物流智能倉儲的5G專網(wǎng)性能

董石磊，趙婧博，黃鵬

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

1 引言

5G toB融合發(fā)展已然成為推動傳統(tǒng)制造業(yè)創(chuàng)新改革的新動力，具有低時延、確定性、絕對安全性等特性的5G專網(wǎng)為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)由自動化向智能化的轉(zhuǎn)變奠定了夯實的基礎(chǔ)[1]。5G技術(shù)的高速發(fā)展促使工業(yè)傳統(tǒng)工業(yè)存在網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度高、前端接入性差、設(shè)備互通性低等問題，因此，全面運用5G技術(shù)提升工業(yè)設(shè)備智能化水平成為工業(yè)信息化建設(shè)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文基于國內(nèi)某物流企業(yè)實際工業(yè)場景，以滿足客戶高標(biāo)準(zhǔn)通信需求為出發(fā)點，完成物流智能倉儲5G專網(wǎng)部署，助力企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型[2]。與此同時，深入研究高水平技術(shù)融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保證問題，并對網(wǎng)絡(luò)性能提出定制優(yōu)化方案。

2 智能倉儲行業(yè)通信現(xiàn)狀

倉儲是現(xiàn)代物流的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著新興通信技術(shù)的高速發(fā)展，倉儲信息化在5G通信技術(shù)支撐下進一步發(fā)展。盡管目前倉儲自動化取得了階段性的成就，但其向行業(yè)智能化的轉(zhuǎn)型仍處于初級階段[2]。

2.1 倉儲智能化系統(tǒng)

倉儲是物流的一個業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，是一個涉及多個業(yè)務(wù)流程的復(fù)雜流程。倉儲業(yè)務(wù)種類繁多，每種業(yè)務(wù)在其生命周期中都存在各種不確定性。所以，只有保證倉儲系統(tǒng)具備可靠、穩(wěn)定、安全、確定性的網(wǎng)絡(luò)感知能力，及時下發(fā)調(diào)度安排任務(wù)，才能保障作業(yè)按期交付，提升物流效率、降低物流服務(wù)成本。智能作業(yè)設(shè)備終端的引入為倉儲業(yè)務(wù)流程自動化提供了技術(shù)基礎(chǔ)，信息系統(tǒng)通過有效整合各環(huán)節(jié)智能終端和作業(yè)的實時數(shù)據(jù)，確保企業(yè)及時準(zhǔn)確地掌握庫存的真實數(shù)據(jù)，打造信息一體化的物流智能倉儲。

在5G工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)高水平融合的環(huán)境下，倉儲業(yè)智能化也取得了重大突破，現(xiàn)階段的倉儲智能化系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。其系統(tǒng)架構(gòu)主要分有數(shù)據(jù)層、系統(tǒng)層及作業(yè)層。位于數(shù)據(jù)層的倉儲數(shù)據(jù)系統(tǒng)利用5G、邊緣計算等技術(shù)支持智慧倉儲系統(tǒng)的實時計算，提供多元數(shù)據(jù)融合、算法驅(qū)動的決策；位于系統(tǒng)層的倉儲管理系統(tǒng)及分揀管理系統(tǒng)完成日常生產(chǎn)流程各個環(huán)節(jié)的管理任務(wù)，倉儲控制系統(tǒng)為WMS、DMS與終端設(shè)備之間的信息樞紐，實現(xiàn)信息交互，實時向智慧終端下發(fā)任務(wù)指令。

圖1 倉儲智能化系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 倉儲智能化發(fā)展難點

面對倉儲智能化對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的嚴(yán)苛要求，已有的網(wǎng)絡(luò)部署技術(shù)難以滿足智慧倉儲對確定性、安全性、開放性及經(jīng)濟性的需求。以下簡要闡述網(wǎng)絡(luò)部署在滿足這4個特性需求時存在的技術(shù)難點。

