5G智慧港口的設計與實現

朱崢，蘇瑋

（中通服咨詢設計研究院有限公司）

1 引言

智慧港口是指以信息技術為手段全面實現港口應用的網絡化、智能化和可視化。5G技術所具有的超高速率、超低時延、超高密度連接等特點能夠有效提升港口運營管理效率、節省人力成本，滿足不同業務對于移動、安全、時延、可靠的個性化需求[1,2]。

目前5G部署存在以下問題：

①5G站址建設仍以試驗性質為主，業務靈活性考慮不足；

②5G站址主要以4G網絡為錨點進行部署，網絡覆蓋能力有限；

③5G覆蓋局限于陸域范圍，缺少有效的手段將5G信號向海域延伸。

以上問題制約了5G技術在智慧港口建設中的應用。本文將從網絡切片、組網設計、站址規劃等多角度討論5G智慧港口的建設，以期真正實現5G技術在智慧港口建設中的應用。

2 網絡切片

2.1 業務場景

5G智慧港口主要涵蓋eMBB、uRLLC和mMTC三種業務場景，三種業務場景均有其個性化的QoS需求。目前國內港口的5G網絡建設主要對應eMBB場景，要想真正建設5G智慧港口，需要同時保障3種業務場景對于QoS的需求。

2.2 網絡切片

5G網絡切片技術可同時承載多種邏輯業務，面向不同的需求和服務。網絡切片分為軟切片方案和硬切片兩種，由無線網切片、承載網切片、核心網切片組成[3]（見表1）。

3 組網設計

3.1 方案比選

港口5G組網主要分為基于運營商公網切片方案和5G專網方案兩種。

表1 網絡切片方案

①公網切片方案完全基于運營商網絡資源部署[3]，通過網絡切片的方式構建一張虛擬專網。

②5G專網方案由港口獨立部署，無線網自行建設或采用硬隔離方式共享運營商設備；承載網采用港區內部自建光纜網，通過GPON或10GPON實現接入；核心網部署在港口數據中心，港口專用。

3.2 組網設計

圖1 港口5G網絡組網設計

表2 5G陸域基站鏈路預算

公網切片方案和5G專網方案各有優缺點，實際建設時建議采用融合組網方案。

1）無線網

硬隔離共享運營商無線網設備，采用獨立頻帶資源或空口時頻資源，獨立的基帶板，內部業務走雙路徑雙掛核心網確保安全。

2）承載網

運營商在港區內部光纜網的基礎上部署SPN承載網[4]，采用硬切片的方式實現內部業務與公眾業務的隔離。

3）核心網

初期完全共享運營商控制面網元，獨立部署用戶面網元，將UPF下沉至港口數據中心，確保數據在港口內部流動。后期可結合業務需求針對uRLLC業務切片部署相對獨立的專用控制面網元。

UPF下沉部署可采用服務器和交換機兩種形態。智慧港口業務復雜，需同時滿足eMBB、uRLLC、mMTC三種場景，UPF應選擇服務器形態以提升部署靈活性，通過雙鏈路接入港區核心交換機（見圖 1）。

4 站址規劃

5G智慧港口站址規劃涵蓋陸域站址規劃和海域站址規劃兩部分。5G對于上下行鏈路平衡更為敏感，上行覆蓋對基站部署影響更大。

4.1 陸域基站規劃

5G陸域基站建設應以宏微結合方式部署[5]，初期規劃僅考慮宏基站建設。陸域基站規劃選用Uma傳播模型，鏈路預算如表2所示：

由表2可知，5G陸域基站站間距應在350m～400m，若以4G基站為錨點建設，無法滿足5G覆蓋的要求。5G設備初期接入成本高，不利于快速應用，可引入Wi-Fi 6技術以異構混合組網的方式實現多業務綜合接入。

4.2 海域基站規劃

海域覆蓋在5G智慧港口建設中至關重要，受限于覆蓋能力，目前智慧港口建設還未能真正將5G信號向海域延伸。海運船舶采用高性能船用鋼材料建設，海域覆蓋電波的穿透損耗要高出陸域覆蓋很多。海域基站規劃選用自由空間視距傳播模型，鏈路預算如表3所示：

由表3可知，5G海域基站站間距應在2.8 n mile～3.8 n mile。海域基站可利用覆蓋區域周邊島嶼或自建無人值守船舶進行部署，無人值守船舶通過自穩定系統實現船體平衡，建造成本遠低于永久性設施，且具有更高的靈活性，提高基站建設速度。

表3 5G海域基站鏈路預算

5 結語

隨著5G技術的逐步成熟，5G智慧港口必將迎來建設高峰期。5G智慧港口建設不能僅是將5G信號引入港口，而應滿足不同場景的業務需求。同時，只有兼顧陸域和海域基站建設，才能最終實現業務的全域無縫銜接。5G技術的不斷完善將進一步推動港口進行自動化、智能化升級，真正打造更綠色、更環保、更高效的“智慧港口”。