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腾讯5G物联开发套件与实践案例

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腾讯5G物联开发套件的定位与价值

第5代移动通信技术(以下简称“5G”)致力于解决爆炸性移动数据流的增长,海量设备的连接以及不断涌现的新业务和新应用。其中一项重要使命是与行业深度融合,满足垂直行业终端互联的多样化需求,力求创建“万物互联”的数字化世界。目前,全球5G网络部署的步伐正在加快,中国运营商已纷纷推出5G套餐,5G商用服务已正式开启。根据公开报道,中国三大运营商计划于2019年12月开通13万5G基站[1]。

——5G网络的新能力

5G网络首次专门定义了三大应用场景。1. 增强移动宽带(eMBB),主要面向移动互联网流量爆炸式增长,为移动互联网用户提供更加极致的应用体验;2. 超高可靠低时延通信 (URLLC),主要面向工业控制、远程医疗、自动驾驶等对时延和可靠性具有极高要求的垂直行业应用需求;3. 海量机器类通信(mMTC),主要面向智慧城市、智能家居、环境监测等以传感和数据采集为目标的应用需求。

与4G网络相比,5G网络在以下维度提供了新的能力。

•  在峰值速率、时延和连接密度等技术指标上均有至少一个数量级的提升[2],为各种“高带宽、低时延、大连接”应用的部署提供了基础网络保障。

图1 - 4G和5G的性能对比

•  在网络特性方面,5G网络架构原生支持边缘计算,通过UL CL、IPv6 multi-homing、LADN三种方式实现架构用户面功能的灵活下沉和流量的按需分流,为边缘计算的大规模应用奠定了架构基础[3]。此外,网络切片、5G局域网、移动性限制等5G新特性为垂直行业提供专网、私网通信提供新的技术支撑。

图2 - 4G和5G的网络架构对比

•  在能力开放方面,丰富的移动网络能力向应用进一步开放[4]-[6],通过QoS、用户位置、分流策略等能力,可为用户及业务提升QoS等级,创建专用承载以保证传输带宽,可下发分流规则将某一类业务分流到用户边缘进行计算处理。

——IoT应用对“云-边-端”协同的新需求

•  远程运维要求“云-端”协同。与toC应用不同,IoT终端通常工作在“无人区”:或在人工智能系统的控制下自主作业,或由位于远端的操作人员遥控完成各项任务。因此,IoT应用要求端侧配合,周期性地将核心设备的状态上报云端,以实现设备的远程监控和运维。

•  灵活组网要求“端-边”协同。工业园区的IoT应用对设备间的组网方式通常有特殊要求。以巡检机器人或无人机为例,要求机器人/无人机和控制器位于同一个私有网络之下,可以直接点对点通信。为达到上述灵活组网的要求,端侧和边缘平台之间需要配合,在5G之上构建属于园区的私有网络。

•  网络能力开放要求“云-端”协同。以QoS加速为代表的网络能力调用要求端侧和后台(云端)配合完成。例如某些运营的QoS加速服务要求端侧首先从能力开放平台获取令牌,并在后台提起的加速请求中使用该令牌。

•  边缘计算要求“云-边-端”协同。边缘计算涉及业务的部署,业务的发现,分流规则的下发等环节,各个环节上不同运营商支持的技术方案不尽相同,客观上阻碍了业务的快速上线。通过端侧、边缘平台和云端配合,可以支持所有的分流方案,实现灵活的分流策略。

在传统模式下,一个完整的IoT解决方案通常包含感知层,网络层,平台层及业务应用层等部分。无论是传统设备商,网络设备制造商,互联网企业或新兴的创业公司,其业务能力都只能覆盖上述链条的一小部分。5G的出现使得各层的联系变得更加紧密,但也大大增加了系统集成的难度,最终导致物联网产品从概念到孵化为商用产品周期变得更长,碎片化更严重,开发难度更高。

为了解决5G网络下物联网产品开发难度高的问题,腾讯TEG网络平台部、Robotics X、腾讯云物联网产品中心、知识产权部通力协作并联合合作伙伴中兴、华为、广和通、移远通信共同打造了涵盖“云-边-端“的5G物联开发套件。该套件以腾讯边缘接入和网络加速平台TSEC为中心,向下连接5G模组,向上连接腾讯云,助力开发者打通设备、网络和云端,快速构建自己的产品和物联解决方案。

