5G+智慧港口研究及实践_卞东良.pdf

132023.025G天地0 引言海上运输在促进国际贸易和地区发展中起着至关重要的作用，全球贸易中约 90%的贸易由海运业承载，作业效率至关重要。在“工业 4.0”“互联网+”大发展的时代背景下，海运也在进行数字化、全自动的转型升级。随着全球 5G 技术浪潮的到来，南通移动利用 5G 推动港口、船务公司信息化、自动化，打造“绿色、环保、高效”的智慧海运。5G 的快速发展给海运带来了发展机遇和挑战，港口、船务自动化采用的光纤与 Wi-Fi 等通讯方式存在建设和运维成本高、稳定性与可靠性差、行业劳动力成本攀升、劳动强度大等问题。本研究利用 5G 网络的低时延、大带宽两大特性，解决了其他无线网络在移动场景下带宽、时延、可靠性不足的问题。1 业务（技术）方案1.1 组网架构用户面：5G 终端通过 5G CPE，经过空口无线传输接入5G AAU（有源天线处理单元），完成由业务信息到数字信号转换。数字信号由 BBU 处理后，送入本地传输网（SPN），路由至本地 UPF（用户面功能），最终转发到港口应用服务器，完成用户面数据流处理，确保除信令外的所有生产数据不出港。控制面：5G 终端通过 5G CPE，经过空口无线传输接入5G AAU，完成由业务信息到数字信号转换。数字信号由 BBU处理后，送入本地传输网（SPN），路由至移动大区5GC核心网，完成控制面数据流处理。用户接入、鉴权、用户开户等均由移动大区 5GC 统一管理。组网架构如图 1 所示。1.2 主要内容1.2.1 实施内容智慧叉车：通过 5G、C-V2X、人工智能、协同驾驶等技术手段，对叉车实现智能化升级，实现叉车在厂区内驾驶安全和作业安全。智能地磅：智能化的方式实现从司磅、监磅、出单等业务流程的无人值守。VR 直播：使用 VR 全景相机及 VR 眼镜环视厂区，进行重点区域观察、监控和导览。港机远控：将集装箱装卸桥、RTG（轮胎式集装箱起重机）等大型集装箱作业机械的自控系统状态信号、定位信号、视频监控图像信号等信息实时传到后方中控室，由远端中控室的操作司机利用 5G 回传的高清视频流信息和设备状态信息对港机进行远程控制，发送指令到港机PLC，驱动港机自动运行起升、小车、大车等机构，使其精准对位目标位置，实现远程开展装卸集装箱作业。1.2.2 建设内容5G 网络的低时延、大带宽两大特性，解决了其他无线网络在移动场景下带宽、时延、可靠性不足的问题。依托 5G 基础搭建高清视频采集网络，通过高清摄像头实时获取高清视频，利用5G网络大带宽特性将高清视频回传至平台分析处理，通过 VR 和 AR 进行现场还原完成辅助控制、实景展示；对于精准远控，MEC 下沉，通过边缘数据处理能力，有效提升远控的安全性、准确性。组网架构如图 2 所示。（1）5G 无线网（2021年江苏省通信学会“华苏杯”论文征集评优三等奖）5G+智慧港口研究及实践卞东良 何均均中国移动通信集团江苏有限公司南通分公司摘要：从端到端、空口切片、边缘计算等方面对 5G 智慧港口进行分析，从 5G 无线网、传输网、核心网给出网络部署演进的思路与方案，指出 5G 智慧港口的创新点和先进性，结合 5G 虚拟园区网的专网方案、端到端应用组件，为解决好自动化设备的通讯问题提供全新方案，为“智慧港口”建设注入新动力。关键词：5G；智慧港口；边缘计算；切片能力142023.025G天地真正实现专网专用：移动 4.9GHz 垂直行业专用频段，与运营商民用网所使用的非专用频段（比如 2.6GHz、3.5GHz）相比有明显优势，真正实现专网专用。因地制宜制定规划方案：基于 5G 业务需求进行精准链路测算，通过 5m 精度 3D 电子地图、建筑物高度、站高、速率需求、覆盖需求、道路宽度等数据，采用 Uma 仿真模型。上下行带宽灵活配置，提升系统扩展性：不同于运营商民用网2.6GHz和3.5GHz，4.9GHz频段可根据不同上行速率需求，灵活调整上下行带宽，单用户上行峰值速率可达 766Mbps，单小区上行峰值可达 1482Mbps。