工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+5G發(fā)展策略研究

導(dǎo)讀：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展水平與一個國家的國際競爭力強相關(guān)，截至2020年我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初見成效，但商業(yè)模式還需要持續(xù)探索。首先探索工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)定義及發(fā)展情況，其次理清工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與5G關(guān)系，然后剖析運營商在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的定位，最后提出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+5G”背景下的運營商端邊云協(xié)同方案及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。1概述中國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展應(yīng)用正從消費互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為世界各國重要的基礎(chǔ)設(shè)施，其發(fā)展水平直接影響一個國家制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和國際競爭力。2018—2020年是我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)起步發(fā)展期，工信部實施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展工程，帶動總投資近700億元，遴選4個國家級工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)示范基地和258個試點示范項目。2020年我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟增加值達(dá)到3.1萬億元，占GDP比重為2.9%，新增超過255萬個就業(yè)崗位，已建成具有較強行業(yè)和區(qū)域影響力的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺超70個，連接工業(yè)設(shè)備數(shù)量達(dá)4000萬臺（套），工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全國300個城市，連接18萬家工業(yè)企業(yè)。另外，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟2020年4月份的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在多個領(lǐng)域取得實質(zhì)性進(jìn)展：a)會員單位數(shù)量從2016年初不足150家發(fā)展至1800家以上。b)新技術(shù)研究與測試驗證方面，輸出55個測試床和56份研究報告。c)產(chǎn)品和解決方案方面，輸出70多個解決方案資源池。d)應(yīng)用試點探索與落地方面，輸出163個優(yōu)秀應(yīng)用實施案例。e)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定與實施方面，輸出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系。f)垂直行業(yè)部署與推廣方面，覆蓋15個垂直行業(yè)，含6個非制造業(yè)。綜上，截至2020年底我國已初步建成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和產(chǎn)業(yè)體系，多個地方政府如北京、上海、重慶、青島、成都、長沙等推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)集聚和制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，密集謀劃和建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)園區(qū)。此外，互聯(lián)網(wǎng)公司、設(shè)備廠商、垂直行業(yè)和運營商等也競相布局升級工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，加快中小企業(yè)“上云”步伐。我國企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型比例為25%，中小企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型空間巨大，隨著工信部2021年1月《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021—2023年）》的印發(fā)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能化進(jìn)程有望加速。