腾讯5G物联开发套件的架构与组件

——总体架构

5G物联开发套件由5G模组SDK,腾讯边缘接入和网络加速平台TSEC [7],IoT Explorer [8]三部分组成。套件包括从底层模组到上层云平台的管理及运维体系,同时配合简易上手的SDK及管理界面以及开放的API接口,为开发者提供一站式5G行业解决方案开发环境。

5G物联开发套件专门针对复杂场景,提供大容量,低时延和高可靠的无线接入能力。提供云网端一体化,安全稳定的开发平台及配套服务,包括设备/应用/服务接入调试,运维工具管理平台,设备端SDK,云模组,边缘计算,开放服务API等核心能力。通过将模组上云,直接打通云端和终端,解决传统移动接入方案技术栈复杂,协作成本高,方案落地困难等问题,通过套件的开放能力,帮助开发者更高效的整合自己的业务,低成本的打造创新产品和解决方案。

5G物联开发套件涉及四个层次,分别为终端,网络层,云端和行业应用。其中,

•  终端:可以是各种行业设备,例如机器人,无人机,AGV,叉车,无人车等。这些设备内置5G模组,通过SDK的配置直接向应用呈现一个虚拟以太网接口,可用于网络通信。根据用户需求,可以在TSEC的配合下建立企业的虚拟私有网络;

•  网络层:包括5G基站、UPF及TSEC网关。TSEC网关位于靠近用户的边缘机房,为用户的数据优选最佳转发路径,同时为用户的特殊组网需求提供本地路由;

•  云端:主要分为通用能力和场景化能力。通用能力方面,模组利用SDK接入腾讯IoT Explorer,复用消息路由,规则引擎,影子设备以及数据模板等功能,同时还将支持海量设备的运维和监控能力;场景化能力方面,利用TSEC控制器,对外提供QoS加速,切片以及边缘计算的API,供业务调用,以实现对设备的QoS,切片管理;

•  行业应用:套件本身不包含上层行业应用,但对外提供两套RESTful API接口,IoT Explorer相关的数据模板和运维接口,TSEC的场景化API接口。行业应用利用这些API可以很方便地操作终端设备,与终端设备建立通信连接。     

图3 – 5G物联开发套件的总体架构

——5G模组

模组是指封装了基带芯片、射频芯片、微处理等核心组件的通信模块,一般用在物联网终端设备上,为其提供数据传输功能。通常不同设备和不同应用场景存在定制化的需求,上游芯片厂商一般无法满足,因此模组成为满足IoT行业碎片化定制需求的关键。

目前主流5G模组有LGA,M.2等封装方式,支持5G NR,FDD-LTE,TDD-LTE等多种通信制式,可以为便携式计算设备, 网关,工业监控,远程医疗,无人机,虚拟现实和沉浸式体验(VR和AR)等应用提供高速通信体验。

图4 – 5G模组的封装

——模组SDK

模组SDK是开发套件的核心,是终端接入5G网络,边缘计算平台以及云的入口,包括用户接口、隧道封装、远程管理、模组操作等功能。

图5 – 模组SDK的功能清单

——腾讯边缘接入和网络加速平台TSEC

TSEC是开发套件的中枢,它为业务提供接口以使用5G网络开放出来的各种能力(比如终端位置、QoS加速),使用边缘计算平台,自定义灵活的组网方式,真正做到“5G网络即服务”。

TSEC控制器位于云端,与运营商的能力开放平台对接。模组SDK通过与模组和运营商服务平台交互获取网络参数及用户令牌(一种标识用户身份的方法,某些运营商要求用户在申请QoS加速前先获取令牌),并调用TSEC控制器的接口实现QoS加速。

图6 – 开发套件对QoS加速的支持

TSEC网关部署在运营商的网络边缘,通过与5G网络的UPF配合实现数据分流,方便用户接入边缘计算平台。为满足某些行业应用“数据不出园区,终端灵活组网”的需求,模组SDK与TSEC网关配合创建IP隧道,利用TSEC网关作为锚点,实现本地交换和路由,满足行业应用对V**和P2P通信的需求。

