持下，5G路由器能滿足企業(yè)遠(yuǎn)程辦公、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程共享、異地虛擬局域網(wǎng)建立等需求。

3.3 5G多業(yè)務(wù)智能網(wǎng)關(guān)

5G多業(yè)務(wù)智能網(wǎng)關(guān)包括5G圖傳網(wǎng)關(guān)、5G串口調(diào)試網(wǎng)關(guān)、5G PLC網(wǎng)關(guān)等5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備。5G智能網(wǎng)關(guān)主要是實現(xiàn)終端設(shè)備的HDMI、SDI等音視頻信號數(shù)據(jù)，RS-232、RS-485等串行信號數(shù)據(jù)，PLC控制I/O的modbus信號數(shù)據(jù)對以太網(wǎng)報文格式的轉(zhuǎn)換；因為5G和有線寬帶都是以以太網(wǎng)報文進(jìn)行通信。5G智能網(wǎng)關(guān)另外擴(kuò)展有RJ-45以太網(wǎng)接口，用來連接智能攝像頭等IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

5G多業(yè)務(wù)智能網(wǎng)關(guān)主要應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、無人車AGV、自動化工廠、無人機(jī)、智慧農(nóng)業(yè)等。有SD-WAN物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的賦能，即可以降低網(wǎng)絡(luò)使用成本，又可以保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，且能實現(xiàn)物與物之間靈活組網(wǎng)，不受地域限制，不受設(shè)備形態(tài)限制，無關(guān)IP底層信息。5G多業(yè)務(wù)智能網(wǎng)關(guān)的技術(shù)優(yōu)勢是，能輕松實現(xiàn)在家遠(yuǎn)程遙控勘測無人機(jī)、能遠(yuǎn)程維護(hù)客戶設(shè)備，能使AGV高效穩(wěn)定運(yùn)行，能提高工業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量[5]。

3.4 SD-WAN物聯(lián)網(wǎng)平臺

SD-WAN物聯(lián)網(wǎng)管理平臺是SD-WAN技術(shù)在5G產(chǎn)品上應(yīng)用的核心，SD-WAN管理平臺的架構(gòu)設(shè)計、算法能力、部署方式、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理理念等因素設(shè)計得好與壞，直接關(guān)系到用戶對產(chǎn)品的使用體驗，關(guān)系到產(chǎn)品性能和穩(wěn)定性。我國科技企業(yè)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理和控制器上投入了大量的時間和精力，經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化改良，目前已經(jīng)生產(chǎn)出穩(wěn)定高效管理的網(wǎng)設(shè)備。具體實現(xiàn)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 SD-WAN物聯(lián)網(wǎng)框架圖

我國科技企業(yè)自研的SD-WAN物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)了控制數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分離，用overlay和underlay模型實現(xiàn)設(shè)備之間的互連，用戶無須關(guān)心underlay網(wǎng)絡(luò)配置和實現(xiàn)，在overlay層面就能滿足自己的需求。用戶能輕松上手，快速組網(wǎng)。部署在云端的網(wǎng)管平臺和SDN-WAN控制器的協(xié)同工作，使設(shè)備與設(shè)備之間建網(wǎng)不再基于IP地址，而是像我們微信加好一樣，通過名稱來加好友并建群組網(wǎng)，一個群組內(nèi)的設(shè)備就形同一個局域網(wǎng)，即使設(shè)備與設(shè)備之間不在一個地域。SDN-WAN控制器通過一系列的路由運(yùn)算、路徑測量，最終為兩個將要通信的設(shè)備之間打一個洞（即搭橋），打洞后的兩臺設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信直接通過運(yùn)營商ISP網(wǎng)絡(luò)路由實現(xiàn)，在IT通信中稱之為直連，不需要服務(wù)器中轉(zhuǎn)，具有去中心化的特點(diǎn)，相比以往通過服務(wù)器代理來轉(zhuǎn)發(fā)，傳輸速度得到極大提升。部分因為運(yùn)營商N(yùn)AT端口轉(zhuǎn)換限制或網(wǎng)絡(luò)中防火墻限制導(dǎo)致無法打洞直連的設(shè)備，可通過部署在公網(wǎng)下的中繼節(jié)點(diǎn)（具有公網(wǎng)IP地址）來進(jìn)行中轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)業(yè)務(wù)互通。每個SD-WAN終端設(shè)備既是邊緣節(jié)點(diǎn)，也是中繼節(jié)點(diǎn)，用SD-WAN物聯(lián)網(wǎng)平臺的設(shè)備越多，理論上設(shè)備之間通信也會越流暢越穩(wěn)定。

