基于5G切片技術的智慧港口物聯技術探索與應用

陳大明，但德東

（中國電信股份有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

當前全球港口面臨勞動力成本攀升、勞動強度大、工作環境惡劣、人力短缺的難題。智慧港口對通信連接有低時延、大帶寬、高可靠性的嚴格要求，傳統的光纖+Wi-Fi方案普遍抗雷擊能力不足，故障率高，集裝箱內的Wi-Fi信號易被遮擋，形成覆蓋盲區，運營后新增作業區域Wi-Fi補漏工程實施成本高，要實現港口重型作業設備的自動化，就需要做到感知信息和控制信息的可靠傳輸。本文利用5G的低時延、高帶寬、大容量、高可靠性實現可靠通信，智慧港口5G物聯技術應用能夠大幅提升作業效率，減少人工成本并且減少差錯。

1 智慧港口主要應用分析

結合智慧港口現狀，利用5G切片專線主要解決以下需求。

（1）塔吊、龍門吊遠程操控需求：塔吊、龍門吊的駕駛室環境惡劣，進出上下不易，難以招工，實現遠程操控可解決這一問題。針對此類業務需要提供高可靠性，超低時延的網絡保障。

（2）智能無人集裝卡車無人駕駛需求：24小時不停作業，此類業務涉及直播顯示駕艙環境和車頭畫面，需要提供超低時延帶寬保障。

（3）安全巡邏需求：港口園區內需要AGV小車進行巡邏，確保園區的安全。此類業務涉及高清視頻實時回傳，需要提供低時延，大帶寬的網絡保障。

（4）5G岸橋視頻監控：園區范圍較廣，關鍵位置需要進行監控。此類視頻監控類業務涉及4K高清視頻回傳，需要提供大帶寬及一定實時性的網絡保障[1]。

2 解決方案

2.1 總體網絡架構

港口諸多業務類型中，涉及時延敏感的業務較多，因此選擇下沉UPF，在港口機房搭建一套MEC，通過用戶面下沉實現港口時延敏感類業務的時延保障，同時港口內的數據傳輸只經過本地UPF到內網，數據安全得到保障。使用5GC商用核心網，控制面在核心網側，終端接入后，核心網側根據接入點DNN和無線基站歸屬TAC，選擇到下沉的UPF，用戶面數據即從基站到STNB設備，走到下沉UPF，通往港區機房的防火墻，接入內網。

圖1 港口整體網絡結構圖

遠程操控的方案能夠實現異地遠程操控橋吊/龍門吊，依托5G大帶寬、低時延、高可靠網絡特性，駕駛員通過5G實現通過遠程智能操控平臺對遠端岸橋的全向監控和人工/智能遠程控制，其系統包括數據交互與控制、網絡傳輸以及控制和平臺三部分[2]。

2.2 5G切片及QoS設計

根據港口業務需求分析，對港口業務規劃三種5G切片，遠程遙控類切片對應岸橋遠控和無人集裝卡車，視頻直播類切片對應AGV無人巡檢小車，通用帶寬保障類切片對應5G 4K視頻監控、移動視頻監控等業務。同時為了充分保障超低時延，遠程遙控類切片和視頻直播類切片的流量都要經過下沉UPF，而通用帶寬保障類切片可以選擇大網UPF，亦可選擇下沉，但為了保證數據安全不出園區，切片數據都可經過下沉UPF直接到港區機房內網。

圖2 智慧港口5G切片設計圖

遠程遙控類切片主要承載岸橋遠控、無人集裝卡車自動駕駛兩類業務，使用5QI 83, Delay Critial GBR業務類型，在無線基站側提供RB資源預留，業務通過5QI和大網業務區分出高優先級。在承載側設置1個2B RAN VPN軟切片，PQ調度隊列。視頻直播類業務使用5QI71，GBR業務類型。通用帶寬保障類業務使用5QI4，GBR業務類型，無線基站側RB資源共享[3]。2B切片使用不同于2C的VLAN，VLAN內通過5QI到DSCP映射，來保證各業務的優先級和QoS。