（1）確定性

以往的智慧終端通常采用Wi-Fi技術(shù)進行通信，然而Wi-Fi接入容易存在切換丟包、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性差等問題，降低倉儲生產(chǎn)線的工作效率。因此，高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是支撐倉儲智能化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)部署應(yīng)滿足倉儲通信對低時延、高可靠性等通信指標(biāo)的高要求。

（2）安全性

嚴(yán)格保障園區(qū)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的安全性，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)本地靈活卸載，滿足客戶數(shù)據(jù)不出園的需求，采用業(yè)務(wù)隔離的方式保障用戶業(yè)務(wù)安全。

（3）開放性

在信息網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)產(chǎn)業(yè)高度融合的行業(yè)情況下，需提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性及開放性以支持倉儲園區(qū)更多元化的技術(shù)能力開放。

（4）經(jīng)濟性

在保障高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的前提下，還需控制網(wǎng)絡(luò)建設(shè)速度及成本以及更高性價比的網(wǎng)絡(luò)維護成本。

3 5G toB專網(wǎng)融合智慧倉儲通信

對時效性要求極高的物流倉儲行業(yè)，對于通信指標(biāo)也有著嚴(yán)苛的指標(biāo)需求，其不僅需要信息流動及時、穩(wěn)定、可靠，還要承載大規(guī)模設(shè)備接入帶來的復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這些問題無疑對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的部署制造了諸多困難。融合專網(wǎng)為生產(chǎn)作業(yè)流水線與云端數(shù)據(jù)庫提供連接樞紐，貫徹信息管理一體化。面向企業(yè)客戶需求打造的5G定制化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)憑著其低時延、高帶寬、業(yè)務(wù)隔離等特點，避免通信問題導(dǎo)致的生產(chǎn)故障發(fā)生，保證網(wǎng)絡(luò)高質(zhì)量服務(wù)，確保生產(chǎn)作業(yè)按時交付，顯著提升了倉儲園區(qū)的物流效率。

3.1 5G智慧倉儲專網(wǎng)覆蓋實施

結(jié)合國內(nèi)某物流企業(yè)實際工業(yè)場景，依照客戶提出的服務(wù)需求，完成5G專網(wǎng)部署，落實物流倉儲行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型，為5G專網(wǎng)在各類垂直行業(yè)中的應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)。

3.1.1 獨立5G專網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為傳統(tǒng)制造業(yè)改革創(chuàng)新的重要組成部分，其應(yīng)用前景廣闊，對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量要求極高。具有低時延、高可靠、高安全性特性的獨立5G專網(wǎng)恰好能輔助工廠快速組網(wǎng)與靈活調(diào)整[3]。

5G獨立專網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示，獨立專網(wǎng)部署集成SA核心網(wǎng)、MEC及gNB，構(gòu)成一個靈活的自建網(wǎng)絡(luò)。園區(qū)UPF （user plane function）及MEC 平臺可以部署于鄰近企業(yè)園區(qū)的運營商機房內(nèi)，亦可直接部署于企業(yè)園區(qū)的機房內(nèi)。前者根據(jù)客戶提出的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求和業(yè)務(wù)特征，選擇獨享或與其他企業(yè)共享UPF；后者采用私有化部署的實現(xiàn)方式，達成數(shù)據(jù)不出園區(qū)的業(yè)務(wù)要求。通過用戶面園區(qū)UPF本地部署，減少端到端時延。為了保障用戶業(yè)務(wù)安全，通過定制DNN（deep neural network）或者專用切片標(biāo)志來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與路由隔離，依照定制QoS提供差異化SLA（service level agreement），根據(jù)客戶簽約的隔離級別提供差異化的隔離方式。邊緣部署及本地部署這種部署方式構(gòu)成一套獨立的物理專網(wǎng)，具備可保障企業(yè)數(shù)據(jù)的絕對安全、超低網(wǎng)絡(luò)時延等優(yōu)點。通過用戶面園區(qū)UPF本地部署，減小端到端時延。部署于邊緣機房的MEC下沉算力，使得大帶寬消耗的計算工作在靠近數(shù)據(jù)源的邊緣完成，讓數(shù)據(jù)在本地進行處理或卸載，提升效率。通過切片專線保障用戶業(yè)務(wù)體驗，達成業(yè)務(wù)隔離；采用入云專線為5G網(wǎng)絡(luò)快速入云提供安全保障通道，根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)能力引入EVPN、SRv6 等新技術(shù)，保障業(yè)務(wù)快速發(fā)放、網(wǎng)絡(luò)可編程和客戶業(yè)務(wù)訪問體驗。

