自2019年工信部正式发放5G商用牌照以来，5G凭借其无线技术上低延迟、大带宽和广连接的特性，灵活的组网方式，支持多样化的组网场景和使用需求，促使5G技术在仓储物流行业也随即展开了大量的研究和验证。近年来，5G技术的应用已逐渐融入入库、盘点、拣货、出库、配送等多个环节，极大提高了仓储物流的运转效率和服务质量。

随着5G标准向R16、R17、R18快速演进，主要围绕各大垂直行业应用功能进行拓展研究，推动5G技术在基础网络能力、专网定制化能力、网络指标极致化能力等方面不断增强，其技术价值也将在垂直行业应用中得到最大体现。

本文针对仓储物流场景，提出一种基于5G+TSN的智能仓储物流网络架构，实现仓储物流场景下智能终端全连接，并满足时间同步、确定性传输、可靠性保障和多设备协同的灵活自动化生产的需求。

1 5G+TSN技术

随着IEEE 802.1时间敏感网络的出现，IEEE802.1和IEEE 802.3引入了一套确定性通信标准，用来支持以太网的实时通信。通过TSN大规模以太网可以实时传输适合工业应用的关键数据，大大减少了对特定现场总线协议和特定供应商通信系统的需求。TSN技术将在时间同步、发送定时流量和集中的自动化系统配置这3个方面进一步增强。

5G系统被视为工业用例中无线通信的关键使能技术。与此同时，3GPP从一开始就进行了具有前瞻性的设计考虑，为工业用例定义了允许超高可靠低时延通信的技术特性。3GPP R15和R16中规定了各种技术特性以增强可靠性和提供低时延通信，主要包括更快的信令方案、流量优先级、控制系统的冗余性和鲁棒性以及数据传输等。此外，3GPP还明确了5G与TSN集成的技术框架，如图1所示。允许5G与TSN集成的基本功能和特性已经在3GPP R16和R17中完成。在5G+TSN集成框架中，5G系统被视为TSN逻辑网桥，其特性主要包括支持数据链路层流量控制、在5G网络中应用以太网头压缩技术（EHC）高效传输TSN以太网流量、端到端(E2E)时间同步、QoS差异化、将TSN流量的QoS流映射到5G QoS并进行优先级处理、5G+TSN互联转换功能等。

5G+TSN，即5G系统与TSN集成，基于5G URLLC的低时延高可靠能力，满足TSN架构的时间同步、低时延传输、高可靠性和资源管理四大严苛的功能需求。5G与TSN融合后，可通过5G NR无线替代仓储内的有线网络，让工业生产更加柔性化。

TSN和5G融合应用可具有以下技术优势。

(1) TSN可用于智能工厂的各个方面，并可与确定性外联网技术无缝连接。

(2) 5G技术显著提高了智能工厂内部网的确定性无线通信能力。

(3) 5G与TSN的融合为智能工厂内部网提供了全覆盖、确定性和低时延的通信保障。

(4) 5G网络系统可独立于TSN系统。该网络系统可以承载和使用TSN，与多个TSN域进行桥接，几乎满足TSN的所有特性。

2 仓储物流场景应用需求分析

仓储物流是现代物流行业中的一个主要组成部分，在物流体系中起着至关重要的作用。高效合理的仓储保证了货物仓库管理各个环节数据输入的速度和准确性，确保企业及时准确地掌握库存的真实数据，合理保持和控制企业库存，从而帮助企业加快物资流转，降低物资周转成本，保障企业生产物资流转畅通。

自5G商用以来，智能仓储物流作为物流行业信息化的一个重要领域，各大运营商和仓储物流企业均致力于探索5G网络在仓储物流场景下的应用。其中，2021年工信部印发的《5G应用“扬帆”行动计划(2021-2023年)》中就明确提到了“5G+智慧物流”的发展方向。从现阶段来看，智能仓储已初步实现百量级物联设备同时接入，确保设备稳固连接，安全作业。然而，随着5G技术的飞速发展，智能仓储物流场景应用对于5G网络的需求也日益精细化，需要大量的终端设备进行协同作业，每个操作对时间精度和网络的稳定性要求非常高。此外，仓储物流系统中智能终端设备的电缆布线过于复杂，限制了仓储物流业务朝着智能化和柔性化方向发展。因此，仓储物流通信网络还需在低时延特性、可靠性和灵活性等方面有显著提升。基于此，引入5G+TSN技术满足智能仓储场景下大量工业终端设备之间的通信需求。

2.1 应用场景分析

为了帮助仓储物流车间的数智化转型，需搭建一套5G+TSN专网赋能智慧仓储物流环节应用场景，接入各类智能终端，搭配WMS仓库管理系统和WCS自动化控制系统软件，从而实现生产流程全生命周期的自动化、可视化和数据化，有利于物流企业对物流物料状态实时动态感知、仓储物流数据实时采集、物流流转过程精准管理和智能导向全自动化，提高仓储物流的作业效率。

目前，主流的智慧仓储物流应用场景按照功能区域可划分为储存区、拣选区和分拣区3类。

(1）储存区采用智能立体仓库方式，实现物资的密集存储，大大提高仓库空间。通过部署在云端的仓库管理系统（WMS）和仓库控制系统（WCS）对储存区域内的各类智能终端进行全面地调度和管理，从而完成物资自动化出入库工作，实现企业仓储管理精益化、操作简便化人性化，提高现代化物流企业生产管理水平。

