物流智能倉儲的5G專網性能

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融合發展已然成為推動傳統制造業創新改革的新動力，具有低時延、確定性、絕對安全性等特性的5G專網為工業物聯網由自動化向智能化的轉變奠定了夯實的基礎[1]。5G技術的高速發展促使工業傳統工業存在網絡復雜度高、前端接入性差、設備互通性低等問題，因此，全面運用5G技術提升工業設備智能化水平成為工業信息化建設過程中的關鍵環節。本文基于國內某物流企業實際工業場景，以滿足客戶高標準通信需求為出發點，完成物流智能倉儲5G專網部署，助力企業智能化轉型[2]。與此同時，深入研究高水平技術融合網絡環境下的網絡質量保證問題，并對網絡性能提出定制優化方案。

2 智能倉儲行業通信現狀

倉儲是現代物流的關鍵環節。隨著新興通信技術的高速發展，倉儲信息化在5G通信技術支撐下進一步發展。盡管目前倉儲自動化取得了階段性的成就，但其向行業智能化的轉型仍處于初級階段[2]。

2.1 倉儲智能化系統

倉儲是物流的一個業務環節，是一個涉及多個業務流程的復雜流程。倉儲業務種類繁多，每種業務在其生命周期中都存在各種不確定性。所以，只有保證倉儲系統具備可靠、穩定、安全、確定性的網絡感知能力，及時下發調度安排任務，才能保障作業按期交付，提升物流效率、降低物流服務成本。智能作業設備終端的引入為倉儲業務流程自動化提供了技術基礎，信息系統通過有效整合各環節智能終端和作業的實時數據，確保企業及時準確地掌握庫存的真實數據，打造信息一體化的物流智能倉儲。

在5G工業物聯網高水平融合的環境下，倉儲業智能化也取得了重大突破，現階段的倉儲智能化系統架構如圖1所示。其系統架構主要分有數據層、系統層及作業層。位于數據層的倉儲數據系統利用5G、邊緣計算等技術支持智慧倉儲系統的實時計算，提供多元數據融合、算法驅動的決策；位于系統層的倉儲管理系統及分揀管理系統完成日常生產流程各個環節的管理任務，倉儲控制系統為WMS、DMS與終端設備之間的信息樞紐，實現信息交互，實時向智慧終端下發任務指令。

圖1 倉儲智能化系統架構

2.2 倉儲智能化發展難點

面對倉儲智能化對網絡服務質量的嚴苛要求，已有的網絡部署技術難以滿足智慧倉儲對確定性、安全性、開放性及經濟性的需求。以下簡要闡述網絡部署在滿足這4個特性需求時存在的技術難點。

（1）確定性

以往的智慧終端通常采用Wi-Fi技術進行通信，然而Wi-Fi接入容易存在切換丟包、網絡穩定性差等問題，降低倉儲生產線的工作效率。因此，高質量的網絡服務是支撐倉儲智能化轉型的基礎，網絡部署應滿足倉儲通信對低時延、高可靠性等通信指標的高要求。

（2）安全性

嚴格保障園區網絡數據的安全性，實現用戶數據本地靈活卸載，滿足客戶數據不出園的需求，采用業務隔離的方式保障用戶業務安全。

（3）開放性

在信息網絡與工業產業高度融合的行業情況下，需提高網絡的靈活性及開放性以支持倉儲園區更多元化的技術能力開放。

（4）經濟性

在保障高質量網絡服務的前提下，還需控制網絡建設速度及成本以及更高性價比的網絡維護成本。

3 5G toB專網融合智慧倉儲通信

對時效性要求極高的物流倉儲行業，對于通信指標也有著嚴苛的指標需求，其不僅需要信息流動及時、穩定、可靠，還要承載大規模設備接入帶來的復雜的網絡結構。這些問題無疑對工業網絡的部署制造了諸多困難。融合專網為生產作業流水線與云端數據庫提供連接樞紐，貫徹信息管理一體化。面向企業客戶需求打造的5G定制化服務網絡憑著其低時延、高帶寬、業務隔離等特點，避免通信問題導致的生產故障發生，保證網絡高質量服務，確保生產作業按時交付，顯著提升了倉儲園區的物流效率。

