5G工业UPF（OTUPF）白皮书

中国移动 5G工业UPF（OTUPF）白皮书 前言 “5G+工业互联网”是加速我国工业数字化、网络化、智能化转型的重要基础。2022年9月工信部印发《5G全连接工厂建设指南》，明确了5G全连接工厂的总体建设要求和规划路径，充分发挥我国5G技术产业优势，与工业企业实际生产需求紧密结合，打造工厂级、车间级、产线级分级建设改造的整体方案，加快工业企业的智能化、数字化转型步伐。 面向5G融入工业生产，2022年中国移动提�了5G确定性工业生产网技术架构，并提�了工业UPF技术概念。结合中国移动在推进5G全连接工厂实践过程中对于工业数字化转型以及OICT深度融合的最新理解，形成本白皮书。首先，面向多层级部署应用的需求，阐述了工业UPF的四种部署模式；其次，提�面向工业通信的全面连接、面向工业客户的全面服务、面向工业网络的全面保障的“三个全面”的工业UPF设计理念；再次，梳理了工业UPF的十大技术要点，形成23项关键技术能力，统一工业UPF的技术路径；最后，提�工业UPF的演进展望。 中国移动希望与各合作伙伴共同协作，推进“5G+工业互联网”的蓬勃发展、产业升级、生态繁荣，深化OT与IT的融会贯通、融合应用，为工业企业数字化转型提供关键支撑。 II III -1- “5G+工业互联网”是通过5G技术对人、机、物、系统等的全面连接，构建覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，为工业数字化、网络化、智能化发展提供新的实现途径[1]。随着5G在工业领域的进一步深入，产业寻求5G按照工业网络技术性能要求“从单一到多元”、应用环节“从外围辅助到生产核心”分级推动[2]，希望5G和工业智能制造产生更多的融合价值，赋能产业数字化转型。2022年9月，工业和信息化部印发《5G全连接工厂建设指南》，支持企业采用以5G为代表的新一代信息通信技术，打造产线级、车间级、工厂级等生产现场的新型工业互联网基础设施，形成生产单元广泛连接、信息（IT）运营（OT）深度融合、数据要素充分利用、创新应用高效赋能的先进工厂[3]。 当前5G技术正在随着产业应用的需求不断演进，5G全连接工厂建设仍在探索阶段[4]，随着5G全连接工厂建设的深入开展，5G应用的业务场景从工厂园区向生产车间、产线现场等生产场景深度融入，其中： （1）工厂园区业务场景 重点建设在工业园区内，基于5G支持跨车间跨层级互联互通、场景的深度和系统化应用、全要素生产率提升等业务能力，实现包括园区视频监控、环境监控、人员车辆管理等普通园区业务，对于工业时延和设备可靠性有较低需求，支持如OPCUA、TCP/IP等协议； （2）生产车间业务场景 重点建设基于5G支持多产线多系统协同优化、数据价值充分释放、集成创新水平提升等业务能力，实现包括车间PLC北向的生产管理、物流管理类业务，如车间 SCADA、MES、WMS、AGV管理、危险作业人员定位、车辆和物料位置管理等低时延、高可靠性需求的业务，通常支持如S7、ModbusTCP等通信协议； （3）产线级业务场景 重点建设基于5G支持在单一生产环节、业务单元的设备连接、数据采集和5G融合应用创新方面等业务能力，实现包括生产现场工业自动化控制类业务，例如，产线PLC与I/O设备、变频器、阀岛等的南向控制业务，产线线体PLC与设备主PLC或设备主PLC与从PLC之间的东西向控制业务，此类业务通常要求通信的超低时延和设备的超高可靠性，支持例如Profinet/RT/IRT、CC-LinkIETSN、EtherNet/IP等协议。 -4- 2022年中国移动发布的《5G确定性工业生产网白皮书》以“跨域融合、确定可靠、算网一体”为核心理念设计了5G确定性工业生产网技术架构[5],，如图1所示。 图15G确定性工业生产网架构图 该技术架构中，工业UPF作为融合组网、确定性服务、工业算力融合的枢纽，是5G与工业网络互联互通、应用生态深度融合的关键节点。