4 應(yīng)用領(lǐng)域研究

5G+SD-WAN物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各個行業(yè)、各個領(lǐng)域都能發(fā)揮它的優(yōu)勢。下面結(jié)合一些電子產(chǎn)品目前用的比較多的幾個場景，詳細(xì)詮述5G+SD-WAN產(chǎn)品工作原理和優(yōu)勢。

4.1 遠(yuǎn)程辦公

遠(yuǎn)程辦公是后疫情時代很多企事業(yè)單位的剛性需求，員工出差、在家或被隔離在酒店都時刻需要訪問單位內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器，比如OA、MES、ERP、代碼編譯服務(wù)器、PLM系統(tǒng)等。除員工遠(yuǎn)程辦公需求之外，企業(yè)總部與分支機(jī)構(gòu)都需要實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)互通，實現(xiàn)服務(wù)器資源安全共享，數(shù)據(jù)同步。連鎖店和總部、分店與分店之間都是需要數(shù)據(jù)上庫、數(shù)據(jù)同步、信息通告。由于網(wǎng)絡(luò)資費(fèi)的原因，而這些企業(yè)或其分支機(jī)構(gòu)無法保證每個點(diǎn)都能用公網(wǎng)IP地址，且傳統(tǒng)的VPN技術(shù)由于配置復(fù)雜，需要專業(yè)的IT管理人員，而且利用傳統(tǒng)VPN方式，需要更大的經(jīng)費(fèi)投入，網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)性能不夠優(yōu)良，又因為缺少網(wǎng)絡(luò)專業(yè)技能無法自行管理好自己的網(wǎng)絡(luò)。SD-WAN技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，由于其對網(wǎng)絡(luò)IP地址無特殊要求，使用簡單，性能優(yōu)越，因此得到了廣大用戶青睞[6]。

圖2為傳統(tǒng)企業(yè)遠(yuǎn)程辦公方式，分支單位和總部之間通過路由器的IPSec-VPN功能建立連接，這種VPN需要資費(fèi)較高的公網(wǎng)IP地址支撐，即使可以一端不需要公網(wǎng)IP地址，但在這種情況下，其他節(jié)點(diǎn)無法主動請求非公網(wǎng)IP側(cè)分支節(jié)點(diǎn)，所以在很多情況下企業(yè)分部都是從運(yùn)營商申請公網(wǎng)IP地址網(wǎng)絡(luò)接入。而員工在外辦公環(huán)境中，員工通過電腦遠(yuǎn)程辦公數(shù)據(jù)封裝為SSLVPN報文，被發(fā)到總部的SSL-VPN服務(wù)器進(jìn)行代理處理，然后才能和總部或分支各個服務(wù)器或終端用戶通信，這樣對SSL-VPN服務(wù)器性能要求比較高，由于需要軟處理，所以會影響網(wǎng)絡(luò)性能、實時性，如果多人同時遠(yuǎn)程辦公，SSL-VPN服務(wù)器壓力會加大，轉(zhuǎn)發(fā)性能會線性下降，甚至?xí)艟€，用戶體驗感會很差。

