張 芳，呂 鵬，陶偉宜（.中國(guó)電信股份有限公司浙江分公司，浙江 杭州 30000；.華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 3005）

1 概述

隨著生活水平的提高，人類對(duì)生產(chǎn)和作業(yè)環(huán)境的要求越來(lái)越高，特別在特種環(huán)境下（例如高溫、有毒、有害、粉塵、噪聲、爆炸、射線等）作業(yè)的勞動(dòng)力已面臨危機(jī)。同時(shí)，單調(diào)、重復(fù)的體力勞動(dòng)亦存在勞動(dòng)力緊缺的難題，這些危機(jī)必將日趨嚴(yán)重。以AGV 或者遠(yuǎn)程控制手段代替人在特種環(huán)境、高勞動(dòng)強(qiáng)度環(huán)境下的直接勞動(dòng)，是一條理想的出路。

AGV 技術(shù)目前正廣泛地被應(yīng)用于無(wú)人物流、倉(cāng)儲(chǔ)以及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。目前AGV 一般采用分布式控制，主要采用的導(dǎo)航方式有磁條導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航、視覺(jué)標(biāo)記導(dǎo)航和激光導(dǎo)航。磁條導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航、視覺(jué)標(biāo)記導(dǎo)航方式均需要花費(fèi)較高成本對(duì)AGV 的工作環(huán)境進(jìn)行改造，靈活性較差，適用于場(chǎng)景固定、流程不變的場(chǎng)合。激光導(dǎo)航靈活、準(zhǔn)確、高效，正逐漸取代以上幾種方式成為主流的導(dǎo)航方式，但激光傳感器成本相對(duì)較高，高密度運(yùn)行時(shí)還可能存在互相干擾的問(wèn)題。

目前，視覺(jué)定位技術(shù)，即采用未標(biāo)記場(chǎng)景的圖像信息融合慣性測(cè)量單元傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行全局定位和地圖構(gòu)建的技術(shù)（SLAM或VIO）已成熟，這種技術(shù)僅使用較低成本的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)AGV 的定位與控制，但此技術(shù)需要的計(jì)算資源超出了一般低成本嵌入式計(jì)算機(jī)所能提供的范圍，需要相對(duì)高性能的計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。因而，如果在單臺(tái)AGV 上部署高性能計(jì)算機(jī)，將導(dǎo)致單臺(tái)AGV 的成本過(guò)高；如果通過(guò)4G 或Wi-Fi技術(shù)將圖像信息傳輸至中心服務(wù)器進(jìn)行處理，壓縮后圖像的清晰度會(huì)受到明顯影響，進(jìn)而影響定位效果，并且無(wú)線通信的延遲與不穩(wěn)定性也會(huì)對(duì)AGV 的正常工作造成影響。

本文通過(guò)在某叉車廠區(qū)部署更高帶寬、更低延遲、更高穩(wěn)定性的5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像信息的傳輸，同時(shí)將計(jì)算資源部署在靠近AGV 處的MEC，研究MEC 在倉(cāng)儲(chǔ)物流行業(yè)部署的可行性。

2 5G邊緣計(jì)算MEC

據(jù)IDC 預(yù)測(cè)，全球物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備安裝數(shù)量在2019 年達(dá)到256 億臺(tái)，2020 年將有超過(guò)500 億的終端與設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。Gartner 預(yù)測(cè)，未來(lái)有70%～75%的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)邊緣處理，這就要求網(wǎng)絡(luò)具有本地化處理、動(dòng)態(tài)連接以及超強(qiáng)的計(jì)算能力。以云計(jì)算為核心的集中處理模式難以滿足“萬(wàn)物互聯(lián)”在高帶寬、低時(shí)延、用戶體驗(yàn)等諸多方面的迫切需求。

2016年，ETSI定義MEC為Multi-access Edge Com?puting，并將移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的邊緣計(jì)算應(yīng)用推廣至其他無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（如Wi-Fi、Fixed Access）。除ETSI以外，第3 代合作伙伴（3GPP）及中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）也相繼啟動(dòng)了相關(guān)工作，MEC 發(fā)展演進(jìn)為5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要技術(shù)之一。

ETSI 定義的MEC 是在靠近移動(dòng)用戶的RAN 網(wǎng)絡(luò)中，為用戶提供基于IT 架構(gòu)和云計(jì)算能力的平臺(tái)，部署位置靈活，可以部署在單基站、C-RAN 和城域等位置，還可以作為第三方集成平臺(tái)，按需在邊緣位置部署。因此，MEC 的部署，可以為ICT 產(chǎn)業(yè)帶來(lái)三大價(jià)值。

a）極低時(shí)延。MEC部署在靠近基站的接入環(huán)、接入?yún)R聚環(huán)等邊緣位置，使得內(nèi)容源最大程度地靠近終端用戶，甚至可以使終端能夠在本地直接訪問(wèn)到內(nèi)容源，從數(shù)據(jù)傳輸路徑上降低了端到端業(yè)務(wù)響應(yīng)時(shí)延。

b）節(jié)省傳輸。據(jù)研究，未來(lái)有70%的互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容可以在靠近用戶的城域范圍內(nèi)終結(jié)?；贛EC 解決方案，可以將這些內(nèi)容存儲(chǔ)在本地，MEC 與終端用戶之間的傳輸距離縮短，流量在本地被卸載，節(jié)省了MEC 到核心網(wǎng)和Internet 的傳輸資源，進(jìn)而為運(yùn)營(yíng)商節(jié)省約70%的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資。

c）能力開(kāi)放。目前，越來(lái)越多的細(xì)分領(lǐng)域希望基于電信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)行業(yè)定制，通過(guò)MEC 提供開(kāi)放的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)電信行業(yè)和垂直行業(yè)的合作業(yè)務(wù)創(chuàng)新。ETSI 定義的MEC 是具備無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放和運(yùn)營(yíng)能力開(kāi)放的平臺(tái)，MEC 通過(guò)公開(kāi)API 的方式為運(yùn)行在其平臺(tái)主機(jī)上的第三方應(yīng)用提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息、位置信息、業(yè)務(wù)使能控制等多種服務(wù)。