2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與5G關(guān)系從宏觀經(jīng)濟看，國際貨幣基金組織(IMF)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，受新冠肺炎疫情影響，2020年全球經(jīng)濟增長率預(yù)計為-4.4%，2025年將下行至3.5%，其中發(fā)達(dá)經(jīng)濟體、新興經(jīng)濟體平均增速將分別下行至1.7%、4.7%。各國政府將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為傳統(tǒng)工業(yè)改造、未來產(chǎn)業(yè)競爭力塑造的共同選擇,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為第4次工業(yè)革命的關(guān)鍵支撐，已成為全球產(chǎn)業(yè)競爭新焦點，也是我國塑造國際競爭新優(yōu)勢的著力點，5G被認(rèn)為加速第4次工業(yè)革命而被寄予厚望。從技術(shù)演進(jìn)看，移動通信基本以10年為周期進(jìn)行升級換代，5G承載工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場景的“萬物智聯(lián)”時代正在到來。5G等新技術(shù)發(fā)展將可能改變傳統(tǒng)架構(gòu)范式，需在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中進(jìn)一步融合。表1給出了移動通信技術(shù)演進(jìn)及典型業(yè)務(wù)。表1移動通信技術(shù)演進(jìn)及典型業(yè)務(wù)從需求角度看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)涉及物流、采購、倉儲、生產(chǎn)、產(chǎn)品和服務(wù)等全要素，5G超大帶寬、超低時延等特有優(yōu)勢可以實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)毫秒級傳輸，確保工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)全要素資源的順暢連接和快速精準(zhǔn)控制的高要求。目前工業(yè)界采用的無線通信協(xié)議眾多，如短距無線（藍(lán)牙、Zigbee）、工業(yè)專用無線（如WirelessHART）、3G/4G蜂窩無線、Wi-Fi等，這些協(xié)議各有不足且相對封閉，設(shè)備互聯(lián)互通較難，制約了設(shè)備上云。5G具備感知泛在、連接泛在、智能泛在等優(yōu)勢，有望成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)及技術(shù)底座，5G相對于其他無線通信協(xié)議優(yōu)勢顯著，以Wi-Fi為例，5G相對于Wi-Fi有以下優(yōu)勢。a)5G抗干擾能力更強，Wi-Fi使用公用頻段導(dǎo)致抗干擾能力差；5G使用運營商獨有頻段具備更高的安全性和可靠性。b)5G能夠承載高并發(fā)大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)，Wi-Fi信道少，資源有限；5G具備大帶寬特性。c)5G能夠保證超低時延及更廣覆蓋，Wi-Fi時延不穩(wěn)定，用戶增多導(dǎo)致時延增大；5G網(wǎng)絡(luò)可通過行業(yè)定制化降低時延，增加覆蓋能力。d)5G可以實現(xiàn)快速切換保障數(shù)據(jù)可靠傳輸，針對快速移動場景，Wi-Fi連接下無法進(jìn)行切換，5G網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)切換。從應(yīng)用角度看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為5G創(chuàng)造大量應(yīng)用場景如機器視覺檢測、精準(zhǔn)遠(yuǎn)程操控、現(xiàn)場輔助裝配等，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是5G商用的“主戰(zhàn)場”，截至2020年底，我國應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的5G基站超過3.2萬個，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)項目已超過1100個，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用覆蓋原材料、裝備制造、消費品、能源、醫(yī)療等30余個重點行業(yè)。3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需求背景下的5G關(guān)鍵技術(shù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)涉及的主體包括機器、車間、企業(yè)、人等，端到端的產(chǎn)業(yè)鏈包括設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)、營銷、管理、服務(wù)等環(huán)節(jié)，在工廠內(nèi)需要實現(xiàn)信息采集設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)管理系統(tǒng)以及主體之間的互聯(lián)，在工廠外需要實現(xiàn)生產(chǎn)企業(yè)、協(xié)作企業(yè)、產(chǎn)品、用戶、金融機構(gòu)、供應(yīng)鏈、物流等企業(yè)的互聯(lián)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心需求總結(jié)如表2所示。表2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)核心需求工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為5G商用的“主戰(zhàn)場”，其業(yè)務(wù)需求和技術(shù)需求也是驅(qū)動移動通信技術(shù)從4G向5G演進(jìn)的原生訴求，5G關(guān)鍵技術(shù)包括邊緣計算和網(wǎng)絡(luò)切片。a)邊緣計算（MEC）。從定義看，MEC是指根據(jù)業(yè)務(wù)場景需要將多種接入形式的部分功能、應(yīng)用及內(nèi)容部署到企業(yè)側(cè)網(wǎng)絡(luò)邊緣，提供低時延、大帶寬、高安全的服務(wù)，達(dá)成極致用戶體驗；從技術(shù)及安全角度看，邊緣計算將核心網(wǎng)用戶面下沉到物理邊緣側(cè)為企業(yè)提供5G專網(wǎng)能力，實現(xiàn)“企業(yè)數(shù)據(jù)不出企業(yè)”；從商業(yè)角度看，尤其針對視頻類等大量數(shù)據(jù)傳輸需求的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)本地存儲及運算，節(jié)省邊緣網(wǎng)絡(luò)到核心網(wǎng)及公網(wǎng)的傳輸成本和時間成本。b)網(wǎng)絡(luò)切片。