在5G在融入工业生产环节的探索过程中，5G工业UPF（下文简称工业UPF）仍面临三方面挑战： （1）广泛连接 在实际的工业生产网络中，工业UPF仍面临实现广泛通信连接的挑战。因选用设备商和服务层级的不同，以工业以太、工业总线等类型为主的工控协议种类繁多、七国八制，而工业UPF作为5G和工业网络的边缘锚点，需解决适配工业多样协议和满足分域通信的泛在连接问题，确保新建5G可兼容适配不同的工控协议，与存量网络互通互联。同时，产线级、车间级的生产业务往往对通信低时延、确定性和高可靠有很高要求，如低时延特性需满足实时、精准的工控指令下发，步调一致的产线协同，以及满足稳定、高质量的系统运行和工控指令投递，实现5G融入生产的“组网融通”。因此，通信极致 确定性和提供可靠通信能力的确定性时延和确定性可靠是工业UPF技术实现过程中仍需考虑的问题。 （2）赋能应用 工业应用与5G网络深度融合的过程中，满足赋能应用特性也是工业UPF的新课题和新挑战。为降低5G全连接工厂的实施难度，工业应用需要与5G网络深度融合，实现工业控制算力的算网一体化，融合RT、NRT厂区现场升级的多样算力应用。例如，图像识别管理系统对于来自采集图像的推理实现、模型管理业务，工业AI视觉云平台的数据预处理、数据标注、训练引擎等应用，以及企业生产业务系统中的数据管理、结果呈现等环节，均需要工业UPF提供强大的实时性算力能力，从而支持更复杂的运算和数据处理，满足统一、实时的算力底座。此外，具备关键环节应用的一站式接入和服务也是工业UPF需要攻克的难题，从而实现多平台多系统共同配合满足业务要求，进一步结合AI、云平台等协同，实现智能应用协同调度，并通过AR辅助、预测性维护等智能应用赋能高效、灵活的工业应用融合。 （3）高效运维 工业UPF在网络的运维保障方面也同样面临挑战。首先，工业网络对于网络中断具有低容忍性，生产停滞往往会造成重大经济损失，工业网络的稳定性需得到保障，满足生产不中断的要求。其次，安全问题事关生产，工业场景下的功能安全和信息安全也应得到严格保障，确定性的安全能力是需要攻克的技术难题，从而满足融合、保密的生产系统及数据的隔离和安全。同时，功能要求高、部署环境差、现场规划复杂等问题使得工业UPF面临运维保障的功能需求，提供指标监控、网络优化、排除网络故障等便捷运维能力。最后，工厂的智能化、数字化过程还会导致能耗不断增加，工业UPF的绿色转型刻不容缓，避免资源浪费，实现最优能源分配。 工业UPF应支持多种部署模式，满足工厂、车间、产线的多样化业务需求，如图2 所示。 图2工业UPF组网架构 （1）工厂级部署 工业UPF部署在企业园区或工厂机房，主要满足单一工厂或园区非实时业务的通信需求，提供跨车间、跨层级的互联互通能力，保障企业生产、运营、管理的高水平发展。工厂级工业UPF应处理整个工厂范围内的数据流量，包括不同车间之间的数据通信；可完成车间内的生产辅助业务，如设备间的数据采集；处理产线内、产线间时延要求不高的逻辑控制业务。由于多数企业考虑数据不�园区，承载用户面数据的工业UPF部署在生产工厂（园区）级别可满足此类业务所需的性能需求。 （2）车间级部署 工业UPF部署在生产车间机房或电气柜，主要处理车间内的数据流量，同时可承载产线间以及产线内对低时延、可靠性要求高的生产控制类业务，其中包括车间内设备的数据接收、过滤、路由、转发；产线主从PLC之间、PLC与I/O之间的通信控制。工业UPF下沉到车间，与车间内各种设备直接相连，产线控制逻辑在车间形成闭环，可显著提升生产控制业务的隐私性，实现工业生产信令在车间内的闭环。 （3）产线级部署 工业UPF部署在产线边电气柜或挂墙设置，是一种极端部署模式，仅在车间产线独立部署基站覆盖的情况下支持，该场景下，工业UPF与基站BBU为1:1收敛或融合，工业UPF可提供产线专用的通信控制，设备需满足现场设备防护等级要求。 （4）融合式部署 在某些规模较小的工厂内，或者初期逐步开展5G全连接工厂技术验证的时候，也可以采用融合式工业UPF部署方案，只在工厂机房或运营商机房集中部署一个融合式工业UPF，简化系统架构，提供集成度更高业务锚点。该方案下，工业UPF可同时满足工厂、车间和产线的业务需求。 -9- -10- 随着工业UPF在全连接工厂的应用，尤其面向产线级、车间级的部署，工业UPF还需要在通信连接服务的基础上进一步增强。首先,工业UPF作为嵌入工业网络的设备，应加强网络能力和数据性能的供给能力，以满足工业控制等应用确定性通信和多样化工业设施互联需求，为5G全连接工厂构筑坚实的桥头堡；其次，工业UPF可作为IT设备的基础设施，提供工业应用融合创新和数智转型的能力，为工业应用的发展提供强有力的支持；再次，工业UPF应有机地融入OT设备的管理运维，以满足工业生产安全和维护等业务需求，确保整个生产过程的稳定运行。 因此，我们提�工业UPF的“三个全面”设计理念：即“面向工业通信的全面连接”、“面向工业应用的全面服务”、“面向工业网络的全面保障”。 “面向工业通信的全面连接”包括便捷泛在的通信连接、时延有界的确定连接 和冗余叠加的可靠连接三大技术要点，使得设备、传感器、机器人等各种工业设备可以实现柔性、高效、可靠的通信，丰富了网络能力的供给，提升工业生产的效率和质量。 “面向工业应用的全面服务”包括本地交互的网络服务、灵活多样的算力服务、一站融合的应用服务三大技术要点，实现了工业应用和5G网络的深度融合，降低了5G 全连接工厂的实施难度。 “面向工业网络的全面保障”包括面向工业生产的稳定运行、面向工业制造的 安全防护、面向客户服务的便捷运维以及面向双碳战略的节能降碳四大技术要求，保障网络的稳定性、可靠性、安全性，满足5G全连接工厂7*24的稳定运行和维护能力。 -11- 工业UPF的“三个全面”能力技术体系包含工业UPF的十大技术要点，形成23项关键技术能力，如图3所示。 图3工业UPF能力技术体系 面向工业通信的全面连接 4.1.1便捷泛在的通信连接 传统工业制造、工厂园区等领域组网通信中，部分工业协议不具备标准的TCP/IP协议栈，层二交换占据主要的通信地位。同时，生产网的IT域和OT域业务均要求通信及业务数据分别在域内闭环。工业UPF作为数据流量的锚点，应满足工业通信的层二通信和业务闭环能力。 原生流量便捷组网 工业UPF应具备层二数据承载能力，满足5G与基于层二数据通信的工业控制系统融合。同时，为了满足终端之间的直接通信，工业UPF应支持基于运营商配置和业务流量需求，提供不同的流量转发方法，实现组内不同PDU会话间流量的直接转发[6]。 图45GLAN技术方案 业务流量闭环管理 工业UPF应具备业务流量闭环管理能力。一方面，基于业务分流的需求，支持将业务流量接入到对应的服务器或控制器，从而确保业务流分层级闭环；另一方面，同一域内的不同设备之间的应用和终端可以通过划分不同的5GLAN组、切片来按需进行分组、分片隔离。例如，不同工业终端的不同业务流对应的应用服务器部署位置各不相同，PLC业务流通常在本地车间闭环，预防性运维和数字孪生业务应用服务器可能位于生产IT域，业务流在IT域内闭环。 4.1.2时延有界的确定连接 高精度时间同步 工业领域中，5G全连接工厂需要5G提供高精度时间同步能力，通常需要达到亚微秒级甚至几十纳秒的精度，且同时支持多种不同的时钟同步协议和灵活的时钟源选择方式。例如，工业中的机器安全控制场景、运动控制场景，都需要时间同步来实现确定性时延通信。 工业UPF应支持和工业终端配合提供高精度时间同步能力。一方面，工业UPF应支持最优时钟选择，可通过运行BMCA，参与时钟域内最终主时钟的选择；另一方面，工业UPF应支持多协议时间同步，应支持工业设备常用的gPTP（802.1AS）协议、IEEE 1588协议等多种时间同步协议，应支持多种时间同步协议之间的转换；进一步，工业UPF应支持多方向时间同步，应满足主时钟