5G MEC智慧仓储专网设计

洪成洋，刘 洋

（中通服咨询设计研究院有限责任公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

物流行业是支持国家发展的的基础性、战略性产业，优质的物流服务与高效的运营能促进社会、经济的高速发展[1]。特别是自2019年起，货物跨地转移数量急剧增长、频次愈加频繁，服务范围更加广阔，整个物流业呈现了复杂多变的形态。在此背景下，现代物流供应链中的订单、仓储、运输和配送等各个环节急需最前沿信息技术升级改造，全面提升物流供应链的智慧化水平。其中以仓储最为重要，但当前物流仓储存在三大困难：成本高、效率低、数字化程度低。成本高主要体现在仓储作业还是传统的人工模式，用人成本的不断攀升；效率低主要表现在网络化、集约化程度低，资源共享程度低，在揽配等物流作业环节自动化程度低；数字化程度低是指在信息化、数字化、智能化长期发展战略上尚未形成体系，很难最大化地发挥出大数据、人工智能等技术的优势[2]。因此物流仓储与人工智能、AR/VR、区块链等新技术的融合创新成了必然趋势[2]。这些新技术对无线通信的带宽、时延、接入能力提出了更高的要求。5G 作为革命性通信技术，具有超越光纤的无线传输速度、超越工业总线的实时能力以及全空间的连接能力，能够与新技术有机融合，解决物流领域的很多重要问题，从而实现仓储智能化、无人化，推动物流业成功转型[3]。

1 智慧仓储对5G业务需求分析

物流仓储的发展方向是仓配一体化、无人化、园区化。在一个省级物流园内，仓储工作区可达数万平方米，为了对土地进行更加集中的利用，仓储工作区一般是使用层格式货架或高层货架这类高架仓库。仓内还有货物存取和输送系统，承担货物存取、出入仓库的功能，常见的输送系统有传输带、穿梭车、自动导引车、智能分拣机器人、叉车以及拆码垛机器人等[4]。装卸机械承担货物出入库装车或卸车的工作，一般由行车、吊车、叉车等装卸机械组成[5]。此外，仓储内布放着千万级别数量的多种类型传感器，传感器采集仓储内环境状态，传输带运行等各种信息，并转化为转为电信号数据，而这些数据将为智慧中央平台实时了解当前整个仓库各个环节运行情况提供了支撑，中央平台通过大数据、人工智能等手段处理、分析数据，生成决策指令，指导库内作业单元工作。但是由于在拥挤的空间中存在着大型金属机器，电磁波的传播环境非常恶劣，来自机械机器人、传感器等的高流量可能会使网络超载，并引起干扰，来自业务程序对安全性、可靠性的额外限制，也增加了对网络资源的需求。在当前，仓储作业仍以传统WiFi+工业总线作为主要的通信手段，搬运AGV、AMR，机械臂等智能设备通过WiFi无线或者工业总线与控制系统、运维系统进行指令与数据的通信，然而随着业务增长，仓储智能设备越来越智能化，规模也越来越大，设备与控制系统、运维平台的通信量也随之增大，对无线网络通信带宽、可靠性及通信延时要求变的更高。主要挑战包括：（1）单一的无线AP无法覆盖整个仓库范围，WiFi 接入容易存在切换丢包、网络稳定性差等问题，降低仓储生产线的工作效率[6]；（2）有线通信限制机器人的移动；（3）仓库控制系统（Warehouse Control System，WCS）、仓库管理系统（Warehouse Management System，WMS）、地面控制系统、运维系统等服务集群采用本地部署方式，并通过局域网与仓储管能设备进行通信，系统部署难度大、成本高、硬件资源存在忙时闲时利用不均衡，远程维护困难。此外，在引入人工智能、AR/VR、区块链等新一代技术后，传统通信模式变得更加难堪。人工智能业务要求很大的流量宽带，带宽要求≥40 Mb/s；智能机器人对时延和可靠性极其敏感，连接时延要达到10 ms以下，甚至是1 ms的级别；仓储内各种物联传感器对数据速率要求较低，属于小数据包业务，但千万级别规模，信令交互连接可能导致信令风暴。

