物流倉儲場景應(yīng)用下5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的優(yōu)化方案

0 引言

5G 應(yīng)用場景需求大多是基于移動寬帶增強（eMBB）、海量機器類通信（mMTC）、超高可靠超低時延通信（uRLLC），不同場景對網(wǎng)絡(luò)性能的需求迥異，單純沿用類似于3G/4G 中面向移動寬帶業(yè)務(wù)QoS方案難以滿足5G業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)性能的嚴苛需求，迫切需要網(wǎng)絡(luò)具備可以面向不同場景的用戶需求按需定制的能力。5G系統(tǒng)引入網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，通過對網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理，不同業(yè)務(wù)分配相互隔離，能夠滿足業(yè)務(wù)需求的資源及不同業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)性能需求。為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，5G 通過引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）與網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)實現(xiàn)計算存儲與網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理。

邊緣云（MEC）技術(shù)是5G 技術(shù)體系中一個比較重要的技術(shù)手段。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)時代的到來及云計算應(yīng)用的不斷發(fā)展，集中式的云已經(jīng)無法滿足終端側(cè)“大連接、低時延、大帶寬”的云資源需求，而且經(jīng)過很多物聯(lián)網(wǎng)場景的驗證（如物流園區(qū)），很多云計算并不需要在集中式的云端進行處理，在無線側(cè)處理更為妥當。將云能力下沉到邊緣側(cè)，對無線側(cè)網(wǎng)絡(luò)需求進行預(yù)處理，在提高用戶體驗的同時減輕網(wǎng)絡(luò)負載。

本文針對物流倉儲場景，將邊緣云與5G網(wǎng)絡(luò)切片能力結(jié)合起來，邊緣云側(cè)對網(wǎng)絡(luò)的切片需求進行預(yù)處理，判定業(yè)務(wù)屬性，將不需要通過核心網(wǎng)上云的業(yè)務(wù)在邊緣云側(cè)進行處理，將剩余需求給予切片服務(wù)。從而，既能更好服務(wù)于客戶，又能減輕通信網(wǎng)絡(luò)負載。5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的技術(shù)簇，相輔相成才能發(fā)揮更大的價值。

1 5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

1.1 5G切片概念

3GPP SA1 提出網(wǎng)絡(luò)切片的需求［1］，通過需求分析，指出網(wǎng)絡(luò)切片可以讓運營商根據(jù)用戶需求提供按需定制的邏輯網(wǎng)絡(luò)，為5G多場景下的需求提供解決方案。3GPP SA2研究端到端網(wǎng)絡(luò)切片系統(tǒng)設(shè)計，定義了網(wǎng)絡(luò)切片的相關(guān)概念和切片控制流程，包括網(wǎng)絡(luò)切片標識、網(wǎng)絡(luò)切片接入與選擇、切片會話隔離、切片移動性管理、支持漫游等；針對ITU 提出的3 個5G 典型應(yīng)用場景，定義了不同的標準化切片/業(yè)務(wù)類型。

此外，3GPP SA5工作組定義了網(wǎng)絡(luò)切片管理的信息模型和服務(wù)，包括生命周期和配置管理服務(wù)、故障檢測服務(wù)和性能保障服務(wù)，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)切片管理功能示意

1.2 5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)研究現(xiàn)狀

基于1.1 節(jié)中網(wǎng)絡(luò)切片的定義，很多文獻對網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)進行了細化。文獻［3］和［4］從無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)出發(fā)，研究網(wǎng)絡(luò)切片的資源分配策略。文獻［5］和［6］從用戶角度出發(fā)，提出一種基于網(wǎng)絡(luò)能力開放的5G切片管理方法，通過網(wǎng)絡(luò)開放能力反饋切片管理所需網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和運行狀態(tài)，更好地實現(xiàn)切片管理的靈活性和時效性。文獻［7］和［9］則從整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計新型的網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)，進行切片需求導(dǎo)向的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)間協(xié)作性能分析，實現(xiàn)整個5G 網(wǎng)絡(luò)的資源分配。文獻［10-11］從垂直行業(yè)出發(fā)，如無人機、電網(wǎng)、車路協(xié)同、媒體等，研究行業(yè)屬性，設(shè)計面向ToB 行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)切片解決方案。

總之，上述文獻均是單獨考慮網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在各種場景下的優(yōu)化。文獻［4］提出將網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣云資源融合策略，將核心網(wǎng)資源和云計算能力下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，由MEC 控制整個網(wǎng)絡(luò)資源以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)請求的快速響應(yīng)。一方面，這不利于整個網(wǎng)絡(luò)的安全性，因為邊緣云下沉到用戶側(cè)，容易遭受攻擊；另一方面隨著邊緣云數(shù)量增多，整個5G網(wǎng)絡(luò)資源分配難以協(xié)調(diào)。