綜上，MEC 通過(guò)支持本地流量的分流（LBO——Local Breakout），作為遠(yuǎn)端模塊下移到邊緣部署，可滿足各種OTT 業(yè)務(wù)或mCDN 下移部署和企業(yè)/場(chǎng)館本地分流的要求。

3 網(wǎng)絡(luò)部署方案

為了驗(yàn)證MEC 在工業(yè)控制應(yīng)用的可行性，驗(yàn)證邊緣部署UPF+MEC 能否滿足現(xiàn)場(chǎng)叉車控制需求，某運(yùn)營(yíng)商基于某叉車廠的應(yīng)用需求，采用5G 網(wǎng)絡(luò)+MEC 技術(shù)在現(xiàn)網(wǎng)部署，組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

a）中控室改裝。5G CPE+多屏顯示器+多控制臺(tái)+MEC 邊緣服務(wù)器，控制臺(tái)連接邊緣服務(wù)器獲取遠(yuǎn)程叉車的數(shù)據(jù)，并下發(fā)控制員的指令。

b）叉車改裝。加裝5G CPE+控制盒+多自由度監(jiān)控?cái)z像頭，控制盒連接攝像頭與車體傳感器、控制單元，通過(guò)5G與MEC邊緣服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。

在測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)叉車運(yùn)行速度一般不超過(guò)5 m/s，但其控制仍然對(duì)延遲非常敏感，一般超過(guò)50 ms的延遲就會(huì)對(duì)叉車產(chǎn)生明顯的影響。5G 網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延，使得中控室發(fā)出的控制信號(hào)被控制在可接受范圍之內(nèi)到達(dá)叉車。同時(shí)，由于視覺(jué)定位算法對(duì)于圖像質(zhì)量較為敏感，叉車上的高清攝像頭拍攝的圖像傳輸碼率高，5G 網(wǎng)絡(luò)能提供足夠的空口吞吐量，圖像可近無(wú)損地傳輸?shù)街锌厥业腗EC服務(wù)器。

經(jīng)試點(diǎn)測(cè)試，對(duì)于叉車AGV 場(chǎng)景，通過(guò)下移部署的MEC，在廠區(qū)控制臺(tái)連接邊緣服務(wù)器可獲取遠(yuǎn)程叉車的位置數(shù)據(jù)，一方面滿足了大算力的計(jì)算需求，另一方面增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸交互的實(shí)時(shí)性，避免了流量在核心網(wǎng)的迂回，減少了業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延。

4 5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)比Wi-Fi的可靠性測(cè)試

4.1 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)理論分析

本文從頻譜、移動(dòng)性、干擾、安全性及QoS 等方面對(duì)基于5G 網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)部署進(jìn)行了對(duì)比分析，如表1所示。

4.2 5G和Wi-Fi連接對(duì)比分析

在某叉車廠部署現(xiàn)場(chǎng)，分別采用5G 技術(shù)和Wi-Fi技術(shù)與叉車設(shè)備進(jìn)行連接，時(shí)延和帶寬對(duì)比測(cè)試結(jié)果如表2 所示。時(shí)延對(duì)比如圖2 所示。帶寬對(duì)比如圖3所示。

4.3 測(cè)試結(jié)果分析

時(shí)延：AGV 的運(yùn)行需要和控制平臺(tái)保持通信，如果網(wǎng)絡(luò)不佳，時(shí)延大于50 ms，AGV 就會(huì)停止行駛，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后才會(huì)繼續(xù)行駛。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果表明，如果是在單設(shè)備靜止連接的情況下，連接Wi-Fi 和5G 的時(shí)延差別不大，均在20 ms以內(nèi)，但在多設(shè)備同時(shí)連接的移動(dòng)場(chǎng)景，Wi-Fi的時(shí)延比5G 要大70%左右，而5G 的時(shí)延能穩(wěn)定在20 ms內(nèi)。

帶寬：目前測(cè)試AGV 的運(yùn)行只是傳遞小的文件數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬要求不高，但后續(xù)如使用視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)，則對(duì)上行帶寬要求較高，至少要保證每路30 Mbit/s的上行帶寬。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)目前Wi-Fi的上行帶寬均沒(méi)有超過(guò)20 Mbit/s，而5G 的上行帶寬均保持在100 Mbit/s 以上，可以保證視覺(jué)導(dǎo)航的帶寬要求。

表1 5G網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)部署對(duì)比

表2 時(shí)延和帶寬對(duì)比測(cè)試結(jié)果

圖2 時(shí)延對(duì)比圖

圖3 帶寬對(duì)比圖

5 結(jié)論

本項(xiàng)目研究的智能叉車借助5G+MEC 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，提高了物流效率，降低了企業(yè)的綜合成本，未來(lái)類似的本地分流技術(shù)的部署和應(yīng)用可在更多的行業(yè)應(yīng)用中復(fù)制和推廣。

綜上所述，建設(shè)5G+MEC 網(wǎng)絡(luò)來(lái)支撐工業(yè)企業(yè)的智能化業(yè)務(wù)契合運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略方向，為未來(lái)5G垂直行業(yè)業(yè)務(wù)部署進(jìn)行了技術(shù)儲(chǔ)備，也為后續(xù)大規(guī)模MEC專網(wǎng)部署積累了經(jīng)驗(yàn)。