通过高于业界标准的备电时长全面提升网络可靠性：相比于运营商民用网备电 3 小时，单站后备电源全部按最低 7 小时备电时长配置。CRAN 架构实现资源共享，提升资源调度扩展性：采用新型无线接入网构架 CRAN，共享电源、空调等机房资源，节能减排，绿色环保，实现资源能效最大化。光纤双联提升网络运行安全性：5G 基站采用 AAU 环回图 1 组网架构图 2 组网架构152023.025G天地机制，实现光纤双链接，提高 5G 网络的稳定性和可靠性。（2）5G 传输网利用 SPN 架构优势实现按需扩展：采用 SPN 分组切片组网技术，端到端产品基于 NP 架构，按需进行扩展，无需更换硬件软件即可升级。创新 Flex 切片技术保证时延稳定性：采用 Flex 分组切片，业务独占 Flex 接口，提供 SLA 可保障的独立专用通道，在网络重载拥塞情况下，保证稳定的时延，减少干扰。通过环形组网提高数据传输可靠性：传输接入通过部署两台独立的SPN设备组成两个不同的接入环，形成冗余保护，保证 5G 传输稳定可靠。节省带宽，弹性扩展：SPN 网络保证 2B 业务分片在现网部署时最节省带宽资源。在不影响业务的情况下提供在线弹性扩展分片带宽能力。超低功耗，灵活配电：SPN 网络独创芯片负载动态调整技术，功耗低于业界30%以上；产品支持灵活配电，按需配置，实现供电资源最大化利用。自动化运维提升维护便利性：采用NCE智能ROAM算法，通过 NCE 网管实现 SPN 传输网络的主动运维，实现专线业务自动调优，实时保障业务性能。（3）5G 核心网以软件服务重构核心网，实现核心网软件化、灵活化、开放化和智能化：江苏移动 5G 2B 专网通过架构和功能重构，实现软件定义的网络功能和网络连接，通过服务的注册、发现和调用构建 NF/服务间的基本通信框架，为 5G 核心网新功能提供即插即用式的新型引入方式。控制面和用户面分离，实现网络功能优化和灵活部署：核心网控制面统一调用中国移动大区核心网资源，采用 SA 独立组网，通过网元级和地域级双重容灾方式，提高业务稳定性。在港区、船务厂区内部署一套 UPF 设备，共用 5GC 核心网控制面，同时采用 MEC 设备，针对港口内的应用提供不同的切片服务，实现专网内 5G 基站的控制，同时保障除信令外的所有生产数据不出港，网络服务由码头独立使用。2B 与 2C 专网分开部署，灵活响应专网多样化需求：分别建设了面向 5G SA 公众网（2C 网络）用户的 5GC 核心网和面向垂直行业网（2B 网络）客户的 5GC 核心网。分别建设：四融合 AUSF/UDM/UDR/HSS/HLR、二融合 PCF/UDR/PCRF/SPR、AMF、SMF/vPGW-C/BSF、UPF/pPGW-U、CHF；2C 网络和 2B 网络共用 NSSF、sNRF、bNRF。（4）MEC 边缘计算MEC 与地市 UPF 互为容灾，充分保障业务安全性、可靠性：入驻式 MEC 与地市核心机房的行业专网 MEC 实现地域级容灾，2 个节点的 DCGW 之间采用传输专线互联，实现异局址主备容灾。本地流量卸载保障数据安全性：入驻式 MEC 将本地业务数据直接分流到内部服务器，减少业务传输时延（配合无线侧预调度能力可达到 10 毫秒内)，保障数据安全性。通过开放平台提供高扩展性：MEC 平台上可以部署港口视频流分析、远程控制、自动驾驶等各类不同的第三方 APP，来应对港口不同的应用场景。（5）应用场景港机（如龙门吊、桥吊）远控借助高带宽、低时延的5G网络，将集装箱装卸桥、RTG 等大型集装箱作业机械的自控系统状态信号、定位信号、视频监控图像信号等信息实时传到后方图 3 港机远控162023.025G天地中控室，由远端中控室的操作司机利用 5G 回传的高清视频流信息和设备状态信息对港机进行远程控制，发送指令到港机PLC，驱动港机自动运行起升、小车、大车等机构，使其精准对位目标位置，实现远程开展装卸集装箱作业，其中操作人员人工操作船舶安全高度以下的抓取箱，其余操作环节均为自动化模式。如图 3 所示。应用场景网络需求：在远控场景落地过程中除了网络可靠性优先保障等需求外，还有数据不出港区等特殊需求，因此至少采用专享模式进行5G网络的覆盖，可以增加QoS功能，对相应业务进行隔离，并将 UPF 下沉为客户专用。