3.1 5G智慧倉儲專網覆蓋實施

結合國內某物流企業實際工業場景，依照客戶提出的服務需求，完成5G專網部署，落實物流倉儲行業的智能化轉型，為5G專網在各類垂直行業中的應用奠定堅實基礎。

3.1.1 獨立5G專網組網架構

工業互聯網作為傳統制造業改革創新的重要組成部分，其應用前景廣闊，對網絡服務質量要求極高。具有低時延、高可靠、高安全性特性的獨立5G專網恰好能輔助工廠快速組網與靈活調整[3]。

5G獨立專網架構如圖2所示，獨立專網部署集成SA核心網、MEC及gNB，構成一個靈活的自建網絡。園區UPF （user plane function）及MEC 平臺可以部署于鄰近企業園區的運營商機房內，亦可直接部署于企業園區的機房內。前者根據客戶提出的網絡服務需求和業務特征，選擇獨享或與其他企業共享UPF；后者采用私有化部署的實現方式，達成數據不出園區的業務要求。通過用戶面園區UPF本地部署，減少端到端時延。為了保障用戶業務安全，通過定制DNN（deep neural network）或者專用切片標志來區分數據網絡與路由隔離，依照定制QoS提供差異化SLA（service level agreement），根據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成一套獨立的物理專網，具備可保障企業數據的絕對安全、超低網絡時延等優點。通過用戶面園區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據源的邊緣完成，讓數據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務體驗，達成業務隔離；采用入云專線為5G網絡快速入云提供安全保障通道，根據實際網絡能力引入EVPN、SRv6 等新技術，保障業務快速發放、網絡可編程和客戶業務訪問體驗。

圖2 5G獨立專網架構

以為行業客戶打造一體化定制融合服務為出發點，基于5G專網，實現云網一體定制，滿足垂直行業客戶的數字化轉型過程中對網絡、邊緣、云、應用等方面的差異化需求。

3.1.2 智能倉儲車間5G專網搭建

為了幫助倉儲物流車間的智能化轉型，基于5G定制服務網，搭建倉儲融合專網，實現生產流程全生命周期的自動化、可視化、數據化[4]。借助定制網提供的高質量網絡服務，確保企業及時掌握倉儲數據，準確下派作業任務，保障物資和訂單高效、穩定地生產。

智能倉儲按照功能類型可分為儲存區、揀選區和分揀區3類區域。

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

· 揀選區，主要完成揀選物品的任務，在WMS調度下，按照派送訂單揀選出物品，并自動按訂單目的地執行搬運任務，實現庫內無人化揀選。

· 分揀區，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域。

由于智能終端對業務處理的時延要求較高，為單個智能倉儲園區內的智能終端提供服務的WCS、5G專網監測系統及本地倉儲數據系統更適合部署在本地MEC（園區級或區域級）中。本地MEC和5GC之間通過5G入云切片專線來保障業務連接的穩定性，入云切片具有獨立DNN配置且帶寬滿足所有智能終端峰值帶寬需求的總和。服務于多個物流智能倉儲園區和整個系統的WMS、DMS及集中倉儲數據系統，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據系統與本地MEC中部署的本地倉儲數據系統通過企業專線實現互通，協同管理倉儲數據系統。

以揀選區內的智慧終端AGV（automated guided vehicle）為例，倉儲數據通信專用網絡如圖3所示，專網部署的側重點是保障園區內數據的安全性，實現數據不出園區、高度業務隔離。采用獨立UPF 切片，使核心網用戶面功能下沉至客戶側邊緣與MEC組成邊緣節點。在園區本地或客戶側邊緣運行商機房部署MEC，園區用戶附著激活后由SMF 根據定制DNN選擇廠區MEC與UPF組成節點，對邊緣業務進行園區數據本地流量卸載。為了保持與智慧終端的穩定接入，核心網控制層中的UDM為固定IP地址用戶分配固定IP地址，邊緣節點中的輕量級UPF為動態IP地址用戶分配動態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、跨區活動較多的終端分配動態IP地址，為自動分揀線這類物理位置穩定的終端分配固定IP地址。

圖3 倉儲數據通信專用網絡

憑借5G網絡低時延、大帶寬的技術特性，通過5G網絡將AGV所需的計算資源進行云化，在園區實行層級部署，部署高可靠的邊緣計算，降低設備復雜度，增強系統穩定性；并借助5G網絡無縫切換的移動性，實現在線實時協同調度，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 定制化設備選型方案

