物流倉儲場景應用下5G網(wǎng)絡切片技術的優(yōu)化方案

0 引言

5G 應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QoS方案難以滿足5G業(yè)務對網(wǎng)絡性能的嚴苛需求，迫切需要網(wǎng)絡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)絡切片技術，通過對網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一管理，不同業(yè)務分配相互隔離，能夠滿足業(yè)務需求的資源及不同業(yè)務的網(wǎng)絡性能需求。為了實現(xiàn)網(wǎng)絡切片技術，5G 通過引入軟件定義網(wǎng)絡（SDN）與網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）技術實現(xiàn)計算存儲與網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一管理。

邊緣云（MEC）技術是5G 技術體系中一個比較重要的技術手段。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)時代的到來及云計算應用的不斷發(fā)展，集中式的云已經(jīng)無法滿足終端側“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，在無線側處理更為妥當。將云能力下沉到邊緣側，對無線側網(wǎng)絡需求進行預處理，在提高用戶體驗的同時減輕網(wǎng)絡負載。

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

1 5G網(wǎng)絡切片技術

1.1 5G切片概念

3GPP SA1 提出網(wǎng)絡切片的需求［1］，通過需求分析，指出網(wǎng)絡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，為5G多場景下的需求提供解決方案。3GPP SA2研究端到端網(wǎng)絡切片系統(tǒng)設計，定義了網(wǎng)絡切片的相關概念和切片控制流程，包括網(wǎng)絡切片標識、網(wǎng)絡切片接入與選擇、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 典型應用場景，定義了不同的標準化切片/業(yè)務類型。

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

圖1 網(wǎng)絡切片管理功能示意

1.2 5G網(wǎng)絡切片技術研究現(xiàn)狀

基于1.1 節(jié)中網(wǎng)絡切片的定義，很多文獻對網(wǎng)絡切片技術進行了細化。文獻［3］和［4］從無線網(wǎng)絡側出發(fā)，研究網(wǎng)絡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)絡能力開放的5G切片管理方法，通過網(wǎng)絡開放能力反饋切片管理所需網(wǎng)絡參數(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)絡結構出發(fā)，設計新型的網(wǎng)絡管理架構，進行切片需求導向的基礎設施網(wǎng)絡間協(xié)作性能分析，實現(xiàn)整個5G 網(wǎng)絡的資源分配。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，設計面向ToB 行業(yè)的網(wǎng)絡切片解決方案。

總之，上述文獻均是單獨考慮網(wǎng)絡切片技術在各種場景下的優(yōu)化。文獻［4］提出將網(wǎng)絡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)絡邊緣，由MEC 控制整個網(wǎng)絡資源以實現(xiàn)網(wǎng)絡請求的快速響應。一方面，這不利于整個網(wǎng)絡的安全性，因為邊緣云下沉到用戶側，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)絡資源分配難以協(xié)調。

1.3 MEC

MEC 是基于云計算技術的核心和邊緣計算能力，構筑在邊緣基礎設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)絡邊緣，目的是減少延遲，確保高效的網(wǎng)絡操作和服務交付，提升用戶體驗。一般來說，邊緣服務有以下幾個特點［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，能夠實現(xiàn)組織的管理模式。這表明，邊緣服務設備的存在不會給現(xiàn)有的網(wǎng)絡狀態(tài)管理帶來更大的代價，就像是在網(wǎng)絡中插入了一個可用的網(wǎng)絡計算設備。

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

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

d）一般來說，邊緣服務設備是構建在計算資源虛擬化的基礎之上的（例如使用了Amazon ECC2 和OpenStack 等經(jīng)典云資源虛擬化技術）。本文將MEC技術融入網(wǎng)絡切片管理架構中，就是利用了MEC 的網(wǎng)絡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)絡請求，減少端到端的網(wǎng)絡切片負載。

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

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)代物流技術向著大規(guī)模數(shù)字化、智能化、集成化、自動化發(fā)展?？焖?、高效、安全的進行倉儲作業(yè)已經(jīng)成為生產企業(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)絡監(jiān)控，智能物流倉儲的網(wǎng)絡監(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)絡示意圖

2.2 大規(guī)模AGVS調度場景

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較多，室外基站信號無法提供強有力的通信保障；室內貨架、分揀線、智能機械設備等材質多種多樣，如木質、鋼鐵、塑料等，不同的材質對信號衰減有不同的影響。此外，大規(guī)模的自動化機器調度場景，如AGV 協(xié)同運輸，需要多臺AGV 與調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調度；有些AGVS 控制器部署在倉儲本地，會存在AP跳轉時AGV 卡頓甚至宕機風險?？紤]到AGVS 調度對時延的要求，將調度系統(tǒng)放置云端方案還不成熟。

5G 技術的成熟，使得5G 信號質量逐步提高，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 云調度場景，最需要的便是5G 的低時延、廣連接的特性，倉儲內部有望通過5G波束賦形技術避免AGV 通信卡頓問題。因此，AGVS 云化調度系統(tǒng)需要5G切片技術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)絡示意圖

3 物流倉儲環(huán)境中5G網(wǎng)絡切片技術優(yōu)化

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

網(wǎng)絡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的網(wǎng)絡請求。收到請求后：

圖4 網(wǎng)絡分析管理器功能示意及交互邏輯圖

第1步，調用業(yè)務需求分析模塊，對用戶的網(wǎng)絡請求進行分析。用戶向網(wǎng)絡發(fā)起網(wǎng)絡請求，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)務參數(shù)（業(yè)務類型及安全性指標等）。此業(yè)務需求分析模塊首先根據(jù)業(yè)務參數(shù)分析，初步判定哪些網(wǎng)絡性能是由MEC 來提供，哪些是由網(wǎng)絡切片技術來提供。主要判定的依據(jù)是此業(yè)務是否需要跨域或者上云，如果是則由網(wǎng)絡切片提供服務，否則由MEC進行服務。

第2步，調用聚合業(yè)務及網(wǎng)絡性能分析模塊。此模塊將根據(jù)現(xiàn)有的網(wǎng)絡條件對第1 步的決策進行微調。聚合分析是將所有業(yè)務的網(wǎng)絡請求綜合起來，并結合現(xiàn)有的網(wǎng)絡資源進行整體分析?？刹捎秘澬乃惴ǖ葋砼卸ìF(xiàn)有網(wǎng)絡是否可以滿足其業(yè)務需要，如果RAN 側網(wǎng)絡資源緊張，則考慮轉移一部分應用至MEC端，反之亦然。

第3步，調用任務分配模塊。根據(jù)第2 步的分析結果，下發(fā)網(wǎng)絡切片需求及MEC 處理任務，并將相應的數(shù)據(jù)流引入各自流程中。

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

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

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

第2步，網(wǎng)絡分析管理器接收請求，并對請求參數(shù)進行分析，結合剩余網(wǎng)絡資源，判定該業(yè)務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，則將相應的需求參數(shù)發(fā)送至網(wǎng)絡切片管理器進行處理；否則交由MEC處理。

圖5 邊緣云與網(wǎng)絡切片的融合技術方案流程

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

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

4 結束語

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