(2）拣选区主要根据客户订单或销售订单，从库存中选择对应物资商品进行配送或发货。拣选区域内的各类智能终端在云端部署的仓库管理系统调度下，按订单拣选出相应的物资商品，并按订单目的地进行无人化搬运，有效提升拣选效率和准确率。

(3）分拣区主要是将已经拣选好的商品按照目的地或其它分类标准进行分组、打包和标记，以方便后续配送和交付。采用分拣机器人结合仓库管理系统平台的运作方式，大幅提升分拣效率，助力仓储物流企业实现仓库无人化、自动化和智能化。

2.2 核心物流设备应用

随着智慧仓储物流行业的飞速发展，AGV机器人可以在仓库里面代替人拖着货架跑,可以大大减少仓库员工的走动,比人工提升99%的效率。由此可见，AGV智能移动搬运机器人已成为智慧仓储物流核心设备之一，其可以利用5G+TSN时间同步、低时延传输和高可靠性的特性，实现AGV集群调度、协同控制和云化控制等功能，确保各类物资的精准配送。

2.2.1 AGV集群调度

AGV是现代自动化领域出现的一项高新技术，近年来，随着AGV技术不断发展和完善，迅速在各个领域中得到广泛应用。智能、柔性、安全的AGV无人搬运使物流运转的自动化水平得到很大的提升。从网络性能要求方面来看，虽然AGV实时控制所需的传输数据量很小，但是数据传输的频率很高，对时延要求也是非常严格。

2.2.2 AGV协同控制

在仓储物流运转过程中，AGV小车和机械臂协同作业，可以提高运输效率和优化生产节拍。基于此，考虑到协同过程中的安全性和可靠性，需要AGV小车和机械臂之间实现实时交互和同步启停，这也对通信时延提出了极为苛刻的要求。通信时延要控制在5～10μs，以便留给机电伺服系统更充裕的时间，各AGV之间时钟同步也要求在1μs。

2.2.3 AGV云化控制

通过5G通信技术的云化技术，打造一流网络环境，链接多个应用场景，实时数据对接，从而使AGV机器人在移动过程中活动区域将不受限，按需到达各个地点，在不同的应用场景下快速切换工作模式来完成相应的作业任务。在此基础之上，5G技术具有的大带宽和低延时特性使得AGV云化视觉导航应用成为未来发展趋势。可将AGV内置摄像头采集的视频/图像/文本数据经5G网络上传至云端，在云端进行统一计算分析，这样无需在每个AGV设备内置嵌入式GPU处理器和AI算法，可大幅度降低AGV设备成本。

视觉导航一般要求至少每100 ms周期必须刷新上传一次视觉帧以及下发位置信息，以防碰撞。上传和下发的时延要控制在20 ms以内，以便给云端的图像处理和位置计算留出宽裕的时间。

3 基于5G+TSN的智能仓储物流网络架构

结合仓储物流通信网络现状、应用场景和5G技术发展最新现状的综合分析，5G技术驱动智能仓储物流专网建设，与5G系统桥接的TSN技术是融合信息技术和运营技术的重要桥梁。5G技术与TSN技术的融合应用，在通信机制和数据结构层面实现真正意义的互联互通，将会重新定义现有的网络架构。总而言之，5G+TSN技术有望成为下一代连接各智能终端设备的网络通信技术，满足智能仓储物流复杂多变业务场景下的数据传输和远程控制需求。

基于5G+TSN的智能仓储物流网络总体架构如图2所示。以仓储物流场景下的3个功能分区为示例，有线运营网络采用时间敏感网络，无线网络采用5G网络。控制层面，由TSN应用功能(AF)网元与UPF中网络侧TSN转换器（NW-TT）和终端侧TSN转换器（DS-TT）交互，实现5G+TSN网桥端口配置及管理功能。用户层面，各类智能终端通过终端侧TSN转换器接入支持TSN的5G网络，外部TSN则通过网络侧TSN转换器接入支持TSN的5G网络，中间的5G网络作为连接TSN系统终端侧和网络侧间的透明桥接网络，实现智能终端与外部TSN控制器的时间敏感通信，满足智能仓储物流管理和运转等业务所需的低时延、高可靠和灵活的传输特性。

4 结束语

5G技术与各大垂直行业应用的深度融合势必将成为移动通信系统未来演进的核心内容。其中，“确定性网络+工业制造”发展将是重点关注的方向之一。本文介绍了5G+TSN技术，并针对仓储物流场景进行深入研究，提出一种基于5G与TSN两者融合部署的通信网络架构以增强网络服务能力，实现5G无线网络和生产运营网络融合，满足各类智能终端生产数据传输的低延迟和高可靠性需求。然而，5G+TSN技术的应用仍处于初级阶段，仍存在一些亟待解决的问题，包括技术融合、场景适配和产业生态不成熟等。未来，随着5G技术创新和标准化工作进程加快，5G+TSN网络架构演进及增强技术将逐步完善，推动其与行业应用深度融合，打造更多典型应用场景，引领智能仓储物流行业智慧升级。