物流仓储场景应用下5G网络切片技术的优化方案

0 引言

5G 应用场景需求大多是基于移动宽带增强（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）、超高可靠超低时延通信（uRLLC），不同场景对网络性能的需求迥异，单纯沿用类似于3G/4G 中面向移动宽带业务QoS方案难以满足5G业务对网络性能的严苛需求，迫切需要网络具备可以面向不同场景的用户需求按需定制的能力。5G系统引入网络切片技术，通过对网络资源的统一管理，不同业务分配相互隔离，能够满足业务需求的资源及不同业务的网络性能需求。为了实现网络切片技术，5G 通过引入软件定义网络（SDN）与网络功能虚拟化（NFV）技术实现计算存储与网络资源的统一管理。

边缘云（MEC）技术是5G 技术体系中一个比较重要的技术手段。随着5G、物联网时代的到来及云计算应用的不断发展，集中式的云已经无法满足终端侧“大连接、低时延、大带宽”的云资源需求，而且经过很多物联网场景的验证（如物流园区），很多云计算并不需要在集中式的云端进行处理，在无线侧处理更为妥当。将云能力下沉到边缘侧，对无线侧网络需求进行预处理，在提高用户体验的同时减轻网络负载。

本文针对物流仓储场景，将边缘云与5G网络切片能力结合起来，边缘云侧对网络的切片需求进行预处理，判定业务属性，将不需要通过核心网上云的业务在边缘云侧进行处理，将剩余需求给予切片服务。从而，既能更好服务于客户，又能减轻通信网络负载。5G 网络技术的技术簇，相辅相成才能发挥更大的价值。

1 5G网络切片技术

1.1 5G切片概念

3GPP SA1 提出网络切片的需求［1］，通过需求分析，指出网络切片可以让运营商根据用户需求提供按需定制的逻辑网络，为5G多场景下的需求提供解决方案。3GPP SA2研究端到端网络切片系统设计，定义了网络切片的相关概念和切片控制流程，包括网络切片标识、网络切片接入与选择、切片会话隔离、切片移动性管理、支持漫游等；针对ITU 提出的3 个5G 典型应用场景，定义了不同的标准化切片/业务类型。

此外，3GPP SA5工作组定义了网络切片管理的信息模型和服务，包括生命周期和配置管理服务、故障检测服务和性能保障服务，如图1所示。

图1 网络切片管理功能示意

1.2 5G网络切片技术研究现状

基于1.1 节中网络切片的定义，很多文献对网络切片技术进行了细化。文献［3］和［4］从无线网络侧出发，研究网络切片的资源分配策略。文献［5］和［6］从用户角度出发，提出一种基于网络能力开放的5G切片管理方法，通过网络开放能力反馈切片管理所需网络参数和运行状态，更好地实现切片管理的灵活性和时效性。文献［7］和［9］则从整体网络结构出发，设计新型的网络管理架构，进行切片需求导向的基础设施网络间协作性能分析，实现整个5G 网络的资源分配。文献［10-11］从垂直行业出发，如无人机、电网、车路协同、媒体等，研究行业属性，设计面向ToB 行业的网络切片解决方案。

总之，上述文献均是单独考虑网络切片技术在各种场景下的优化。文献［4］提出将网络切片和边缘云资源融合策略，将核心网资源和云计算能力下沉到网络边缘，由MEC 控制整个网络资源以实现网络请求的快速响应。一方面，这不利于整个网络的安全性，因为边缘云下沉到用户侧，容易遭受攻击；另一方面随着边缘云数量增多，整个5G网络资源分配难以协调。

1.3 MEC

MEC 是基于云计算技术的核心和边缘计算能力，构筑在边缘基础设施之上的云计算平台。

MEC将计算资源和存储能力带到RAN网络边缘，目的是减少延迟，确保高效的网络操作和服务交付，提升用户体验。一般来说，边缘服务有以下几个特点［2］。

a）能够提供像数据中心一样灵活的资源分配及管理，能够实现组织的管理模式。这表明，边缘服务设备的存在不会给现有的网络状态管理带来更大的代价，就像是在网络中插入了一个可用的网络计算设备。

b）具有远高于智能监控设备或者智能移动设备的计算能力，在其资源允许范围内，能够服务多个计算密集型的应用任务，同时边缘服务设备与数据中心之间一般通过有线网络设备进行联网，与数据中心能够保持很好的通信。

c）边缘服务设备具有“靠近”应用设备的特性，相对于数据中心，应用的请求能够较快地在边缘服务设备得到满足。

d）一般来说，边缘服务设备是构建在计算资源虚拟化的基础之上的（例如使用了Amazon ECC2 和OpenStack 等经典云资源虚拟化技术）。本文将MEC技术融入网络切片管理架构中，就是利用了MEC 的网络控制与资源分配能力，基于物流仓储的特点，提前处理特殊场景下（如暴力分拣监控）的网络请求，减少端到端的网络切片负载。

本文提出了一种在5G 智能物流仓库场景下的新型网络切片与边缘云融合技术。此技术不但能够充分发挥边缘云的本地化处理能力，减轻5G 网络负载，还能够更加安全合理地分配网络切片能力，在满足客户对网络能力不同要求的同时，进一步提升网络资源的使用效率。