1.3 MEC

MEC 是基于云計算技術(shù)的核心和邊緣計算能力，構(gòu)筑在邊緣基礎(chǔ)設(shè)施之上的云計算平臺。

MEC將計算資源和存儲能力帶到RAN網(wǎng)絡(luò)邊緣，目的是減少延遲，確保高效的網(wǎng)絡(luò)操作和服務(wù)交付，提升用戶體驗。一般來說，邊緣服務(wù)有以下幾個特點［2］。

a）能夠提供像數(shù)據(jù)中心一樣靈活的資源分配及管理，能夠?qū)崿F(xiàn)組織的管理模式。這表明，邊緣服務(wù)設(shè)備的存在不會給現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)管理帶來更大的代價，就像是在網(wǎng)絡(luò)中插入了一個可用的網(wǎng)絡(luò)計算設(shè)備。

b）具有遠高于智能監(jiān)控設(shè)備或者智能移動設(shè)備的計算能力，在其資源允許范圍內(nèi)，能夠服務(wù)多個計算密集型的應(yīng)用任務(wù)，同時邊緣服務(wù)設(shè)備與數(shù)據(jù)中心之間一般通過有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行聯(lián)網(wǎng)，與數(shù)據(jù)中心能夠保持很好的通信。

c）邊緣服務(wù)設(shè)備具有“靠近”應(yīng)用設(shè)備的特性，相對于數(shù)據(jù)中心，應(yīng)用的請求能夠較快地在邊緣服務(wù)設(shè)備得到滿足。

d）一般來說，邊緣服務(wù)設(shè)備是構(gòu)建在計算資源虛擬化的基礎(chǔ)之上的（例如使用了Amazon ECC2 和OpenStack 等經(jīng)典云資源虛擬化技術(shù)）。本文將MEC技術(shù)融入網(wǎng)絡(luò)切片管理架構(gòu)中，就是利用了MEC 的網(wǎng)絡(luò)控制與資源分配能力，基于物流倉儲的特點，提前處理特殊場景下（如暴力分揀監(jiān)控）的網(wǎng)絡(luò)請求，減少端到端的網(wǎng)絡(luò)切片負載。

本文提出了一種在5G 智能物流倉庫場景下的新型網(wǎng)絡(luò)切片與邊緣云融合技術(shù)。此技術(shù)不但能夠充分發(fā)揮邊緣云的本地化處理能力，減輕5G 網(wǎng)絡(luò)負載，還能夠更加安全合理地分配網(wǎng)絡(luò)切片能力，在滿足客戶對網(wǎng)絡(luò)能力不同要求的同時，進一步提升網(wǎng)絡(luò)資源的使用效率。

2 物流倉儲中5G典型場景分析

隨著“智能制造”國家戰(zhàn)略的實施，現(xiàn)代物流技術(shù)向著大規(guī)模數(shù)字化、智能化、集成化、自動化發(fā)展。快速、高效、安全的進行倉儲作業(yè)已經(jīng)成為生產(chǎn)企業(yè)的重要競爭力。5G 時代的來臨更為物流升級改造帶來了新的機遇。5G憑借大帶寬、低時延、廣連接的特性，聯(lián)合大數(shù)據(jù)、人工智能、云、物聯(lián)網(wǎng)等多種技術(shù)為物流倉儲智能化升級提供了可能。

2.1 倉儲5G監(jiān)控場景

有別于普通的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，智能物流倉儲的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控場景需要5G的大帶寬、低時延的雙重保障。如視頻監(jiān)控場景（如監(jiān)控暴力分揀），除了要求5G大帶寬保障高清視頻順利傳輸之外，同時還需要低時延來保證視頻分析的結(jié)果及時反饋回現(xiàn)場，違規(guī)操作部分視頻（AI 識別）傳到云端保存，需要邊緣云與網(wǎng)絡(luò)切片協(xié)同作業(yè)（見圖2）。

圖2 倉儲視頻監(jiān)控場景網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.2 大規(guī)模AGVS調(diào)度場景

在當代的物流倉儲環(huán)境中，倉儲環(huán)境相對封閉，四周墻壁的鋼筋混凝土材質(zhì)較多，室外基站信號無法提供強有力的通信保障；室內(nèi)貨架、分揀線、智能機械設(shè)備等材質(zhì)多種多樣，如木質(zhì)、鋼鐵、塑料等，不同的材質(zhì)對信號衰減有不同的影響。此外，大規(guī)模的自動化機器調(diào)度場景，如AGV 協(xié)同運輸，需要多臺AGV 與調(diào)度平臺進行及時有效的通信，這一點Wi-Fi 很難保障。為解決此問題，目前有些AGV 控制器放在車端以保障通信的及時性，但此方案不能實現(xiàn)大規(guī)模的AGV調(diào)度；有些AGVS 控制器部署在倉儲本地，會存在AP跳轉(zhuǎn)時AGV 卡頓甚至宕機風(fēng)險。考慮到AGVS 調(diào)度對時延的要求，將調(diào)度系統(tǒng)放置云端方案還不成熟。

5G 技術(shù)的成熟，使得5G 信號質(zhì)量逐步提高，大帶寬、低時延、廣連接的特性也被各個垂直行業(yè)所看重，而AGVS 云調(diào)度場景，最需要的便是5G 的低時延、廣連接的特性，倉儲內(nèi)部有望通過5G波束賦形技術(shù)避免AGV 通信卡頓問題。因此，AGVS 云化調(diào)度系統(tǒng)需要5G切片技術(shù)來保證低時延和廣連接（見圖3）。

