基于5G物聯(lián)網(wǎng)卡的通信與定位一體化解決方案及應(yīng)用

作者簡(jiǎn)介：宋大為（1983— ），男，學(xué)士；研究方向：海事裝備及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃、建設(shè)實(shí)施，裝備設(shè)施軟硬件管理，船舶交管系統(tǒng)雷達(dá)及無(wú)線通信管理。

摘要：基于5G物聯(lián)網(wǎng)卡開(kāi)展垂直行業(yè)應(yīng)用，正在成為各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要?jiǎng)恿ΑＮ恼孪到y(tǒng)梳理了5G物聯(lián)網(wǎng)卡的技術(shù)特點(diǎn)和能力，探討其通信和定位能力的主要優(yōu)勢(shì)，并將二者深度融合，開(kāi)展一體化解決方案設(shè)計(jì)和架構(gòu)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了5G物聯(lián)網(wǎng)卡面對(duì)復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的適配能力。通過(guò)在海事執(zhí)法領(lǐng)域的建設(shè)與驗(yàn)證，文章提出的5G物聯(lián)網(wǎng)卡通信與定位一體化方案能夠有效破解海事執(zhí)法領(lǐng)域當(dāng)前所遇到的難題，大幅提升了執(zhí)法效率與準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：5G；物聯(lián)網(wǎng)卡；定位；海事執(zhí)法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP315" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

面向全球競(jìng)爭(zhēng)格局和科技發(fā)展前沿，中國(guó)、美國(guó)、歐盟、日本等主要國(guó)家和經(jīng)濟(jì)體都制定了5G/6G發(fā)展的全局和長(zhǎng)期戰(zhàn)略，投入重資大規(guī)模開(kāi)展5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，并以此作為提振經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、建設(shè)工業(yè)4.0和智能制造的重要抓手和著力點(diǎn)。5G發(fā)展的成功與否關(guān)系到未來(lái)國(guó)家之間經(jīng)濟(jì)實(shí)力乃至綜合國(guó)力的競(jìng)爭(zhēng)格局，不容有失。

在4G技術(shù)基礎(chǔ)上，5G大幅提升了傳輸速率、端到端時(shí)延、可靠性、單位區(qū)域連接密度、定位精度、超高速移動(dòng)適應(yīng)性、節(jié)能效應(yīng)等關(guān)鍵指標(biāo)，這不僅為普通消費(fèi)者帶來(lái)了更好的通信體驗(yàn)，更為物聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)應(yīng)用帶來(lái)了產(chǎn)業(yè)升級(jí)千載難逢的機(jī)會(huì)。

在日常生活及生產(chǎn)活動(dòng)中，超過(guò)80%的信息都與地理位置有關(guān)。無(wú)論是在建筑物內(nèi)部，還是在廣闊的室外空間，消費(fèi)者及產(chǎn)業(yè)界都需要快速而精確地獲取移動(dòng)終端的位置信息。5G定位是通過(guò)測(cè)量無(wú)線信號(hào)來(lái)確定5G移動(dòng)終端所處地理位置的技術(shù)。通過(guò)基于5G網(wǎng)絡(luò)和平臺(tái)所提供的定位服務(wù)，用戶(hù)可以不受時(shí)間和地域限制，實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)的精確位置，滿足各類(lèi)應(yīng)用基于位置信息的開(kāi)發(fā)需求。

通信網(wǎng)絡(luò)具備定位能力，實(shí)現(xiàn)通信和定位一體化，不需要再單獨(dú)部署一張定位網(wǎng)絡(luò)，也不用單獨(dú)定制終端，部署、使用和維護(hù)成本低。定位功能依托 5G 網(wǎng)絡(luò)能力和智能終端能力，不斷迭代升級(jí)演進(jìn)。基于 5G 終端即可獲得定位信息，不需要再去安裝定位芯片和定位應(yīng)用軟件，獲取數(shù)據(jù)更加便捷，5G 終端用戶(hù)感知也大大提升。同時(shí)可以結(jié)合 5G 終端關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)標(biāo)簽，做大數(shù)據(jù)深度挖掘和分析，提升數(shù)據(jù)的綜合價(jià)值［1］。