2 物流仓储中5G典型场景分析

随着“智能制造”国家战略的实施，现代物流技术向着大规模数字化、智能化、集成化、自动化发展。快速、高效、安全的进行仓储作业已经成为生产企业的重要竞争力。5G 时代的来临更为物流升级改造带来了新的机遇。5G凭借大带宽、低时延、广连接的特性，联合大数据、人工智能、云、物联网等多种技术为物流仓储智能化升级提供了可能。

2.1 仓储5G监控场景

有别于普通的网络监控，智能物流仓储的网络监控场景需要5G的大带宽、低时延的双重保障。如视频监控场景（如监控暴力分拣），除了要求5G大带宽保障高清视频顺利传输之外，同时还需要低时延来保证视频分析的结果及时反馈回现场，违规操作部分视频（AI 识别）传到云端保存，需要边缘云与网络切片协同作业（见图2）。

图2 仓储视频监控场景网络示意图

2.2 大规模AGVS调度场景

在当代的物流仓储环境中，仓储环境相对封闭，四周墙壁的钢筋混凝土材质较多，室外基站信号无法提供强有力的通信保障；室内货架、分拣线、智能机械设备等材质多种多样，如木质、钢铁、塑料等，不同的材质对信号衰减有不同的影响。此外，大规模的自动化机器调度场景，如AGV 协同运输，需要多台AGV 与调度平台进行及时有效的通信，这一点Wi-Fi 很难保障。为解决此问题，目前有些AGV 控制器放在车端以保障通信的及时性，但此方案不能实现大规模的AGV调度；有些AGVS 控制器部署在仓储本地，会存在AP跳转时AGV 卡顿甚至宕机风险。考虑到AGVS 调度对时延的要求，将调度系统放置云端方案还不成熟。

5G 技术的成熟，使得5G 信号质量逐步提高，大带宽、低时延、广连接的特性也被各个垂直行业所看重，而AGVS 云调度场景，最需要的便是5G 的低时延、广连接的特性，仓储内部有望通过5G波束赋形技术避免AGV 通信卡顿问题。因此，AGVS 云化调度系统需要5G切片技术来保证低时延和广连接（见图3）。

图3 仓储大规模机器协同作业场景网络示意图

3 物流仓储环境中5G网络切片技术优化

通过以上分析可知，5G 切片技术能够很好地保障智能物流园区的通信质量，针对有物流特色的应用（如暴力分拣视频监控应用）也需要边缘云技术的辅助。为此，本文提出了一种边缘云与网络切片融合的技术方案，为实现此方案，本文提出了一种网络装置——网络分析管理器。此分析器是一种软件管理模块，采用微服务架构，部署于MEC 硬件中，用于处理用户网络请求。

网络分析管理器功能示意及交互逻辑图如图4所示。

如图4 所示，此管理器最先接收用户侧的网络请求。收到请求后：

图4 网络分析管理器功能示意及交互逻辑图

第1步，调用业务需求分析模块，对用户的网络请求进行分析。用户向网络发起网络请求，其参数包括Qos 参数（时延、速率、抖动、丢包率等）、容量参数（用户数、用户密度）及业务参数（业务类型及安全性指标等）。此业务需求分析模块首先根据业务参数分析，初步判定哪些网络性能是由MEC 来提供，哪些是由网络切片技术来提供。主要判定的依据是此业务是否需要跨域或者上云，如果是则由网络切片提供服务，否则由MEC进行服务。

第2步，调用聚合业务及网络性能分析模块。此模块将根据现有的网络条件对第1 步的决策进行微调。聚合分析是将所有业务的网络请求综合起来，并结合现有的网络资源进行整体分析。可采用贪心算法等来判定现有网络是否可以满足其业务需要，如果RAN 侧网络资源紧张，则考虑转移一部分应用至MEC端，反之亦然。

第3步，调用任务分配模块。根据第2 步的分析结果，下发网络切片需求及MEC 处理任务，并将相应的数据流引入各自流程中。

基于以上提出的网络分析管理器，本文提出了在5G 智能物流仓储等大量IoT 设备请求网络的场景下，边缘云与网络切片的融合技术方案。

如图5所示，在物流仓储场景下，边缘云与网络切片的融合技术方案流程分为如下几个步骤。

第1步，用户发起网络性能请求，其参数包括QoS需求、容量参数及业务参数。

第2步，网络分析管理器接收请求，并对请求参数进行分析，结合剩余网络资源，判定该业务需求是否需要进行切片处理。

第3步，如果需要进行切片处理，则将相应的需求参数发送至网络切片管理器进行处理；否则交由MEC处理。

图5 边缘云与网络切片的融合技术方案流程

第4 步，网络切片管理器或者MEC 进行网络资源分配，保障用户通信网络性能。

第5 步，网络切片管理器与MEC 向网络分析管理器反馈剩余网络资源。

4 结束语

本文详细分析了物流园区仓储作业的2 个典型5G 应用场景，并探索了在此场景下5G 切片技术的创新方案。将5G切片技术与边缘云技术融合起来，在边缘侧对网络需求进行统一分析处理，对网络资源进行合理分配，既满足物流仓储对于5G 网络的需求，也减少了对运营商网络的压力。