圖2 傳統(tǒng)主流遠(yuǎn)程辦公場景

圖3為5G+SD-WAN物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程遠(yuǎn)程辦公方式，由于SD-WAN物聯(lián)網(wǎng)平臺采用控制與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分離的模式，設(shè)備與設(shè)備之間通信通過運(yùn)營商ISP網(wǎng)絡(luò)直接連接，是一種去中心化的轉(zhuǎn)發(fā)方式，極大地提升了轉(zhuǎn)發(fā)效率和實時性。高性能的SD-WAN控制器的運(yùn)作，使得企業(yè)出口路由網(wǎng)絡(luò)接口不再受公網(wǎng)IP地址限制，即可完成總部與分部直接靈活組網(wǎng)，實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)互通。無論是出差辦公人員的電腦，還是分支機(jī)構(gòu)的SD-WAN路由器，都運(yùn)行同一套SD-WAN算法，同一套通信協(xié)議，用戶數(shù)據(jù)通過加密被封裝成IP報文，目的IP地址即為對端出口地址，從而報文直接通過運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)交換路由轉(zhuǎn)發(fā)到對端，無須任何服務(wù)器中轉(zhuǎn)或代理。

圖3 5G+SD-WAN物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程辦公場景

4.2 遠(yuǎn)程調(diào)試網(wǎng)關(guān)

遠(yuǎn)程調(diào)試網(wǎng)關(guān)的主要作用是遠(yuǎn)程對遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和開局。很多企業(yè)賣給客戶的設(shè)備都需要進(jìn)行售后維護(hù)，有些配置稍微復(fù)雜點(diǎn)的設(shè)備，用戶不太會使用，還需要派技術(shù)人員協(xié)助來進(jìn)行開局配置。大部分智能設(shè)備都可以通過串口或以太網(wǎng)網(wǎng)口來配置和管理，但很多終端設(shè)備并未接入互聯(lián)網(wǎng)，所以無法遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)下派工程師出差成本較高，高額交通和住宿費(fèi)用，而且路上需要消耗較多的時間，這樣既不劃算，效率又低，且響應(yīng)不及時。新研發(fā)的5G遠(yuǎn)程串口調(diào)試網(wǎng)關(guān)，既可以通過串口來管理遠(yuǎn)端設(shè)備，也可以通過網(wǎng)絡(luò)接口來管理遠(yuǎn)端設(shè)備。一旦客戶現(xiàn)場需要技術(shù)支援，企業(yè)只需把5G遠(yuǎn)程串口調(diào)試網(wǎng)關(guān)寄給客戶，或存放一臺設(shè)備在當(dāng)?shù)?，派人送往現(xiàn)場即可，用戶只需要配合接一下串口線或網(wǎng)線，這樣工程師可以在家對遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行檢測和調(diào)試，最終完全解決客戶問題。

工程師通過SD-WAN物聯(lián)網(wǎng)桌面軟件與5G遠(yuǎn)程調(diào)試串口網(wǎng)關(guān)建立連接，如果終端設(shè)備通過串口來管理，則工程師計算機(jī)采用虛擬串口終端界面來對設(shè)備進(jìn)行配置，將配置命令封裝成IP報文，通過建立的SD-WAN通道發(fā)給5G串口網(wǎng)關(guān)設(shè)備，5G網(wǎng)關(guān)設(shè)備收到報文后將其解封裝并轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)信號，通過串口線發(fā)給所連接的設(shè)備，相反連接設(shè)備的串行數(shù)據(jù)也可以通過封裝成IP報文發(fā)給遠(yuǎn)端工程師桌面終端顯示。有些設(shè)備支持網(wǎng)口管理，工程師可以通過SDWAN和5G串口網(wǎng)關(guān)建立連接后，操作5G串口網(wǎng)關(guān)配置內(nèi)網(wǎng)地址和連接設(shè)備在同一網(wǎng)段，通過網(wǎng)線和客戶設(shè)備建立連接，這樣工程師可以遠(yuǎn)程登錄客戶設(shè)備的Web頁面或直接Telnet到遠(yuǎn)端設(shè)備，進(jìn)行檢測和配置，從而達(dá)到快速解決用戶問題的需求。

