5G关键技术 MEC在工业应用中的探讨

随着数字化改造的日益进行，越来越多的企业对目前的工厂需要进行数据的互联互通，第一代的互联互通主要用过工业总线，如RS485、CAN、RJ45、光缆等方式将设备进行互联互通，对其进行数据打通，第二代方案主要为了解决布线难度高的场合，通过采用全WIFI覆盖，LORA、NB等方案。而随着5G的大力推广，目前新的方案已经出现，其实很早就出现了，只是这里挺少提到，我就把这个口子拉出来吧。以前我也挺反感5G的使用，但目前的问题日益尖锐。比如通讯的可靠性，数据的互联互通，大量数据的运算等等问题日益凸显。
我们先来认识5G 的几个名词：

3GPP：3rd Generation Partnership Project；就一个标准化组织，为了解决在2g-3g过渡和兼容问题出现的，也是它定义了5G的标准和需求。5G NPN：5G non-public network;5G非公共网络;主要提供高服务质量、高安全、隔离、责任清晰等服务。5G NFV：（Network Functions Virtualization）5G网络功能虚拟化；基于通用硬件实现电信功能节点的软件化，是未来通信网络的基础技术。通俗的讲就是将通用的硬件设备虚拟成为网络定义软件功能的资源，从而实现电信功能软件化，也是实现网络切片的主要基础。5G UPF：（5G User Plane Function）用户平面功能；主要负责5G核心网中用户平面数据包的路由和转发相关功能。UPF在5G的边缘计算和网络切片技术中发挥着低延迟和大带宽的重要作用。也是5G网络和多接入边缘计算（MEC）之间的连接锚点。所有的核心网络数据必须由UPF转发，然后才能流向外部网络。

再来认识一下5G的主要服务能力：

1. eMBB：enhanced Mobile BroadBand为“增强移动宽带”，就是以人为中心的应用场景，集中表现为超高的传输数据速率，广覆盖下的移动性保证等，这是最直观改善移动网速，未来更多的应用对移动网速的需求都将得到满足，从eMBB层面上来说，它是原来移动网络的升级，让人们体验到极致的网速。因此，增强移动宽带（eMBB）是5G发展初期面向个人消费市场的核心应用场景。简单来说就是4G的增强版。 2. uRLLC：ultra-Reliable and low Latency Communications “高可靠低时延连接”。在此场景下，连接时延要达到1ms级别，而且要支持高速移动（500KM/H）情况下的高可靠性（99.999%）连接。这一场景更多面向车联网、工业控制、远程医疗等特殊应用，这类应用在未来潜在的价值极高，未来社会走向智能化，就得依靠这个场景得网络，这些应用的安全性、可靠性要求极高。这也是5G能适用于工业场合的关键要求，也是实现TSN网络的关键。 3. mMTC：massice Machine Type Communications “海量物联”，5G 强大的连接能力可以快速促进各垂直行业（智慧城市、智能家居、环境监测等）的深度融合。万物互联下，人们的生活方式也将发生颠覆性的变化。这一场景下，数据速率较低且时延不敏感，连接覆盖生活的方方面面，终端成本更低，电池寿命更长且可靠性更高，真正能实现万物互联。 4. mHSLLC:Ultral High Speed Low Latency Communications超高速低时延通讯：由上面三个功能衍生出来的主要服务能力。

然后我们再来说说什么叫MEC：

那我们为什么要考虑5G MEC ？优点在哪？适用场景在哪？我们先说说5G MEC的全称：MEC：Multi-Access Edge Computing；中文叫多接入边缘计算。这当中有一个非常重要的功能叫网络切片，可以按照需求，对网络进行虚拟出多个端到端的虚拟网络，任何一个虚拟网络发生故障，都不会影响到其他网络。主要功能是：1. 业务应用本地化；2. 本地分流、灵活路由；3. 网络信息感知和开放；4. 边缘计算和分布存储；5. 兼容标准IT平台 我们可以将本地的网络分切成控制网、高带宽网络、大链接网络，MEC网络等。控制网主要用于工业的实时控制业务高带宽网络主要用于工业AR或工业相机业务大链接网络主要用于现场传感器的数据采集业务MEC网络主要用于工业APP、边缘数据处理等业务。

现场应用简图优点在哪？1.  部署运维简单5G改造无需布线，部署简单，智能化升级无需停工停产。应用软件统一运维和管理，节省投资和人力。2. 移动设备高稳定使用保证设备实时数据收集，准确上报。使应用于工厂流水线、仓储及物流系统的设备，在负责产品流转过程中信息的记录和交互不出错，大大减少由于切换AP导致的短时信号异常。3. 高清视频监控提升安全保障基于5G MEC的高清视频监控，为工厂生产、安防系统带来更安全保障。摆脱传统视频监控不清晰，不智能，耗人力的问题。实现高清图像视频采集、快速识别目标、动态跟踪对象，智能化数据处理。4. 自动化设备应用提升产能通过部署5G MEC，实现小于10ms低时延，99.999%以上网络可靠性，满足设备实时控制的网络要求，实现生产制造优化升级。实际效果：1. 数据采集：摒弃了原有需要对接内部网络的需求，大大降低了采集延时及采集带宽，特别是在需要高速采集的时候，优势大大凸显。2. 工业视觉：通过 4K、8K 等高清摄像头、工业相机采集生产线上产品的图像信息，通过 5G的高上行带宽进行图像信息的传送，结合MEC平台保障业务路径最短。MEC平台部署的机器视觉AI算法对图像进行处理、分析和理解，以识别各种场景下的目标和对象，实时检测生产线上产品的质量，包括外观缺陷检测、尺寸检测、图案检测等，以达到对产品质量检测的高精度、实时性、高效率的目的，可以最大程度替代人工质检，降低企业成本，提升质检的效率和效果3. 远程控制：5G 还有一个5G TSN网络，全称是TSN Over 5G uRLLC，利用5G的uRLLC实现TSN网络，可以大大提高控制的要求，使得端到端的远程控制成为可能。

5G TSN网桥逻辑图4. 智能巡检：带工业相机的智能小车或状态传感器的智能设备将实时数据进行原始帧上传，使远程在线运维的可能性大大提高。5. APC：PLC或传统DCS无法进行设备级的APC项目实时，而服务器传输存在安全性、掉帧、丢包、延时等问题，制约了模型的实时性。而APC的数据又是属于工业的机密数据，需要严格保密。6. 模型训练：5G MEC的使用，可以大大提高边缘算力的融合，可以把一些简单模型下放到现场进行，大大减少大量无效数据上传到处理平台。7. AR 远程协助：基于 AR 技术可以进行 AR 远程协助、远程维修、远程指导等，以支持员工学习、培训、交流，提供操作示范、导引，提醒生产过程注意事项及操作细节；将工人看到的场景直接传递给工艺人员，工艺人员通过视频、语音、标记等交互手段对工人进行直观指导。MEC平台通过提供转码、渲染、三维重建、物体识别、AR 内容管理等能力为AR 远程协助提供业务的近端实时处理和低时延保障。 项目实践的一点心得，欢迎大家留言共同探讨。