图7 – 开发套件对边缘计算和灵活组网的支持

——云端IoT Explorer

IoT Explorer是开发者使用5G开发套件的云端入口,可以让物联网用户通过灵活的开发工具轻松接入亿级硬件设备。通过与模组SDK配合,IoT Explorer可以提供完善的信息查询和管理功能,让用户对设备上报的数据、状态、故障、事件信息有效掌控,实现远程监控和运维。通过与TSEC配合,IoT Explorer可以让用户在线修改分流规则,制定灵活的边缘计算策略,并为一组终端创建专属的“私有网络”,实现终端间的P2P通信。此外,IoT Explorer还提供模组固件及SDK的下载与固件升级服务。

图8 – 开发套件对远程运维的支持

IoT Explorer整合了腾讯云在大数据、AI智能、图像视频、安全、无服务计算等产品能力,在高效稳定的通信连接基础上,能够满足各类设备消息通信场景下用户的个性化需求。为了帮助用户快速将自己的创意变成现实,开发独具特色的物联网应用,IoT Explorer将一些通用的服务及典型场景服务进行抽象,用户只需通过调用 API 或简单配置,即可快速应用开发平台提供的服务,开发效率得到大幅提升。现在平台已经支持包括用于设备故障远程告警、设备信息远程可视化、设备数据实时云分析和处理、设备位置轨迹服务等场景。

图9 – IoT Explorer的系统架构

腾讯5G物联开发套件的实践案例

——机器人的私有网络

人工智能的发展赋予了机器人自主的能力。在一些重复性劳动较密集的行业,比如装配流水线、产线巡检中,机器人已经展示出了替代人工的可能。而在一些高危、恶劣的环境下,比如核辐射、高寒地带的矿山等,机器人可以大大扩展人类的工作时间和工作范围。

通过宽带网络连接机器人与远端的控制台,可以让人参与到机器人的生产活动中:一方面可以监控机器人的行为,另一方面可以接管复杂任务的决策,形成一种人与机器人互相补充、相互协同的生产模式。在该模式下,机器人会配备一组传感器以及通信模块,传感器包括高清摄像头、红外传感器、声音传感器、GPS等,负责采集视频、语音和位置等各种信息,由通信模块通过无线网络实时地回传给控制台。控制台的指令也由该网络以极高的可靠性实时地下达给机器人。

目前一些园区的无线网络采用的是WiFi。由于WiFi使用2.4G/5G 非授权频段,存在一定的干扰(甚至是恶意干扰),同时WiFi的覆盖和移动性管理都不及运营商网络,对可靠性要求高的IoT应用而言并非最优方案。然而,WiFi组网也能一定程度上简化应用的部署。以巡检机器人为例,机器人和控制器可以分得固定的私网IP并进行P2P通信。在5G网络下,机器人和控制器只能分得动态IP,不能直接实现P2P通信。如果它们之间的数据“绕道“5G核心网关(通常部署在省会一级城市),那传输时延和4G网络相当,并不能体现5G网络低时延的优势。

图10 机器人的现有组网方案

利用SDK和TSEC提供的分流能力,分别创建机器人和控制器到TSEC网关的隧道,为机器人和控制器分配私有地址,在TSEC网关上实现数据的本地交换和路由,可以为机器人和控制器建立专属的“私有网络”。

图11 机器人的边缘计算+P2P组网方案

——全息课堂

全息投影利用光学原理,影像在空中浮现,呈现立体效果,可为用户展现出更加真实的世界,全息图像中的人可以与现实中的人进行互动,在交互性上有质的飞跃。这种技术经常用于教学、表演、广告等应用中,相隔两地的人可以通过“远程呈现”和“远程参与”跨越空间限制,如共处一地般地实现实时交互。

在全息实时教学场景中,“5G+全息投影”技术真实再现、自然交互,可以打破时间和地域限制,将本地老师教学场景实时传输并呈现在远端教室中,为学生提供可交互、沉浸式的三维学习环境,使得优质教师创作的优质课程可实现无时空限制的传播。通过5G网络大带宽、低时延特性,实时传输全息影像数据,利用影像还原技术,在远端可逼真的模拟真人授课实景。

本地全息信息采集端和远端教室图像信息呈现端通过5G网络传输数据,要实现实时通信和交互功能,对设备的上下行速率和时延要求高,通过SDK和TSEC的QoS加速和切片能力,为端到端通信提供保障。