從定義看，網(wǎng)絡(luò)切片是指按需組網(wǎng)的技術(shù)，在獨立組網(wǎng)（SA）架構(gòu)下將一張物理通信網(wǎng)絡(luò)虛擬出多個專用的、隔離的端到端邏輯子網(wǎng)，滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)定制化場景需求。從技術(shù)角度看，主要采用虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把硬件抽象為計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理分配，為不同的切片配置相應(yīng)資源，且完全隔離互不干擾，實現(xiàn)邏輯上的統(tǒng)一管理和靈活切割。從關(guān)鍵特征看，包括按需部署、按需隔離、運維自動化、端到端SLA（Service-LevelAgreement）保障等。4運營商在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的定位隨著5G商用向縱深發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)公司、設(shè)備廠商、垂直行業(yè)和運營商等均在探索工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的價值空間。4.1互聯(lián)網(wǎng)公司互聯(lián)網(wǎng)公司從中心云下沉，依托中心云生態(tài)向邊緣拓展并嘗試構(gòu)建邊云生態(tài)，整個過程依賴于運營商MEC網(wǎng)絡(luò)底座。從國外看，美國重視平臺建設(shè)是其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的特色，亞馬遜在2019年8月份發(fā)布邊緣服務(wù)平臺Wavelength，并陸續(xù)與Verizon、Vodafone、KDD和SK電訊等合作共同提供邊緣云服務(wù)；微軟2019年10月發(fā)布邊緣云平臺AzureIoTEdge，并與AT&T合作將人工智能訓(xùn)練及推理場景下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣；谷歌于2019年4月份推出邊緣框架Anthos，聯(lián)合自有硬件芯片EdgeTPU和軟件堆棧CloudIoTEdge改善邊緣生態(tài)研發(fā)環(huán)境，并與AT&T合作將生態(tài)推送到企業(yè)和個人客戶。從國內(nèi)看，阿里云在2019年12月推出邊緣計算解決方案LinkIoTEdge，將云應(yīng)用延伸到邊緣并與云端數(shù)據(jù)聯(lián)動。百度在2018年發(fā)布端云一體解決方案BaiduIntelliEdge，包括智能邊緣本地運行包和智能邊緣云端管理套件。騰訊2019年采用“CDN+邊緣計算”模式探索視頻直播、游戲、鑒黃等場景。綜上，互聯(lián)網(wǎng)公司從中心云向邊緣延伸均采取和運營商MEC邊緣云合作的策略，對運營商技術(shù)整合、生態(tài)聯(lián)營、邊云協(xié)同等方面提出需求。4.2設(shè)備廠商設(shè)備廠商從邊緣終端逐漸上移，積極研發(fā)符合MEC部署要求的通用硬件基礎(chǔ)設(shè)施和針對邊緣計算具體場景的產(chǎn)品。如戴爾推出易安信邊緣計算網(wǎng)關(guān)EdgeGateway，并與VMware聯(lián)合推出DellEMCSD-WANEdge集成平臺提供MEC解決方案。設(shè)備廠商邊緣硬件受接入方式、空間覆蓋、網(wǎng)絡(luò)保障等方面的能力限制，亟需通過5G構(gòu)建大帶寬、低延時特性的管道聯(lián)接方式，需要運營商提供完善的邊緣局點承載方案，對運營商在一體化交付、基礎(chǔ)架構(gòu)能力集成、邊緣機房適配等方面提出訴求。4.3垂直行業(yè)垂直行業(yè)利用自身對行業(yè)場景的理解（如遠(yuǎn)程醫(yī)療、工業(yè)機器人、無人物流等），在邊緣云上交付關(guān)鍵技術(shù)或應(yīng)用解決方案，使能企業(yè)數(shù)字化升級。垂直行業(yè)應(yīng)用需要承載在運營商的MEC邊緣云上，對運營商開放邊緣應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)提出相應(yīng)訴求。4.4

運營商全球主流運營商均在積極利用5G優(yōu)勢探索工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)價值，借助MEC平臺及服務(wù)實現(xiàn)從管道經(jīng)營到算力經(jīng)營轉(zhuǎn)變，強化2B市場能力，完善2C業(yè)務(wù)體驗。從國外看，美國AT&T將邊緣計算定位為5G戰(zhàn)略三大支柱之一，與微軟、谷歌等聯(lián)合部署基于5G網(wǎng)絡(luò)的邊緣云平臺，并主導(dǎo)發(fā)起了Airship、Akraino等邊緣開源項目，加快邊緣計算生態(tài)建設(shè)和商用部署。從國內(nèi)看，三大運營商（中國移動、中國電信、中國聯(lián)通）已在MEC領(lǐng)域進(jìn)行戰(zhàn)略部署。如中國聯(lián)通推出CUC-MEC邊緣云平臺，優(yōu)化3GPP和ETSI等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，構(gòu)建開放的MEC邊緣云生態(tài)，積極與互聯(lián)網(wǎng)公司、設(shè)備廠商及垂直行業(yè)合作，實現(xiàn)與公有云、行業(yè)云、私有云的無縫對接。為了更好地滿足業(yè)務(wù)實時響應(yīng)、一體化交付實施的需求，中國聯(lián)通成立MECBU實現(xiàn)全國統(tǒng)籌調(diào)度；成立1個MEC業(yè)務(wù)運營中心、N個創(chuàng)新業(yè)務(wù)孵化基地、X個省分專項拓展組，推進(jìn)全國MEC邊緣云節(jié)點規(guī)劃、建設(shè)、運維、運營及MEC業(yè)務(wù)拓展工作。從技術(shù)演進(jìn)看，隨著5GMEC系統(tǒng)的引入，網(wǎng)絡(luò)將呈現(xiàn)IP化、扁平化、無線化、靈活組網(wǎng)發(fā)展趨勢，運營商承載網(wǎng)絡(luò)面臨新的四大挑戰(zhàn)。a)L3VPN需求。5GMEC中用戶轉(zhuǎn)發(fā)面（UPF）的下移需要無線核心網(wǎng)業(yè)務(wù)端口下移，導(dǎo)致原骨干網(wǎng)上的L3VPN下移至移動承載網(wǎng)；UPF分布式部署需要增加L3VPN覆蓋。