5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在物流優(yōu)化中的應(yīng)用研究

路 婷，段晨輝 （鄭州工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451400）

0 引 言

在過去的幾年里，由于互聯(lián)網(wǎng)和移動通信等技術(shù)對消費者日常生活的影響，消費者的心理預(yù)期發(fā)生了變化。他們已經(jīng)習(xí)慣了由這些技術(shù)提供的即時性和個性化體驗，并且這些需求已經(jīng)滲透到如服裝、電子產(chǎn)品、汽車、家具等多領(lǐng)域中，新的用戶需求也改變了商品的銷售和分銷方式；越來越多的用戶在網(wǎng)上購買和銷售產(chǎn)品。這迫使物流供應(yīng)鏈向靈活和高效的方向發(fā)展。隨著成本的增加和對低排放工藝的需求，能源也成為物流中的一個挑戰(zhàn)因素。因此，制造業(yè)以及物流行業(yè)正在轉(zhuǎn)向一個更加靈活和適應(yīng)性更強的模式，以適應(yīng)工業(yè)4.0。工業(yè)4.0即第四次工業(yè)革命，它起源于消費者需求的轉(zhuǎn)變。為了提高生產(chǎn)和分銷流程的靈活性，工業(yè)4.0的核心共有四種主要的促進技術(shù)：

大數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)分析是一個基本的組成部分，主要用于把握消費者需求、預(yù)測市場趨勢或解決生產(chǎn)和物流機制中的技術(shù)問題。云計算等技術(shù)通過外包和優(yōu)化計算資源來降低成本。

無線連接：工業(yè)和物流設(shè)備的連接用于連接機器，通過企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)系統(tǒng)協(xié)調(diào)生產(chǎn)，監(jiān)控等無線連接，降低部署和重組成本，提高靈活性。

低成本傳感器：在過去的幾年中，連接傳感器價格的下降使得大量數(shù)據(jù)得以被收集并用來追蹤產(chǎn)品，或者監(jiān)控流程、機械和環(huán)境狀況。

機器人技術(shù)：目前機器人的能力和自主性越來越強，這使得重復(fù)性、復(fù)雜性或風(fēng)險過高的任務(wù)可以自動化，能夠改善人力勞動者的工作條件。機器人還可以快速地被重新編程，在生產(chǎn)中快速變更生產(chǎn)行為。圖1顯示了不同行業(yè)4.0技術(shù)之間的依賴關(guān)系。

在一個高度依賴數(shù)據(jù)的行業(yè)中，機器類型的通信存在于許多設(shè)備中，并逐步取代了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。在工業(yè)設(shè)想中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的要求是非常具有挑戰(zhàn)性的。一些應(yīng)用程序具有有限的延遲和一定的可靠性要求，對于帶寬的要求很高，這是因為工廠的位置不利或空間密度較大。因此，現(xiàn)有的無線技術(shù)，如標準 WiFi的能力不足以滿足這些要求。5G的發(fā)展已經(jīng)將其作為主要用例之一，以考慮到不同類型應(yīng)用的需求。5G是一種圍繞垂直領(lǐng)域開發(fā)的技術(shù)，如車輛通信、娛樂或工業(yè)4.0。智能物流通常被認為是行業(yè)4.0的一部分，但與其他的行業(yè)4.0情景有具體的區(qū)別。正如摘要中所說的那樣，智能物流有多種不同的情景：貨運、交貨、倉儲等。文章對智能物流進行了文獻研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前無線技術(shù)的局限性以及存在的一些公開問題，并得出結(jié)論認為有必要更好地做好5G開發(fā)工作，以支持智能物流的發(fā)展。

文章提出了一個管理系統(tǒng)的5G網(wǎng)絡(luò)，可以更有效地使用一個系統(tǒng)啟動的供應(yīng)鏈。這個系統(tǒng)是基于一個建模步驟，以及量化的應(yīng)用程序的需求，必須考慮優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的重要性。本文提出了一種提取這些需求并將其轉(zhuǎn)化為連通性需求的方法，通過該系統(tǒng)來適應(yīng)和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置。與此同時，5G網(wǎng)絡(luò)的局限性也必須得到考慮，并以滿足應(yīng)用需求的方式得到緩解。無論從學(xué)術(shù)角度還是從市場角度來看，5G和智能物流都是兩條非常重要的研究路線。因此，本文研究了智能物流應(yīng)用中連通性的特殊性，并為5G 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)置了基礎(chǔ)。本文的第二節(jié)，對現(xiàn)有的解決方案在工業(yè)4.0無線連通性進行了回顧。第三節(jié)探討了為智能物流提供連通性的問題。第四節(jié)詳細介紹了采樣抽取方法和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。第五節(jié)給出了解決方案，并通過對其進行權(quán)重分析后，得出結(jié)論。