圖2 5G獨立專網(wǎng)架構(gòu)

以為行業(yè)客戶打造一體化定制融合服務(wù)為出發(fā)點，基于5G專網(wǎng)，實現(xiàn)云網(wǎng)一體定制，滿足垂直行業(yè)客戶的數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中對網(wǎng)絡(luò)、邊緣、云、應(yīng)用等方面的差異化需求。

3.1.2 智能倉儲車間5G專網(wǎng)搭建

為了幫助倉儲物流車間的智能化轉(zhuǎn)型，基于5G定制服務(wù)網(wǎng)，搭建倉儲融合專網(wǎng)，實現(xiàn)生產(chǎn)流程全生命周期的自動化、可視化、數(shù)據(jù)化[4]。借助定制網(wǎng)提供的高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，確保企業(yè)及時掌握倉儲數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確下派作業(yè)任務(wù)，保障物資和訂單高效、穩(wěn)定地生產(chǎn)。

智能倉儲按照功能類型可分為儲存區(qū)、揀選區(qū)和分揀區(qū)3類區(qū)域。

· 儲存區(qū)，通常以立體倉庫形式存在，用于物品的儲存，區(qū)域內(nèi)的智能終端基于WMS（warehouse management system）、WCS（warehouse control system）對庫存和出入庫任務(wù)進行綜合調(diào)度和管理，為用戶提供高效率、高度自動化、存揀一體化的儲存。

· 揀選區(qū)，主要完成揀選物品的任務(wù)，在WMS調(diào)度下，按照派送訂單揀選出物品，并自動按訂單目的地執(zhí)行搬運任務(wù)，實現(xiàn)庫內(nèi)無人化揀選。

· 分揀區(qū)，用于物品自動化傳送、分播和分揀，將打包好的物品劃分到不同的目的區(qū)域。

由于智能終端對業(yè)務(wù)處理的時延要求較高，為單個智能倉儲園區(qū)內(nèi)的智能終端提供服務(wù)的WCS、5G專網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)及本地倉儲數(shù)據(jù)系統(tǒng)更適合部署在本地MEC（園區(qū)級或區(qū)域級）中。本地MEC和5GC之間通過5G入云切片專線來保障業(yè)務(wù)連接的穩(wěn)定性，入云切片具有獨立DNN配置且?guī)挐M足所有智能終端峰值帶寬需求的總和。服務(wù)于多個物流智能倉儲園區(qū)和整個系統(tǒng)的WMS、DMS及集中倉儲數(shù)據(jù)系統(tǒng)，對成本比較敏感，更適合部署在公有云中。公有云上的集中倉儲數(shù)據(jù)系統(tǒng)與本地MEC中部署的本地倉儲數(shù)據(jù)系統(tǒng)通過企業(yè)專線實現(xiàn)互通，協(xié)同管理倉儲數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