b)接入網(wǎng)需求。覆蓋企業(yè)園區(qū)的基站和5GMEC需要低延遲的網(wǎng)絡(luò)直連和企業(yè)重要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出園區(qū)。c)邊云協(xié)同需求。5GMEC中UPF需要和中心云控制面和管理系統(tǒng)通信；5GMEC的MEP（Multi-accessEdgePlatform，等同PaaS）平臺中的應(yīng)用將成為運營商或其他合作伙伴如互聯(lián)網(wǎng)公司云應(yīng)用的一部分。d)移/固承載網(wǎng)雙平面需求。5GMEC提供無縫固定網(wǎng)絡(luò)與移動網(wǎng)絡(luò)融合（FMC——FixedMobileConvergence）業(yè)務(wù)需要邊緣計算接入網(wǎng)絡(luò)（ECA——EdgeComputingAccess）提供多接入，跨越無線網(wǎng)絡(luò)和固網(wǎng)的連接；實驗網(wǎng)絡(luò)智能（ENI——ExperimentalNetworkedIntelligence）需要提供跨越移動和固定承載網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接，完成和中心云、MEC間的業(yè)務(wù)互通。綜上，憑借5G+邊緣網(wǎng)絡(luò)特有優(yōu)勢，運營商掌控MEC入場券，相對于互聯(lián)網(wǎng)公司、設(shè)備廠商及垂直行業(yè)承擔(dān)底座角色，通過把移動網(wǎng)絡(luò)的CT（CommunicationTechnology）能力注入至MEC平臺和IT（InformationTechnology）能力融合，結(jié)合邊緣節(jié)點的下沉、網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)和分流能力，實現(xiàn)流量的本地疏通，提供低延時、大帶寬、高安全的邊緣計算能力，快速在制造、安防、醫(yī)療等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)以MEC邊緣云撬動5G項目落地并帶來收入。5工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+5G端邊云協(xié)同方案及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)5.1

端邊云協(xié)同方案本文站在運營商的角度提出基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的“端、邊、云”協(xié)同方案（見圖1），可以滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)各類業(yè)務(wù)場景對通信網(wǎng)絡(luò)及管理平臺的訴求，總體來看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下的邊緣云無法完全取代中心云（包括公有云/私有云/行業(yè)云等），兩者是協(xié)同關(guān)系。a)邊緣云（即邊緣計算）：發(fā)揮邊緣設(shè)備靠近數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，聚焦實時、準(zhǔn)實時及短周期的數(shù)據(jù)處理及模型推理等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景，針對數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)處理及傳輸耗時等敏感需求，減少邊緣設(shè)備與云端設(shè)備交互，降低數(shù)據(jù)流往返云端的通信帶寬及時間成本。b)中心云：發(fā)揮云服務(wù)器端有大算力資源、多模型聯(lián)動及平臺協(xié)作等優(yōu)勢，聚焦非實時及長周期的數(shù)據(jù)處理、模型訓(xùn)練等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景，全面覆蓋數(shù)據(jù)處理、模型訓(xùn)練、多模型協(xié)同決策等需要周期性看護(hù)的需求，充分挖掘中心云的價值空間。圖1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+5G運營商端邊云協(xié)同方案5.2端邊云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景需求差異較大，針對公安、新媒體、校園、物業(yè)、醫(yī)療、司法等典型行業(yè)，基于地理位置構(gòu)建區(qū)域、本地、邊緣/客戶駐地3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（見圖2），各層MEC滿足不同業(yè)務(wù)需求，構(gòu)建策略如下。a)區(qū)域MEC，主要部署于省會或主要發(fā)達(dá)城市的運營商核心機房，建議每個城市各建設(shè)1套。b)本地MEC，主要部署于有需求的地（市）運營商的核心機房，建議有需求的城市各建設(shè)1套。c)邊緣/客戶駐地MEC，針對邊緣MEC，主要部署在每個地（市）運營商的匯聚機房，每個城市至少建設(shè)1套匯聚MEC；針對客戶駐地/園區(qū)MEC，按照實際業(yè)務(wù)需求部署在客戶側(cè)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出園區(qū)，保障安全性高。圖2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+5G運營商端邊云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)6未來及展望從全球看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展水平與國家的國際競爭力強相關(guān)，5G作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)及技術(shù)底座直接決定其發(fā)展進(jìn)程，目前我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展雖已初見成效，但仍處于初級階段，呈現(xiàn)行業(yè)知識多樣性