1 相關(guān)工程

1.1 無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響因素

工業(yè)環(huán)境中的無線網(wǎng)絡(luò)對于無線連接來說是一個非常具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境。主要由于以下三個因素 ：

惡劣的無線電傳播環(huán)境，在擁擠的空間，如工廠或配送中心，有大型金屬機器的存在；

來自機器、傳感器等的高流量，可能使網(wǎng)絡(luò)超載，成為干擾源；

應(yīng)用程序的限制性要求，這增加了對網(wǎng)絡(luò)資源的要求。

此外，還有其他來自業(yè)務(wù)邏輯的一般性要求，如安全性、價格等，這些要求對無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計有很大的影響。就物流而言，一個重要方面是網(wǎng)絡(luò)范圍。而局域網(wǎng)，其范圍高達幾百米，能夠有效覆蓋工廠或配送中心，以涵蓋一個完整的供應(yīng)鏈，廣域網(wǎng)是最常見的 LAN 技術(shù) ieee802.11系列常用于一些工業(yè)部署。該系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于零部件的價格和高可用性較低。一些基于ieee802.15.4的協(xié)議已經(jīng)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中被采用。網(wǎng)絡(luò)主要被設(shè)計為具有低數(shù)據(jù)率和高彈性的傳感器網(wǎng)格連接，也基于該系統(tǒng)，對低功耗設(shè)備進行了優(yōu)化。所有這些技術(shù)都采用局域網(wǎng)，在該領(lǐng)域，這樣的協(xié)議為功耗有限的設(shè)備提供了低帶寬連接。蜂窩網(wǎng)絡(luò)，已被應(yīng)用如傳感器和機器人技術(shù)當(dāng)中。盡管如此，這些細胞技術(shù)并不是專門為機器人設(shè)計的，而是因為考慮到了節(jié)能因素以及可靠性和覆蓋率。如圖1所示，盡管使用了所有這些技術(shù)，但它們的能力不足以滿足某些新型工業(yè)4.0的應(yīng)用需求，例如擴增實境、自動導(dǎo)航車輛等為低功耗環(huán)保設(shè)計的技術(shù)，它們滿足了某些應(yīng)用的覆蓋需求，例如在地下或容器內(nèi)部等困難地方，但仍舊不能在高密度的環(huán)境中被應(yīng)用。它被設(shè)計為寬帶接入技術(shù)，盡管它的最高數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)很快(下行100Mbps，上行50Mbps)但是對于最極端的工業(yè)應(yīng)用來說，還不夠高。目前的技術(shù)，只有5G可以應(yīng)付延遲和可靠性要求的某些應(yīng)用，如閉環(huán)控制或安全系統(tǒng)。為了支持新穎、高要求的應(yīng)用，對未來5G技術(shù)的研究已經(jīng)成為工業(yè)4.0主要的垂直研究領(lǐng)域之一。因此，針對特定應(yīng)用優(yōu)化服務(wù)質(zhì)量的新解決方案以及能源消耗已經(jīng)發(fā)表。

圖1 工業(yè)4.0技術(shù)及其相互依賴性

1.2 機器型通信和5G

在工業(yè)、物流和其他可能的場景中，有許多依賴于無線連接的應(yīng)用，每個應(yīng)用都有特定的功能(例如交通到達率)和需求(例如延遲)。網(wǎng)絡(luò)不可能對每一個可能的特性和要求進行優(yōu)化組合。因此，需求通常被簡化并分組為三個流量概況(如圖1所示)：

大規(guī)模機器類型通信：由大量發(fā)射器組成，每個發(fā)射器傳輸?shù)退俣群涂煽啃砸蟮亩滔ⅰ＿@個配置文件涵蓋應(yīng)用程序，如傳感器網(wǎng)絡(luò)或智能跟蹤標簽。

超可靠的低延遲通信：由很短的關(guān)鍵消息組成，但在延遲和可靠性方面有非常嚴格的要求。它涵蓋了諸如工作安全應(yīng)用，精確過程控制和半自動汽車駕駛等方面。