以揀選區(qū)內(nèi)的智慧終端AGV（automated guided vehicle）為例，倉儲數(shù)據(jù)通信專用網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，專網(wǎng)部署的側(cè)重點是保障園區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)的安全性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)不出園區(qū)、高度業(yè)務(wù)隔離。采用獨立UPF 切片，使核心網(wǎng)用戶面功能下沉至客戶側(cè)邊緣與MEC組成邊緣節(jié)點。在園區(qū)本地或客戶側(cè)邊緣運行商機房部署MEC，園區(qū)用戶附著激活后由SMF 根據(jù)定制DNN選擇廠區(qū)MEC與UPF組成節(jié)點，對邊緣業(yè)務(wù)進行園區(qū)數(shù)據(jù)本地流量卸載。為了保持與智慧終端的穩(wěn)定接入，核心網(wǎng)控制層中的UDM為固定IP地址用戶分配固定IP地址，邊緣節(jié)點中的輕量級UPF為動態(tài)IP地址用戶分配動態(tài)IP地址。以提高倉儲物流管理的靈活性為立足點，保證智慧終端在線率，為AGV、穿梭車這類靈活度高、跨區(qū)活動較多的終端分配動態(tài)IP地址，為自動分揀線這類物理位置穩(wěn)定的終端分配固定IP地址。

圖3 倉儲數(shù)據(jù)通信專用網(wǎng)絡(luò)

憑借5G網(wǎng)絡(luò)低時延、大帶寬的技術(shù)特性，通過5G網(wǎng)絡(luò)將AGV所需的計算資源進行云化，在園區(qū)實行層級部署，部署高可靠的邊緣計算，降低設(shè)備復(fù)雜度，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性；并借助5G網(wǎng)絡(luò)無縫切換的移動性，實現(xiàn)在線實時協(xié)同調(diào)度，大幅度提高人機信息交互和反饋處理速度，降低倉儲AGV的掉線率，提升AGV的運行效率，提高倉儲物流管理、運送的靈活性[5]。

3.2 定制化設(shè)備選型方案

在專網(wǎng)部署的基礎(chǔ)之上，本文考慮對不同區(qū)域的無線基站設(shè)備部署提出優(yōu)化方案以確保高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。圖3中，為針對不同區(qū)域智慧終端設(shè)備提供通信服務(wù)的5G專網(wǎng)基站，需根據(jù)區(qū)域空間環(huán)境情況及生產(chǎn)作業(yè)通信需求提供定制化的設(shè)備選型方案。除了依照功能劃分區(qū)域以外，某個特定功能區(qū)域可根據(jù)其區(qū)域內(nèi)包含的終端設(shè)備情況及業(yè)務(wù)特征對區(qū)域進行細化。定制化設(shè)備選型方案需結(jié)合智能無人倉業(yè)務(wù)的迭代升級需求考慮設(shè)備的長期演進規(guī)劃、多頻段支持能力、超級小區(qū)、切片、節(jié)能、易優(yōu)化、可更換等能力，為每個區(qū)域選擇合適的獨立設(shè)備和功能，根據(jù)干擾和獨享資源等需求定制切片方案、精準(zhǔn)調(diào)節(jié)信號的天線方案，可用于功率調(diào)節(jié)和附加增值軟件功能較多的設(shè)備。在最低的建設(shè)成本下，保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署的持續(xù)可用。實際場景應(yīng)用中備選的設(shè)備性能參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備性能參數(shù)

根據(jù)園區(qū)指定區(qū)域的空間物理環(huán)境特點及生產(chǎn)作業(yè)通信需求，選定合適的設(shè)備與終端保持實時連接。以下依據(jù)設(shè)備的功率、MIMO數(shù)、支持頻段、載波數(shù)及網(wǎng)絡(luò)制式等性能參數(shù)，為工作區(qū)域作出定制化設(shè)備選型方案。

例如考慮區(qū)域工作面積小、單終端業(yè)務(wù)模型容量不高且測試設(shè)備密度較大、背負式貨架衰減大、與相鄰區(qū)域同處開放空間需要控制干擾、業(yè)務(wù)開發(fā)迭代快、對性價比要求高等因素，則選擇較低功率設(shè)備1；考慮區(qū)域與相鄰區(qū)域類似，需在主測試區(qū)避免信號干擾，并在邊緣相鄰形成弱信號測試和切換測試環(huán)境等因素，因此需選擇與相鄰區(qū)域相同的設(shè)備；考慮區(qū)域內(nèi)工作面積小且業(yè)務(wù)模型對上行帶寬要求很高，可能需要開啟載波聚合等特殊功能等因素，因此選擇低功率、多載波的設(shè)備1。