1" 5G物聯(lián)網(wǎng)卡的主要特點(diǎn)及應(yīng)用

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的快速發(fā)展為各行各業(yè)帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。尤其是在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的大力推動(dòng)下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷創(chuàng)新，越來(lái)越多的智能設(shè)備被推向市場(chǎng)。但是，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及和應(yīng)用還面臨著不少困難，其中之一就是傳統(tǒng)的SIM卡難以滿足大規(guī)模連接、高速傳輸、高精度定位、低功耗等特性。因此，5G物聯(lián)卡成為可持續(xù)解決這一問(wèn)題的利器。

5G物聯(lián)網(wǎng)卡是一種基于5G技術(shù)的新一代物聯(lián)網(wǎng)通信模塊，具備高速、低延遲、大容量等特點(diǎn)，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供了更快速、穩(wěn)定的連接。下面從技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展前景3個(gè)方面對(duì)5G物聯(lián)網(wǎng)卡進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1.1" 技術(shù)特點(diǎn)

5G物聯(lián)網(wǎng)卡具備以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）高速率。5G物聯(lián)網(wǎng)卡能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，最高可達(dá)到數(shù)十Gbps，提供了更快速、更高效的通信服務(wù)。

（2）低延遲。5G物聯(lián)網(wǎng)卡的延遲較低，通常在ms級(jí)別，這對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)尤為重要，比如自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等。

（3）大容量。5G物聯(lián)網(wǎng)卡通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，可以為不同的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供個(gè)性化、定制化的通信服務(wù)，滿足大規(guī)模連接、大容量傳輸?shù)男枨蟆?/p>

（4）高可靠性。5G物聯(lián)網(wǎng)卡具備更高的可靠性，能夠在高速移動(dòng)、密集連接等復(fù)雜環(huán)境下保持穩(wěn)定的連接，確保物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行。

（5）高精度定位。5G帶寬大、網(wǎng)絡(luò)密度高，能顯著提升定位精度，定位精度最高可達(dá)亞米級(jí)。5G高精度定位與垂直行業(yè)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)跨領(lǐng)域的合作與靈活多樣的業(yè)務(wù)創(chuàng)新，為用戶(hù)提供增值業(yè)務(wù)，給用戶(hù)帶來(lái)安全、效率、商業(yè)等方面的價(jià)值。

1.2" 應(yīng)用場(chǎng)景

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的加速部署及5G物聯(lián)網(wǎng)卡的大規(guī)模發(fā)行，基于5G物聯(lián)網(wǎng)卡的通信與定位一體化在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力：

（1）智能交通。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛位置的高精度定位，提供實(shí)時(shí)的交通信息和導(dǎo)航服務(wù)，改善交通擁堵和提高交通安全。可實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)河、狹灣、沿海近岸水路運(yùn)輸裝置的高速定位，提前預(yù)警提示避碰。

（2）智能制造。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備的高精度定位和遠(yuǎn)程控制，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)智能化制造。

（3）智慧城市。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市設(shè)施和公共交通的高精度定位，提供實(shí)時(shí)的城市管理和服務(wù)，改善城市運(yùn)行效率和居民生活質(zhì)量。

（4）智能應(yīng)急和執(zhí)法綜合指揮。可以實(shí)現(xiàn)海上應(yīng)急力量、沿海現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法裝備和人員的實(shí)時(shí)高精度定位，為綜合指揮決策提供信息支持，提高執(zhí)法和應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)效率。

（5）物聯(lián)網(wǎng)。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的高精度定位和遠(yuǎn)程監(jiān)控，提供實(shí)時(shí)的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，優(yōu)化相關(guān)設(shè)備裝備管理運(yùn)維機(jī)制，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

1.3" 發(fā)展前景

5G物聯(lián)網(wǎng)卡在未來(lái)的發(fā)展前景非常廣闊，5G技術(shù)的普及和商用將推動(dòng)5G物聯(lián)網(wǎng)卡的發(fā)展，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi)5G物聯(lián)網(wǎng)卡的市場(chǎng)規(guī)模將快速增長(zhǎng)。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的普及和應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)大，對(duì)于5G物聯(lián)網(wǎng)卡的需求也將逐漸增加。5G物聯(lián)網(wǎng)卡的出現(xiàn)將加速各個(gè)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的深入應(yīng)用。5G物聯(lián)網(wǎng)卡的高速率、低延遲、大容量等特點(diǎn)將為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的發(fā)展提供更好的支持，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步。

2" 5G通信與定位一體化概念及原理

5G通信與定位一體化是指將5G通信技術(shù)與定位技術(shù)融合在一起，實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下同時(shí)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸和精準(zhǔn)定位的技術(shù)。它是未來(lái)通信和定位領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。