增強型流動寬頻：寬頻通訊對于可靠性和延遲要求不是很嚴格。此流量配置文件代表應(yīng)用程序，如互聯(lián)網(wǎng)瀏覽或傳輸多媒體內(nèi)容是最終用戶的流量概況。在工業(yè)應(yīng)用中，它涵蓋了視頻監(jiān)控等方面。

由于其消息的關(guān)鍵，新技術(shù)通常涉及額外資源的分配。例如，在新的5G多連接特性中，除了主系統(tǒng)之外，一個或多個額外的資源同時分配給單個設(shè)備，提供更高的冗余并降低數(shù)據(jù)包丟失的概率。多連接是以必須從網(wǎng)絡(luò)中的其他用戶回收資源為代價的。二級網(wǎng)絡(luò)的選擇仍然是一個懸而未決的研究課題。為了減少延遲，無授權(quán)傳輸技術(shù)可以減少訪問時間。這種技術(shù)在低負荷下是有效的，但在中高負荷下可能會發(fā)生碰撞。為了避免在沖突中丟失數(shù)據(jù)包，可以采用無授權(quán)傳輸與傳輸重復(fù)相結(jié)合的方式，盡管沖突抵消了減少延遲的優(yōu)勢，但所有技術(shù)都會影響無線接入網(wǎng)絡(luò)。為了補充這些技術(shù)，這個消息在中繼網(wǎng)絡(luò)中被賦予了更高的優(yōu)先級，并使用了更高層次的技術(shù)，如移動邊緣計算。在這個系統(tǒng)中，遠程服務(wù)器以使用云計算技術(shù)運行一個實例的方式來“接近”最終用戶，通過減少信息必須傳達的距離來減少網(wǎng)絡(luò)延遲。多連通性也被用來提供更多的寬帶通道并增加該應(yīng)用程序的帶寬。模擬技術(shù)也被研究，實現(xiàn)了幾個空間復(fù)用信道與天線的傳輸數(shù)組。多重連接和它都實現(xiàn)了更高的聚合數(shù)據(jù)傳輸速率，其代價是更高的能源消耗和減少其他用戶的可用資源。減少帶寬是主要的解決方案之一。首先，允許更多的信道；其次，窄帶傳輸增加了覆蓋范圍；最后，降低了設(shè)備的能源消耗。另一方面，窄帶載波的數(shù)據(jù)率較低，其他方法是基于非正交多路訪問，無連接訪問或消除同步需要的波形。這些技術(shù)都有一些缺點即增加了設(shè)備的復(fù)雜性和功耗。

2 問題公式

為了更好地理解物流中的通信挑戰(zhàn)，區(qū)分智能物流是如何演變的以及它的主要特征是非常重要的。圖2總結(jié)了智能物流與傳統(tǒng)零售物流的區(qū)別。

圖2 零售物流與智能物流的比較

工業(yè)4.0的一個基本假設(shè)是消費者對定制商品的需求越來越大。根據(jù)這種定制的需求，用戶到網(wǎng)上商店尋找附近零售店買不到的偏遠地區(qū)的商品。單一產(chǎn)品的消費者可能分布在世界各地，銷售可能發(fā)生在偏遠地區(qū)。另一方面，產(chǎn)品銷售商可能是大型制造商或小型生產(chǎn)商，他們根據(jù)需求制造或運輸產(chǎn)品，而不是按照規(guī)律和可預(yù)測的速度生產(chǎn)批量產(chǎn)品。除此之外，消費者還需要有一個逆向物流在適當(dāng)?shù)牡胤椒祷禺a(chǎn)品。因此，在線市場最突出的特點是稀缺的需求和貨物運輸?shù)臅r間和空間。在傳統(tǒng)的零售物流中，生產(chǎn)和運輸是大批量完成的，運輸?shù)絽^(qū)域倉庫，并在那里儲存，直到他們交付到零售商店。零售商店通過觀察銷售率和預(yù)測未來的需求，以一種可預(yù)測的方式拉動需求。這一方案適用于主要產(chǎn)品，這些產(chǎn)品不會隨著時間的推移而改變，需求高且穩(wěn)定，消費者集中在一個地區(qū)。另外，規(guī)模經(jīng)濟有助于降低這些產(chǎn)品的生產(chǎn)、運輸、儲存和銷售成本。