对于更高保障等级、要求资源独享的需求，可与总部协调适当提供专用基站、专用频段及专用资源池的尊享模式服务。项目网络方案采用 5G SA 网络架构，依靠 5G 低时延、大带宽、边缘计算及切片能力，实现轮胎吊、轨道吊和岸桥等港机的生产环节的远程作业控制，如图 4 所示。利用 5G 切片技术设置视频和控制等切片，分别满足大带宽和低时延等网络需求，边缘计算实现数据本地传输处理，降低处理时延。图 4 项目网络方案港机远控业务和视频业务对网络侧要求不同。其中控制类业务因为涉及到远程机械的实时性交互操作，业务对网络侧双向时延要求较高，但业务控制信令数据量较少。为满足龙门吊等港机设备远程控制要求，从服务器到龙门吊 ping 包的平均双向时延需达到 18ms。而视频类业务涉及到多路高清视频同时上传，所以对网络侧带宽要求较高。对于高清类业务，龙门吊配置 10-20 路1080p 与 2K 视频，单港机上行带宽平均要求 200Mbps。设备远控对网络要求如表 1 所示。表 1 设备远控对网络要求具体业务场景网络需求场景整体特点时延带宽可靠性港机远程操作系统（控制部分）低时延、高可靠场景小于18ms100Kbps99.999%港机远程操作系统（视频传输部分）低时延、大带宽场景约 50ms200Mbps99.9%具体应用方案：港机远控场景应用方案中主要模块包括视频模块、自动化控制模块、远程操作控制模块和通讯模块等部分。视频模块用于监控轮胎吊操作中所有重要的视角，并将视频画面回传到中控室，中控室司机根据现场回传的视频信号，进行远控操作。系统还具备语音广播功能，能够支持中控室司机向现场进行语音广播，发挥安全提醒的重要作用。自动化控制模块主要实现港机设备自身的控制能力，通过定位感知，做到自主避碰、定位纠偏，在接收到远程控制信号任务时，能够完成任务的执行并反馈设备状态信息与任务执行信息。远程操作控制模块是通过远程中控室遥控现场港机设备的控制系统，应用于现场设备操作集卡抓放箱以及设备故障异常的处理。系统同时能够接收任务信息与港机设备状态反馈信息，操作员根据相应的信息来执行远程操作任务。通讯模块是通过港区 5G+MEC 专网来实现龙门吊、桥吊设备现场视频的实时回传与控制信号的指令下发，同时完成港口数据本地分流，保障数据的私密性与安全性。方案部署如下：视频模块部署：按照港机不同规格，需根据实际安装 10至 20 台左右的高清摄像机，来帮助操作员实现全方位、全天候的视频监控。此外，需在港机设备车道侧安装 1 个扬声器，用于语音通话。在中控室，需安装 1 台网络通话设备，并在中172023.025G天地控室远程控制计算机上安装 1 套语音管理软件，用于与当前操作台关联的港机设备的语音通讯。在中控操作台还需部署 1 台远程控制计算机以及多个宽屏显示器与相应的视频客户端软件，用于显示与操作台相关联的所有视频。自动化控制模块部署：部署于港机上，自动化控制系统实现设备的定位感知，需要在港机设备上安装多台（一般是 4台）高精度定位终端，系统通过与港机 PLC 以及 IPC 工控机对接，结合定位信息，来完成自主避碰与纠偏的能力，控制桥吊的大小车移动。远程操作控制模块部署：系统需要与自动化控制系统、视频系统等对接，完成远程任务生成、远程任务结束、远程任务分类、远程任务存储、远程任务优先级调整、远程任务分配等功能。部署于中控室的远程操作台由1台远程控制计算机，视频系统中的多台显示器和 1 台控制台组成。通讯模块部署：初期可通过工业级 CPE 将大网 5G 信号转换成有线网络连接等形式与桥吊 PLC 控制设备和多路摄像机互联，实现末端 5G 接入环境下，基站直接与 5G 大网核心网相连，中控室远程控制计算机通过移动互联网专线接入5G 核心网用户面完成端到端的互通性验证，也可以通过部署MEC，实现港口数据本地分流转发，以大幅降低端到端的业务时延与响应时间，进一步提升港机虚拟操控感。系统以二层隧道+5G 方式承载二层 PLC 控制信息和三层视频、管理业务。工业级 CPE 部署于轮胎吊顶部，提升信号质量，布线与电气房 AR 路由器对接。