在專網部署的基礎之上，本文考慮對不同區域的無線基站設備部署提出優化方案以確保高質量的網絡服務。圖3中，為針對不同區域智慧終端設備提供通信服務的5G專網基站，需根據區域空間環境情況及生產作業通信需求提供定制化的設備選型方案。除了依照功能劃分區域以外，某個特定功能區域可根據其區域內包含的終端設備情況及業務特征對區域進行細化。定制化設備選型方案需結合智能無人倉業務的迭代升級需求考慮設備的長期演進規劃、多頻段支持能力、超級小區、切片、節能、易優化、可更換等能力，為每個區域選擇合適的獨立設備和功能，根據干擾和獨享資源等需求定制切片方案、精準調節信號的天線方案，可用于功率調節和附加增值軟件功能較多的設備。在最低的建設成本下，保證網絡設備部署的持續可用。實際場景應用中備選的設備性能參數見表1。

表1 設備性能參數

根據園區指定區域的空間物理環境特點及生產作業通信需求，選定合適的設備與終端保持實時連接。以下依據設備的功率、MIMO數、支持頻段、載波數及網絡制式等性能參數，為工作區域作出定制化設備選型方案。

例如考慮區域工作面積小、單終端業務模型容量不高且測試設備密度較大、背負式貨架衰減大、與相鄰區域同處開放空間需要控制干擾、業務開發迭代快、對性價比要求高等因素，則選擇較低功率設備1；考慮區域與相鄰區域類似，需在主測試區避免信號干擾，并在邊緣相鄰形成弱信號測試和切換測試環境等因素，因此需選擇與相鄰區域相同的設備；考慮區域內工作面積小且業務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、多載波的設備1。

考慮區域內終端設備動線短，但貨物和貨架對信號遮擋較嚴重，業務模型上行速率較大且需考慮與相鄰區域的切換測試等因素，因此選擇中功率、高容量、低時延的設備2；考慮區域需在室內模擬室外信號環境，測試區中間有隔斷墻、業務模型要求時延低、建設成本敏感等因素，因此選擇中功率、低時延的設備2。

考慮區域作業工作面積狹長，且與其他區域緊密相鄰，互相干擾嚴重，單終端業務模型上行速率較大，且測試設備對切換時延敏感等因素，因此選擇大功率、高容量、低時延的設備3。

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

3.3 網絡性能評估

基于實際生產中的倉儲物流專網場景，提取園區區域小區用戶面通信指標以評估網絡性能，驗證5G專網的搭建足以支持敏感場景倉儲行業對服務質量的高需求。

采用接入性指標RRC連接平均建立時長及保持性指標無線接通率作為衡量網絡質量的參數指標。小區RRC連接平均建立時長如圖4所示，以15 min為粒度、6 h為測試時間區間，提取出小區RRC連接平均建立時長，觀察圖4可以發現，平均建立時長基本穩定在22.4 ms左右。小區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，提取測試園區小區RRC連接平均建立時長指標分析并繪制時延分布圖，共264個頻次大于0 ms，其中3個小區時延大于40 ms，并且每個小區只重復出現1個。所有測試數據中時延不超過43 ms，滿足倉儲對時延的需求。考慮倉儲車間中終端的移動性，提取小區的保持性指標無線接入率，觀察表2可以看出小區的無線接通情況良好，由于終端移動導致的高頻次小區接入切換現象并沒有影響到終端與基站之間的通信。

圖4 小區RRC連接平均建立時長

圖5 小區RRC連接平均建立時長分布情況

表2 小區無線接通率分布情況

4 結束語

5G 專網在低時延、可靠性、網絡安全及能力開放管理等方面具有明顯優勢，是智能倉儲信息化建設的技術基礎。本文結合實際場景，搭建物流智能倉儲5G專網，驗證5G專網部署方式可滿足智慧倉儲工業領域的高標準通信需求，并針對專網組網場景提出了定制化設備選型方案。在專網實際部署中，需考慮生產作業通信需求、網絡成本等因素以完成5G專網組網覆蓋實施。5G專網可按需部署，滿足行業客戶對高質量服務的需求，未來將會應用于各類垂直行業場景中。