图12 全息课堂的系统框图

——视频监控

随着“智慧城市”的建设,智慧交通、智能安防、移动执法等依靠视频监控并结合大数据分析的高科技手段对提升通行效率和公共安全发挥了越来越大的作用。在一个典型视频监控系统中,多路摄像头的视频流汇聚到一个收发设备中,通过通信网络回传到数据分析平台。随着视频监控设备的分辨率从320p逐步向1080p,甚至4K发展,每秒高达百兆比特的视频流对通信网络的上行链路带来了很大的挑战。

采用5G网络做为回传通道,可以利用5G高带宽的特点,同时结合QoS加速,可以在网络高负载的时段依然提供稳定的上行信道带宽,保证监控流的清晰度和连续性。

图13 视频监控的系统框图

——无线家庭宽带

家宽接入采用5G这种无线通信方式,可以在居民分布稀疏,光纤部署少且光纤部署成本高、部署周期长的农村、郊区和牧区解决信息高速公路“最后一公里”的问题。利用5G基站大容量的优势,可以为家庭访问互联网提供与光纤比拟的用户体验。

总结与展望

5G是第一个以“万物互联”为愿景规划的蜂窝网络。无论是接入网还是核心网,为满足IoT应用的“低时延、大连接”等要求都进行了重新设计。下沉的分布式网关为边缘计算的部署铺平了道路,标准化的北向接口将移动网络的能力向应用进一步开放,为网络适配应用提供了可能。5G正成为推动消费互联网和产业互联网前进的新动能。

另一方面,5G提供的新能力让应用接口和调用流程的复杂性陡增,使得原本链条过长、碎片化严重的IoT应用开发变得更加困难。在这样的背景下,5G开发套件应运而生。它整合了腾讯TEG网络平台部、Robotics X、腾讯云物联网产品中心在“云-边-端“产品上的技术积累,集成了模组SDK,TSEC和IoT Explorer端到端的能力,旨在为IoT应用开发者使用边缘计算、5G QoS加速、V**及点对点通信,实现百万级终端的运营和维护提供最优解决方案。同时,我们也得到了合作伙伴中兴、华为、广和通、移远通信的大力支持,在此深表感谢。

5G的商用才刚刚开始,IoT市场的大门也才刚刚打开。我们认为只有通过“研发-应用-研发”的不断迭代,充分挖掘IoT市场的新需求,开发5G网络的新能力,扩展5G开发套件的新功能,才能更好地服务于万亿级的IoT市场。5G开发套件未来的发力点包括:

•   除持续推进加速IoT应用上线流程,缩短应用上线时间之外,关注应用的自动化运维,增强开发套件对系统风险评估以及全链路故障诊断的能力,做到应用“一键上线,全程无忧”。

•   通过应用实践反哺5G网络,推动蜂窝网络能力向应用进一步开放,通过丰富北向接口API来促进网络适配应用以及应用适配网络。

附录一:缩略词表

AGV Automated Guided Vehicles

AI Artificial Intelligence

API Application Programming Interface

eMBB enhanced Mobile Broadband

GPS Global Positioning System

HTTP Hypertext Transfer Protocol

IoT Internet of Things

LAND Local Area Data Network

LGA Land Grid Array

MEC Mobile Edge Computing

mMTC massive Machine Type Communications

P2P Peer to Peer

PasS Platform as a Service

QoS Quality of Service

REST Representational State Transfer

SDK Software Development Kit

TSEC Tencent Smart Edge Connector

UL CL Uplink Classifier

UPF User Plane Function

URLLC Ultra Reliable Low Latency Communications

V** Virtual Private Network

附录二:参考文献

[1] http://www.cankaoxiaoxi.com/china/20191023/2393601.shtml

[2] Recommendation ITU-R M.2083: IMT Vision - "Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond"

[3] 3GPP TS 23.501: " System Architecture for the 5G System".

[4] 3GPP TS 23.502: "Procedures for the 5G system".

[5] 3GPP TS 29.122: "T8 reference point for northbound Application Programming Interfaces (APIs)".

[6] 3GPP TS29.522: "Network Exposure Function Northbound APIs".

[7] https://tech.qq.com/a/20190626/007290.htm

[8] “物联网开发平台 IoT Explorer”, https://cloud.tencent.com/product/iotexplorer.

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原始发表时间:2019-12-20

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