2.3 5G空口無線增強技術方案

2.3.1 時頻雙聚合技術提升5G上行覆蓋

在港區集裝箱堆積的復雜環境中，相比5G網絡主流3.5 GHz TDD頻段，2.1 GHz FDD頻段的路損和穿透損耗相對較低，覆蓋具備一定優勢。基于TDD+FDD高低頻互補，在港口3.5 GHz上行弱覆蓋區域，終端可以依托2.1 GHz頻段進行高速數據發送，同時在下行方向可繼續利用3.5 GHz在帶寬、大規模陣列天線等方面的優勢，繼續享受下行超高速率；在其他3.5 GHz覆蓋較好的區域，可充分發揮2.1 GHz和3.5 GHz頻段的潛力，使得終端可同時在2個頻段上進行上行數據發送，時域充分使用FDD的全部上行頻段。基于港口的視頻監控大數據業務，采用時頻雙聚合技術能夠提升用戶的業務體驗，實測遠點用戶上行速率相比3.5G單載波提升2倍以上，上行時延降低20%左右，邊緣覆蓋距離提升25%，能夠較好滿足視頻監控大數據業務的高上行速率、低時延需求[4]。

2.3.2 PRB預留差異化保障用戶獨享無線空口資源

基于無線PRB資源預留的切片可以提供類似于專用無線頻譜資源的硬隔離，并且支持靈活的PRB資源獨享和共享策略。針對港口遠程遙控類5QI 83切片，預留獨享30%的空口資源，實現岸橋遠控和無人集卡的無線側資源的絕對保障。通過實驗3個用戶（1個切片+2個普通）同時在線，切片用戶獨占30%，傳輸穩定，而普通用戶資源互搶，傳輸不穩定。

表1 智慧港口需求與5G切片對應表

圖3 智慧港口遠程遙控類5G無線空口資源預留實驗

3 智慧港口網絡效果驗證

為實現不同業務類型的保障能力，終端接入進行5G切片效果驗證。

3.1 切片功能性驗證

5G切片端到端的拉通需要終端、基站和核心網配置對應的切片信息。港區遠程遙控類終端（岸橋遠控駕駛室、無人集裝卡車）、AGV無人巡檢小車、港區監控攝像頭配置專屬DNN接入，從無線基站和核心網分別抓信令，在5G切片上，有對應的5QI83、71、4的保障信息。

圖4 5G切片遠程遙控類5QI83保障

3.2 遠程遙控類切片效果驗證

本文通過制定測試方案，驗證使用5G專線切片場景下，遠程遙控類業務的效果。

圖5 遠程遙控類切片用戶和普通用戶業務時延對比

通過測試在業務繁忙時，大量用戶接入并同時發起2C和2B業務，普通用戶此時訪問內網，時延略大，存在波動，而切片用戶時延幾乎沒有變化，基本穩定在15 ms以內，滿足遠程遙控小于20 ms的超低時延需求，并能穩定保持，能夠保障此類業務[5]。

3.3 視頻直播類切片效果驗證

圖6 視頻直播類切片用戶和普通用戶業務上行速率對比

現場兩臺AGV巡檢小車，一臺使用5QI71的切片接入，另外一個作為普通用戶同時接入做對比。在基站業務繁忙時觀察，切片小車的上行流量穩定保持在簽約的20 Mb/s，現場監控室觀察畫面流暢清晰，無任何卡頓現象；而作為普通用戶的小車回傳的視頻，視頻穩定性不如切片用戶，偶有跳幀。從實際效果看，20 Mb/s滿足巡檢小車回傳視頻的帶寬要求，而且視頻直播類的5QI71保障，能夠保證現場AGV巡檢小車的網絡能力要求。

3.4 通用帶寬保障類切片效果驗證

測試使用了港區的監控攝像頭，使用5QI4的切片接入，通過在監控中心的大屏觀察發現，監控畫面實時性高，畫面流暢，調整視頻為1080P和4K，均無任何卡頓。

4 結束語

本文通過對5G專網組網方式和切片的性能研究，并結合運輸類港口行業中的網絡需求，對癥下藥探索了港口5G網絡的實現方案。基于5G切片的智慧港口物聯技術探索、應用，為智慧港口提供了一張靈活調度、差異化、安全隔離的專用網絡，實現了智慧港口網絡切片服務能力，提升了港口通信業務的可管可控能力，大大加快和推進智慧港口數字化轉型進度。■