2 5G MEC智慧仓储专网设计方案

建设5G MEC仓储专网可以解决上述通信困难，并实现仓储内所有智能终端“一网统管”，通信资源按需分配，为其他信息技术打造智慧物流奠定坚实的通信基础。5G MEC专网的优势在于以下几点。

（1）5G专线部署与公网完全隔离，避免通信干扰拥塞。

（2）核心网用户面功能下沉，MEC在靠近行业数据源的移动边缘网络侧，部署计算、网络和存储能力，可以直接获取的实时无线网络信息（如用户位置、基站负载等）的业务环境，避免了流量在核心网的迂回，减少了业务传输时延。此外仓储智能设备主控上运行的导航定位、激光雷达、视觉图像识别及环境感知等需要复杂计算能力需求、WCS、WMS、地面控制系统、运维平台的需求上移到5G的边缘计算服务器上，以实现云端算力下沉，终端算力上移，从而在边缘计算节点形成兼顾时延，成本和算力的汇聚点[7]。

（3）业务本地闭环，满足行业客户对企业生产数据安全与私隐保护的要求。

2.1 运营商虚拟专网方案

5G网络切片技术可将运营商的物理网络切分，构建多个专用的、按需定制的虚拟的逻辑网络[7]，5G网络在核心网/承载网/无线网按需配置好子切片，MEC部署在靠近物流仓储附近的结点上。这种端到端切片形成的虚拟专网方案优点是：（1）网络部署快捷，物流企业不需维护；（2）通信质量有运营商保障。但缺点也很明显，即：（1）受运营商MEC部署位置影响，通信低时延可能无法保障；（2）用户信息与生产数据离开园区，安全性取决于虚拟网络的质量。

为了满足物流企业对数据留在园区的需求，提出建设物理5G网络的方案，根据是否需要在企业内部建设完整的核心网，可将方案划分为混合专网与独立专网。

2.2 混合专网方案

方案一如图1（a）所示，通信运营商在企业的仓储作业区内部署5G基站，核心网的控制面功能仍然由公网承担，但将用户面（UCF）下沉到企业园区机房内，MEC就近部署[8]。MEC与UPF通过N6接口相连，UPF通过N6接口与企业内网相连。从图中可以看出，5G基站资源与传输资源是共享资源，满足企业用户与普通用户的使用。但通过分流，ULCLUPF将企业内部的使用的业务与一般的业务区分开来，并分别通过主/辅锚点UPF，送达给中心网络或本地网络。这种混合专网既能保障时延要求，又能满足数据安全地保留在工业园区，本地流量本地消化。方案二如图1（b）所示，相比于方案一，运营商分离了承载网，并增加5G基站数量或者载波数，目的是使企业用户能独占整个基站。这种方案的优点是超低时延、数据安全，缺点是部署后期维护成本都很高。

图1 混合专网建设方案

2.3 独立专网方案

对于自主控制要求更高的大企业客户，独立专网是个良好的方案。

如图2所示，运营商为物流企业建设独享的、完整的5G网络，包括独享5G基站、独立的承载网以及独享的核心网，实现与公网完全隔离。一般用户走公网通信，企业用户数据走专属通道直接回传到企业本地网或者经企业级核心网转发到远程企业云。本地网部署边缘云算力，提供弹性扩展的存储、计算、网络能力，使得数据管理更智能、存储方式更灵活。少部分全局性的用户面数据则送到企业云端进行全局处理，实现边缘计算和云端计算保持高效协同、合理分担运算任务。

图2 独立专网建设方案

综上，企业可以根据自身需求（包括数据安全性、部署维护成本等因素）选择合适的组网模式。

3 结 论

未来，将从以下几个方面深入研究，以促进物流业更进一步智慧化。首先，加强基础技术研究，结合5G通信技术，在智慧物流领域深化AI机器人、增强现实等关键技术的突破。其次，促进国家统一标准的制定，加强5G在物流应用的标准制定与推广，将相关上下游的企业纳入到5G智慧物流产业的生态链中，从而使5G智慧物流不断地与新的经济模式不断地融合推进和发展。最后，积极推动应用落地，推动更多场景的5G技术落地，实现物流全环节人员、设备、数据的互联和园区仓储站点、车辆、末端设备等全流程基础设施的互通，实现 5G 及相关智慧技术在物流行业的深度融合。