考慮區(qū)域內(nèi)終端設(shè)備動線短，但貨物和貨架對信號遮擋較嚴(yán)重，業(yè)務(wù)模型上行速率較大且需考慮與相鄰區(qū)域的切換測試等因素，因此選擇中功率、高容量、低時延的設(shè)備2；考慮區(qū)域需在室內(nèi)模擬室外信號環(huán)境，測試區(qū)中間有隔斷墻、業(yè)務(wù)模型要求時延低、建設(shè)成本敏感等因素，因此選擇中功率、低時延的設(shè)備2。

考慮區(qū)域作業(yè)工作面積狹長，且與其他區(qū)域緊密相鄰，互相干擾嚴(yán)重，單終端業(yè)務(wù)模型上行速率較大，且測試設(shè)備對切換時延敏感等因素，因此選擇大功率、高容量、低時延的設(shè)備3。

考慮區(qū)域的高密度多穿立體倉庫對信號的衰減大，設(shè)備運行高度高，單終端業(yè)務(wù)模型容量不高，測試設(shè)備密度較小等因素，因此選擇大功率、低容量的設(shè)備4。

3.3 網(wǎng)絡(luò)性能評估

基于實際生產(chǎn)中的倉儲物流專網(wǎng)場景，提取園區(qū)區(qū)域小區(qū)用戶面通信指標(biāo)以評估網(wǎng)絡(luò)性能，驗證5G專網(wǎng)的搭建足以支持敏感場景倉儲行業(yè)對服務(wù)質(zhì)量的高需求。

采用接入性指標(biāo)RRC連接平均建立時長及保持性指標(biāo)無線接通率作為衡量網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的參數(shù)指標(biāo)。小區(qū)RRC連接平均建立時長如圖4所示，以15 min為粒度、6 h為測試時間區(qū)間，提取出小區(qū)RRC連接平均建立時長，觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，平均建立時長基本穩(wěn)定在22.4 ms左右。小區(qū)RRC連接平均建立時長分布情況如圖5所示，延長測試時間跨度至48 h，提取測試園區(qū)小區(qū)RRC連接平均建立時長指標(biāo)分析并繪制時延分布圖，共264個頻次大于0 ms，其中3個小區(qū)時延大于40 ms，并且每個小區(qū)只重復(fù)出現(xiàn)1個。所有測試數(shù)據(jù)中時延不超過43 ms，滿足倉儲對時延的需求?？紤]倉儲車間中終端的移動性，提取小區(qū)的保持性指標(biāo)無線接入率，觀察表2可以看出小區(qū)的無線接通情況良好，由于終端移動導(dǎo)致的高頻次小區(qū)接入切換現(xiàn)象并沒有影響到終端與基站之間的通信。

圖4 小區(qū)RRC連接平均建立時長

圖5 小區(qū)RRC連接平均建立時長分布情況

表2 小區(qū)無線接通率分布情況

4 結(jié)束語

5G 專網(wǎng)在低時延、可靠性、網(wǎng)絡(luò)安全及能力開放管理等方面具有明顯優(yōu)勢，是智能倉儲信息化建設(shè)的技術(shù)基礎(chǔ)。本文結(jié)合實際場景，搭建物流智能倉儲5G專網(wǎng)，驗證5G專網(wǎng)部署方式可滿足智慧倉儲工業(yè)領(lǐng)域的高標(biāo)準(zhǔn)通信需求，并針對專網(wǎng)組網(wǎng)場景提出了定制化設(shè)備選型方案。在專網(wǎng)實際部署中，需考慮生產(chǎn)作業(yè)通信需求、網(wǎng)絡(luò)成本等因素以完成5G專網(wǎng)組網(wǎng)覆蓋實施。5G專網(wǎng)可按需部署，滿足行業(yè)客戶對高質(zhì)量服務(wù)的需求，未來將會應(yīng)用于各類垂直行業(yè)場景中。