为了保障系统运行的稳定性，可采用双 CPE 主备、双承载分业务传输方案，优先保障控制业务，提升系统可靠性。2 应用效果（1）5G 虚拟企业专网：5G 遵循网络业务融合和按需服务的核心理念，具备丰富的接入能力、灵活的网络架构以及更高的安全性，改变了移动网络单一的管道服务模式，为传统消费互联网提供了增强的带宽和更高的性价比，同时也为产业互联网提供了高度可定制化的网络服务以及综合信息服务平台。通过虚拟企业专网提供不低于传统高等级专网的安全性与可靠性，能胜任关键基础设施中高价值资产的承载。端到端容灾方案：终端采用主备模式，传输采用主备链接环行备份，核心网采用 UPF 双主模式。如图 5 所示。图 5 高可靠性、高安全性（2）边缘计算（MEC）平台：SA 组网方式下，通过核心网网元 UPF 下沉，实现本地数据转发，集成部分的运算能力支持，如机器识别、远程控制、室内定位解算等，对工厂等对低时延或数据安全性有强烈需求的应用场景非常适用。端到端网络由 5G 基站、5G 承载网和 5G 核心网组成，通过 MEC实现用户面网元和控制面网元的交互，内外网业务融合互通。MEC 部署架构如图 6 所示。（3）基于 5G 网络远控改造，降低了无线信号干扰，网络侧平均时延 12.5ms，上行带宽速率 116Mbps，保障了生产不间断运行切换。远控龙门吊集群投入生产，单机效率提升20%，驾驶员从 6 个降低到 1 个，作业效率提升 260%，劳务成本降低 70%，提升了作业效率，改善了员工的工作环境。远程操控架构如图 7 所示。3 结束语本研究对目前 5G 智慧港口的发展现状进行了探讨，从端182023.025G天地到端、空口切片、边缘计算等方面进行创新分析。从5G无线网、传输网、核心网方面给出了网络部署演进的思路与方案。同时，在 5G 智慧港口应用领域进行了实施后的商业模式和运营模式分析，开展“智慧港口”“智慧船务”领域的全面创新合作，助力企业产业转型升级，有力支撑海上运输行业高质量发展。作者简介：卞东良（1981），男，江苏南通人，工程师，本科；研究方向：5G 专网，物联网应用。（收稿日期：2021-08-10；责任编辑：赵明亮）图 6 MEC 部署架构图 7 远程操控架构占情况。测试结果：在中点测试，切片 A 用户接入并进行 FTP 下载，下行单用户速率在 532Mbps 左右；随后 A 用户停止 B 用户接入并进行下载，下行单用户速率在 426Mbps 左右，相对A 用户速率低 20%，符合预期（用户 A 专用资源用户 B 不可使用）；用户 A 再次接入并进行 FTP 下载，此时用户 B 速率下降至 153Mbps 左右，用户 A 速率保持在 369Mbps，用户 A：用户 B 速率比约为 7：3，符合预期（并发是切片用户数 A 可占用70%资源，而切片用户B可占用30%资源）。如图9所示。通过测试案例结果分析，同优先级的切片用户资源分配情况相同；拥塞时同优先级的切片用户保障的资源专用或优先，普通用户分配最低设置资源，符合 EPF 算法（先按照 PBR 分配资源，剩下资源按照 5QI 权值分配）；GBR QoS 与 NGBR QoS 的切片都用 PBR 来保障速率，GBR 优先级高于 PBR 优先级高于 QCI 优先等级。5 结束语QoS（Quality of Service）即业务质量，是指对于特定的业务需求制定的服务质量标准，在数据 IP 世界里，QoS 是提供基于流量优先级业务的基本要素。随着 5G 网络的商用，QoS已经成为高速数据业务使用感知的保障。基于 QoS 流和 RB预留切片的区分用户业务流粒度定制化精细化保障，对用户和业务进行有效的管控，一方面可以保障高价值用户的感知，另一方面给更敏感的业务带来资源的保障，必会成为运营商服务于 5G 多样化行业应用的重要基础。作者简介：王鹏（1976），男，江苏南京人，高级工程师，硕士；研究方向：5G 移动通信，通信原理算法。（收稿日期：2021-08-10；责任编辑：赵明亮）图 9 有专用且有优先 PRB 资源分配测试情况（上接第 12 页）