基于5G 無人駕駛船水域監控的應用

鄧 萌，陳 竹，宋瑩艷，劉袁伶，張 倩

（中國移動通信集團設計院有限公司重慶分公司，重慶 401147）

2016年國家頒布了《關于全面推行河長制的意見》，由各級黨政領導擔任河長，依法依規落實地方主體責任，協調整合各方力量，促進相應河湖的管理和保護工作，要切實落實河長制，就需進行水資源的保護、水岸線的保護管理、水污染的防止和水環境治理的監管，解決河庫管護“最后一千米”問題。

1 現狀分析

河庫管護最重要就是監管的全面性和實時性，及時糾正和處理一切水資源風險和違法問題，但由于各類水域廣袤，水系復雜，另有主要航道和生態系統呈動態變化，實時監測取證預警就顯得尤為重要。目前，主要的監測方法如下

衛星遙感，因為站（飛）得高，所以看得遠，故其觀測的信息宏觀、綜合，此外，它可以長期連續觀測，形成時序信息；遙感衛星監測照片（同樣精準度面積）成本比無人機低，還不受主權和一些自然條件（如無人區，無人島）所限。但對視頻影像無法很好實時傳送，同時監測拍攝效果易受天氣云層影響。

無人機，因為近地面，總體上分辨率高，并不受天氣影響，信息傳送點對點時效性好，且可以拍攝視頻影像，但其觀測范圍受限、數據處理比較復雜，需人工操作，續航能力有限，不能對水域不法行為及時采集取證并發出警告處理等。

傳感采集設備，各類水環境監控設備需要有固定線路進行信息采集回傳，且人工干預，無法實現動態增減采集設備參與監控和大量傳感采集設備同步上線的事實傳輸。

對流域為水系的日常巡視有助于規范化、精細化管理以建立全方位實時感知。無人船監控可以滿足全網為事實感知，綜合管理，統一指揮和移動指揮等實際需求，但缺乏充足可用的前端監測和取證設備，達到對水域管理的的實時性，大量性，智能性。

2 5G 技術的三大特點

國際標準化組織3GPP 定義了5G 的三大場景。其中，eMBB是高速率，實現3D/超高清視頻等大流量移動寬帶業務。mMTC是大連接，實現大規模物聯網業務。通信業對5G 的技術要求是每一平方千米，可以支撐100萬個移動終端或設備接入。URLLC是低時延，實現如無人駕駛、工業自動化等需要低時延、高可靠連接的業務。5G 對于時延的最低要求是1毫秒，甚至更低。

隨著5G 技術的進步和成熟，利用5G 低時延、高速率和大連接的特性，將5G 與無人船產品相結合，可以滿足全網為事實感知，綜合管理，統一指揮和移動指揮等實際需求，實現水域監控管理和執法取證預警，解決河庫管護“最后一千米”問題。

3 基于5G 無人駕駛船水域監控的應用

3.1 測試環境

本次驗證共建設5G 專網基站9 套（含共址4G 錨點基站），分別位于重慶長江與烏江交回處，站間距約為1千米，5G 無線設備頻段3.5GHz，4G 錨點站點部署分布如下所示。

3.2 5G 的兩種組網方式

5G 組網有兩種方式，NSA（非獨立組網）和SA（獨立組網），兩種方式各有優缺點，SA 方式實現一步到位引入5G 基站和5G核心網，不依賴于現有4G 網絡，演進路徑最短。全新的5G 基站和5G 核心網，能夠支持5G 網絡引入的所有新功能和新業務。但5G 頻點相對4G 較高，初期部署難以實現連續覆蓋，會存在大量的5G 與4G 系統間的切換，用戶體驗不好，初期部署因需完全新建基站和核心網，建設投入成本相對較高，無法有效利用現有4G 基站資源。NSA 方式，新建5G 基站，標準化完成時間最早，有利于市場宣傳。對5G 的覆蓋沒有要求，支持雙連接來進行分流，用戶體驗好。網絡改動小，建網速度快，投資相對少。但5G 基站跟現有4G 基站（錨點）必須搭配使用，需要來自同一個廠商，靈活性低。在實際應用中，為實現快速部署，實現當前功能，推薦在初期使用NSA 方式，后期隨著網絡建設成熟后過渡到SA方式，以下就以5G 無人駕駛船水域監控在兩種實現方式下的實現進行介紹。

首先將5G UE 安裝于無人船上，并對接各類監控采集設備，實現各類數據通過5G 實時回傳，并在流域沿線部署5G 和4G 基站，實現網絡接入。采用虛擬化方式建設5G 核心網，該核心網與公網隔離5G 核心網分階段建設，初期先建設非獨立組網NSA 5G EPC，包含系統包括：vMME、vGW-C、vGW-U、vPCRF、vHSS。后續過渡到獨立組網SA 5GC，包含AMF、SMF、UPF、UDM、UDR、AUSF、PCF、NRF、NSSF。對于邊緣計算場景，在靠近無線站點處部署vGW-U（NSA）或UPF（SA）節點，以滿足降低傳輸時延和節省傳輸成本的要求。

目前，僅考慮滿足本次實驗專網業務需求，未考慮節點、地理冗余，計費及完整的虛擬核心網管理平臺等需求，可根據需要擴展容量及規模。

通過以上組網方式，在無人船上通過5G+人工智能，實現了全智能自主航行、智能避障、航線規劃、定速巡航、慣性導航、智能返航。5G+GPS，實現了厘米級航行軌跡與規劃路徑匹配。5G+實時視頻傳輸，實現了2K 視頻實時傳輸。5G+智能監測和處理，對接多種智能傳感設備，用于水質、水位、水文等信息采集，利用5G 切片技術，根據無人船執行任務的不同特性進行切片接入，實現了智能傳感器監測與傳輸，將采集的水文數據傳到近端，通過邊緣計算回傳到無人船進行應急操作和處理。5G 無人船經測試驗證，上行峰值達到220Mb/s，下行峰值達到1400Mb/s，滿足各項業務需求。

3.3 投資估算

對無人船監控水域進行投入產出估算，按監控100千米河道，NSA 專網建設下計算，如下所示。考慮江河沿線大部分為非高業務區域，下階段，當使用非5G 專網建設，且為SA 組網時，監控河道越長，邊際成本越低，投入產出比越高。

表1 投入產出估算表

4 結束語

對于基于5G 無人駕駛船水域監控的應用方案和投資估算看出，可以滿足全網為事實感知、綜合管理、統一指揮和移動指揮等實際需求，實現水域監控管理和執法取證預警，解決河長制對河庫管護“最后一千米”問題，可在后期工程中推廣試用。