圖4 5G+SDWAN遠(yuǎn)程調(diào)試

4.3 5G圖傳網(wǎng)關(guān)

5G圖傳網(wǎng)關(guān)主要應(yīng)用于無人機(jī)、智能機(jī)器人、無人車、在線直播等音視頻智能終端，音視頻數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)通過5G圖傳網(wǎng)關(guān)被傳輸?shù)降孛娣?wù)器或地面操控平臺。這樣地面工作站人員可以在家靈活自如地操控遠(yuǎn)端機(jī)動設(shè)備，這樣既能提高巡航效率，也能減小工作人員野外作業(yè)風(fēng)險。無人機(jī)應(yīng)用非常廣泛，在軍用、政企、能源、民用領(lǐng)域的應(yīng)用都非常普及，但運(yùn)營商基本不可能提供用戶5G公網(wǎng)IP地址，而地面工作站在很多情況下也不可能有公網(wǎng)IP地址。傳統(tǒng)方案是通過云平臺代理轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，成本高，效率低下，因為視頻數(shù)據(jù)流量大，且實時性要求高，這樣對云平臺帶寬、性能要求都特別高。而通過利用SDWAN技術(shù)可以將地面站臺和無人機(jī)5G終端打洞形成直連網(wǎng)絡(luò)，無須云端服務(wù)器代理，這樣極大地降低了使用成本，提升了傳輸效率，減小了時延。如圖5所示為5G+SD-WAN無人機(jī)系統(tǒng)。

圖5 5G+SD-WAN無人機(jī)系統(tǒng)

5G-CPE安裝在無人機(jī)上，無人機(jī)負(fù)責(zé)拍攝，5G-CPE負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)傳輸，以及飛控數(shù)據(jù)傳輸。5G-CPE通過RJ-45網(wǎng)口連接無人機(jī)，無人機(jī)直接與IP攝像頭連接，視頻數(shù)據(jù)由攝像頭直接傳到地面服務(wù)器，5G-CPE與地面服務(wù)器或手機(jī)、平板電腦操作平臺通過SD-WAN建立連接，這樣無人機(jī)與地面站建立了直連關(guān)系。當(dāng)然5G-CPE還可以通過HDMI與無人機(jī)攝像頭連接，5G-CPE自帶音視頻編解碼功能，可將編碼封裝后視頻數(shù)據(jù)傳送到地面工作臺。無人機(jī)飛控數(shù)據(jù)通過串口連接到5G-CPE，地面站將控制指令封裝成IP報文通過SD-WAN通道發(fā)給5G-CPE，5G-CPE對飛控IP報文進(jìn)行解封裝，然后將控制信號通過串口發(fā)給無人機(jī)，從而控制無人機(jī)飛行動作和方向。

5 持續(xù)創(chuàng)新與價值挖掘

5G+SD-WAN物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)下較新的技術(shù)，需要不斷去挖掘應(yīng)用場景，并和客戶進(jìn)行深度交流。很多企業(yè)用戶對網(wǎng)絡(luò)知識了解較少，雖然他們遇到很多問題和困難，但不知道怎么解決，也不知道誰可以解決。所以我們不但要完善我們的產(chǎn)品，提升我們的技術(shù)水平，更需要向廣大用戶普及我們的5G、SD-WAN、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，宣傳這些技術(shù)所帶來的好處和價值。

6 結(jié)束語

5G產(chǎn)品與SD-WAN物聯(lián)網(wǎng)平臺融合，能讓5G的價值得到更好的體現(xiàn)，能提升設(shè)備之間通信實時性和穩(wěn)定性。采用SD-WAN建立VPN更加簡單，無網(wǎng)絡(luò)接入門檻限制，且保證了數(shù)據(jù)的安全，降低了網(wǎng)絡(luò)使用成本，增強(qiáng)了用戶體驗?！?/p>