圖3 倉儲大規(guī)模機器協(xié)同作業(yè)場景網(wǎng)絡(luò)示意圖

3 物流倉儲環(huán)境中5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)優(yōu)化

通過以上分析可知，5G 切片技術(shù)能夠很好地保障智能物流園區(qū)的通信質(zhì)量，針對有物流特色的應(yīng)用（如暴力分揀視頻監(jiān)控應(yīng)用）也需要邊緣云技術(shù)的輔助。為此，本文提出了一種邊緣云與網(wǎng)絡(luò)切片融合的技術(shù)方案，為實現(xiàn)此方案，本文提出了一種網(wǎng)絡(luò)裝置——網(wǎng)絡(luò)分析管理器。此分析器是一種軟件管理模塊，采用微服務(wù)架構(gòu)，部署于MEC 硬件中，用于處理用戶網(wǎng)絡(luò)請求。

網(wǎng)絡(luò)分析管理器功能示意及交互邏輯圖如圖4所示。

如圖4 所示，此管理器最先接收用戶側(cè)的網(wǎng)絡(luò)請求。收到請求后：

圖4 網(wǎng)絡(luò)分析管理器功能示意及交互邏輯圖

第1步，調(diào)用業(yè)務(wù)需求分析模塊，對用戶的網(wǎng)絡(luò)請求進行分析。用戶向網(wǎng)絡(luò)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)請求，其參數(shù)包括Qos 參數(shù)（時延、速率、抖動、丟包率等）、容量參數(shù)（用戶數(shù)、用戶密度）及業(yè)務(wù)參數(shù)（業(yè)務(wù)類型及安全性指標等）。此業(yè)務(wù)需求分析模塊首先根據(jù)業(yè)務(wù)參數(shù)分析，初步判定哪些網(wǎng)絡(luò)性能是由MEC 來提供，哪些是由網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)來提供。主要判定的依據(jù)是此業(yè)務(wù)是否需要跨域或者上云，如果是則由網(wǎng)絡(luò)切片提供服務(wù)，否則由MEC進行服務(wù)。

第2步，調(diào)用聚合業(yè)務(wù)及網(wǎng)絡(luò)性能分析模塊。此模塊將根據(jù)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)條件對第1 步的決策進行微調(diào)。聚合分析是將所有業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)請求綜合起來，并結(jié)合現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源進行整體分析。可采用貪心算法等來判定現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)是否可以滿足其業(yè)務(wù)需要，如果RAN 側(cè)網(wǎng)絡(luò)資源緊張，則考慮轉(zhuǎn)移一部分應(yīng)用至MEC端，反之亦然。

第3步，調(diào)用任務(wù)分配模塊。根據(jù)第2 步的分析結(jié)果，下發(fā)網(wǎng)絡(luò)切片需求及MEC 處理任務(wù)，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)流引入各自流程中。

基于以上提出的網(wǎng)絡(luò)分析管理器，本文提出了在5G 智能物流倉儲等大量IoT 設(shè)備請求網(wǎng)絡(luò)的場景下，邊緣云與網(wǎng)絡(luò)切片的融合技術(shù)方案。

如圖5所示，在物流倉儲場景下，邊緣云與網(wǎng)絡(luò)切片的融合技術(shù)方案流程分為如下幾個步驟。

第1步，用戶發(fā)起網(wǎng)絡(luò)性能請求，其參數(shù)包括QoS需求、容量參數(shù)及業(yè)務(wù)參數(shù)。

第2步，網(wǎng)絡(luò)分析管理器接收請求，并對請求參數(shù)進行分析，結(jié)合剩余網(wǎng)絡(luò)資源，判定該業(yè)務(wù)需求是否需要進行切片處理。

第3步，如果需要進行切片處理，則將相應(yīng)的需求參數(shù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)切片管理器進行處理；否則交由MEC處理。

圖5 邊緣云與網(wǎng)絡(luò)切片的融合技術(shù)方案流程

第4 步，網(wǎng)絡(luò)切片管理器或者MEC 進行網(wǎng)絡(luò)資源分配，保障用戶通信網(wǎng)絡(luò)性能。

第5 步，網(wǎng)絡(luò)切片管理器與MEC 向網(wǎng)絡(luò)分析管理器反饋剩余網(wǎng)絡(luò)資源。

4 結(jié)束語

本文詳細分析了物流園區(qū)倉儲作業(yè)的2 個典型5G 應(yīng)用場景，并探索了在此場景下5G 切片技術(shù)的創(chuàng)新方案。將5G切片技術(shù)與邊緣云技術(shù)融合起來，在邊緣側(cè)對網(wǎng)絡(luò)需求進行統(tǒng)一分析處理，對網(wǎng)絡(luò)資源進行合理分配，既滿足物流倉儲對于5G 網(wǎng)絡(luò)的需求，也減少了對運營商網(wǎng)絡(luò)的壓力。