然而，對于前面描述的定制產(chǎn)品或銷售緩慢的產(chǎn)品，這種方案無疑是失敗的。由于他們的銷售不規(guī)律，不能存儲在倉庫；一方面，如果銷售沒有以足夠高的速度發(fā)生，存儲將隱含高成本；另一方面，如果需求激增，缺乏庫存可能導(dǎo)致出現(xiàn)貨物短缺。此外，小批量產(chǎn)品的裝卸、碼垛、運輸?shù)冗^程增加了物流的復(fù)雜性。傳統(tǒng)物流的另一個挑戰(zhàn)是可能發(fā)生的事件，這些事件迅速改變了某些產(chǎn)品的需求，從而需要改變倉庫平面運輸計劃。因此，當(dāng)前物流面臨的挑戰(zhàn)圍繞著供應(yīng)鏈中的運輸庫存、稀缺性、需求和趨勢(包括對其他穩(wěn)定產(chǎn)品需求的激增)。

3 建議的方案

該系統(tǒng)的目標是優(yōu)化可用資源在不同流量分片中的分配，以達到所支持的行業(yè)4.0應(yīng)用程序的要求。圖3顯示了系統(tǒng)的總體輪廓，本節(jié)將對此進行詳細說明。作為初步步驟，應(yīng)用程序必須按照解釋建模。然后使用大數(shù)據(jù)分析來預(yù)測工作負載，并在網(wǎng)絡(luò)元素的服務(wù)區(qū)域內(nèi)估計將執(zhí)行哪些應(yīng)用程序和多少實例。

應(yīng)用根據(jù)需求建模適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的第一步是收集所提供流量的需求和特征的信息。提供的流量由網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)運行的多個或單個應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)流組成。因此，了解流量，需要兩種不同類型的信息：每個應(yīng)用程序的流量配置文件，以及應(yīng)用程序運行實例集。為了獲得流量配置文件，每個應(yīng)用程序必須首先建模，以提取到它們一端到另一端行為的以下特征：

需要的延遲：在服務(wù)器中消息傳輸和接收之間的最大時間，以毫秒為單位。基于，可以認為低于10ms 的延遲被認為是低的，而高于200ms 的延遲被認為是高的。

所需帶寬：應(yīng)用程序所需的最低比特率。根據(jù)，100兆比特每秒的帶寬被認為是很高的。

關(guān)鍵性：信息的重要程度。沒有標準的測量方法，但它通常是以0% (非臨界)和100% (臨界)之間的比例給出的。

流量到達率：每個服從的連接數(shù)量取決于每個設(shè)備傳輸?shù)南?shù)量和部署在其服務(wù)區(qū)域的設(shè)備密度。系統(tǒng)的容量取決于傳輸時間的間隔，即物理層幀的持續(xù)時間。一個交通到達率30到達每T可以被認為是高的。有了這些信息，就可以定義應(yīng)用程序的向量建模。這個向量包含三個組件，每個組件表明應(yīng)用程序的流量與流量配置文件的行為有多相似。為了計算每個組件，本文提出了一個模糊邏輯控制器，獲得一個評級系統(tǒng)，該系統(tǒng)以前面描述的參數(shù)值作為輸入值，并基于一些簡單的啟發(fā)式規(guī)則返回圖3每個配置文件的權(quán)重。

圖3(模糊化)的第一步是將前面描述的變量的輸入數(shù)值轉(zhuǎn)換成人類可理解的值(也稱為模糊集)，如“高”或“低”。在模糊邏輯中，這是通過隸屬函數(shù)來完成的，隸屬函數(shù)在數(shù)值輸入的范圍內(nèi)給出一個值，并返回一個介于0和1之間的值。返回值越高，模糊集中該值的隸屬度就越高。圖3顯示了延遲、帶寬、臨界值和流量到達率的高集和低集的成員函數(shù)。這些成員函數(shù)可能會隨著具有不同需求的新應(yīng)用程序進入市場而發(fā)生改變，并且未來的網(wǎng)絡(luò)代將允許更多的通信。圖3中的第二步是模糊規(guī)則的應(yīng)用。這些都是啟發(fā)式規(guī)則，以“如果……那么……”的語句形式。語句的前半部分包含對輸入的模糊值的斷言，如“延遲很低”。這些斷言的激活度等于輸入變量對指定模糊集的隸屬度。在“延遲較低”的情況下，用它來表示隸屬度值，其中它是模糊集低延遲的隸屬度函數(shù)，也是延遲需求的數(shù)值。如果有一個和操作符加入了幾個斷言，它將是成員關(guān)系度的最小值；但是，如果它由一個或操作符加入，它將是成員關(guān)系度的最大值。表1給出了給定延遲、帶寬、臨界值和流量到達率的模糊值的模糊規(guī)則，給每個概要賦予一個權(quán)重。表1中的第三步，也是最后一步是對所得到的信息量進行歸一，使總和等于1。通過這種歸一化，使得到的向量代表了這些程序之間的流量組成。

圖3 擬議系統(tǒng)概覽

為了說明這個過程，表1顯示了一個為AR 應(yīng)用程序建模的示例。為了避免頭暈，AR要求更新速度非常快，這意味著延遲需要低至1毫秒，以便在非常短的時間內(nèi)傳輸高質(zhì)量的視頻，需要高達100兆比特每秒的帶寬。AR的臨界性不是極端的(即，它的小功能不會對人的生命造成危險)，但仍然很高(70%)，因為數(shù)據(jù)包丟失可能會導(dǎo)致非常差的用戶體驗。最后，流量到達率很低；遠低于一個新的連接每T。當(dāng)這些數(shù)字填充到成員函數(shù)中時，將獲得高集和低集的值，然后在規(guī)則中使用這些值。

表1 建模過程的例子

大數(shù)據(jù)預(yù)測一旦對每個應(yīng)用程序的流量進行建模，就必須計算每個網(wǎng)絡(luò)元素中將要運行的實例的數(shù)量。如圖2所示，這是在第二步中完成的，其中使用來自外部來源的大數(shù)據(jù)分析來計算矢量，表示每種服務(wù)的聚合比例。大數(shù)據(jù)分析是一組技術(shù)，能夠從大型復(fù)雜的數(shù)據(jù)源中提取到豐富的信息。在物流情況下，有一個數(shù)據(jù)流，以運行平行流動的運輸產(chǎn)品。供應(yīng)鏈中數(shù)據(jù)來源的一些例子如下。

相關(guān)購買趨勢的信息：有許多外部事件可能會刺激公眾購買特定產(chǎn)品。通過對這些事件的進行分析，可以對供應(yīng)鏈中的產(chǎn)品及其數(shù)量進行預(yù)測。

道路交通信息：配送中心的貨物流入和流出高度依賴于決定卡車到達時間的交通情況，并影響配送中心的時間表。

配送中心內(nèi)部的條件：許多可以測量的參數(shù)，如溫度和濕度、儲存包裹的數(shù)量或工人的交通信息，都對物流中心的整體運作有很大的影響。

4 結(jié) 論

文章綜述了無線連接在智能物流中的作用?；仡櫫爽F(xiàn)有的無線技術(shù)，認為除了5G以外，沒有任何一種技術(shù)能夠滿足智能物流的需求。5G的設(shè)計將MTC作為主要用例之一，定義了三個流量配置文件。由于這些配置文件有不同的要求，對它們的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化將導(dǎo)致沖突的配置，通常需要進行協(xié)調(diào)。該系統(tǒng)包含以下元素：使用模糊邏輯對每個應(yīng)用程序的需求進行交通建模的方法，使用大數(shù)據(jù)預(yù)測模塊來預(yù)測網(wǎng)絡(luò)元素區(qū)域內(nèi)的交通。為了更好地說明這種方法是如何應(yīng)用的，使用從文獻中提取的需求，并對一個AR應(yīng)用程序進行了建模。最后，討論了該方法的局限性，得出結(jié)論：雖然該方法可以優(yōu)化5G 網(wǎng)絡(luò)，但當(dāng)某個配置文件的流量超出了網(wǎng)絡(luò)的全部容量時，該方法將無法運行。此外，在發(fā)生前所未有事件的情況下，大數(shù)據(jù)可能會無法預(yù)測，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的性能不能得到優(yōu)化。本文對系統(tǒng)的描述較為全面，為一個易于實現(xiàn)的解決方案奠定了基礎(chǔ)。文章將來自智能物流應(yīng)用程序的真實數(shù)據(jù)用于建模的幾個應(yīng)用程序，如 AR、 AGV、無人機等，將數(shù)據(jù)輸入程序中，用于模擬真實的智能物流情況。