5G通信與定位一體化的原理主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）天線陣列技術(shù)。5G通信系統(tǒng)采用了大規(guī)模天線陣列技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)波束賦形，即將信號(hào)聚焦在特定方向，提高通信的可靠性和容量。同時(shí)，天線陣列也可以用于定位，通過(guò)測(cè)量信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差和相位差來(lái)計(jì)算終端的位置。

（2）多址接入技術(shù)。5G通信系統(tǒng)采用了非正交多址接入技術(shù)，可以同時(shí)傳輸多個(gè)用戶(hù)的信號(hào)，提高通信的效率。在定位方面，可以通過(guò)多址接入技術(shù)將定位信號(hào)與通信信號(hào)進(jìn)行分離，減少對(duì)通信系統(tǒng)的干擾。

（3）網(wǎng)絡(luò)協(xié)同技術(shù)。5G通信系統(tǒng)采用了網(wǎng)絡(luò)切片和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等技術(shù)，可以根據(jù)應(yīng)用的需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行靈活配置，實(shí)現(xiàn)通信和定位的協(xié)同工作。

（4）高精度時(shí)鐘同步技術(shù)。5G通信系統(tǒng)需要對(duì)終端的位置進(jìn)行高精度的測(cè)量，而這需要終端和基站之間的時(shí)鐘同步。通過(guò)采用高精度時(shí)鐘同步技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)ns級(jí)的時(shí)鐘同步，提高定位的精度。

3" 5G通信與定位一體化架構(gòu)及解決方案

針對(duì)無(wú)線基站、網(wǎng)關(guān)及終端收發(fā)的無(wú)線電波束的相關(guān)特征參數(shù)，進(jìn)行有效測(cè)量與估算，并使用定位平臺(tái)來(lái)運(yùn)行定位算法，則能夠計(jì)算出目標(biāo)物體的位置。無(wú)線電波的特征參數(shù)包括波達(dá)時(shí)間、波達(dá)角度、信號(hào)強(qiáng)度和相位等。在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，高精度定位市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，針對(duì)不同的室內(nèi)和室外應(yīng)用場(chǎng)景，衛(wèi)星定位、藍(lán)牙、UWB等定位技術(shù)隨著終端需求的增長(zhǎng)而迅速發(fā)展［2］。不斷提高定位精度是各類(lèi)無(wú)線定位技術(shù)持之以恒的目標(biāo)，在利用現(xiàn)有5G定位技術(shù)的基礎(chǔ)之上，還應(yīng)當(dāng)以5G通信網(wǎng)絡(luò)的廣域覆蓋為基礎(chǔ)，發(fā)揮其覆蓋廣、支持移動(dòng)性的特點(diǎn)，將多種性能與特性不盡相同的無(wú)線定位技術(shù)充分融合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，最終實(shí)現(xiàn)5G通信和多種無(wú)線定位技術(shù)的一體化，如圖1所示。

現(xiàn)有5G技術(shù)的一大特性就是引入了多接入邊緣計(jì)算（Multi-access Edge Computing，MEC），MEC可以與用戶(hù)面功能（User Plane Function，UPF）網(wǎng)元高度融合，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)側(cè)就近部署，且兼具強(qiáng)大的計(jì)算能力。同時(shí)，無(wú)線信號(hào)在傳輸通信信息的同時(shí)，其信號(hào)特征能夠?yàn)槎ㄎ环?wù)所用。通過(guò)采集、估算通信信號(hào)的相關(guān)特征，并在MEC上運(yùn)行定位算法，則可以實(shí)現(xiàn)通信與定位的融合。位置管理功能（Location Management Function，LMF）和網(wǎng)關(guān)移動(dòng)定位中心（Gateway Mobile Location Centre，GMLC）是3GPP定義的用于提供位置服務(wù)的網(wǎng)元，其設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)需嚴(yán)格遵守3GPP協(xié)議要求。LMF管理注冊(cè)到5G核心網(wǎng)終端的位置所需資源的總體協(xié)調(diào)和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)中位置信息的計(jì)算和反饋，提供定位過(guò)程管理、終端能力獲取、輔助數(shù)據(jù)提供、終端位置估計(jì)等功能。GMLC負(fù)責(zé)應(yīng)用的接入和鑒權(quán)，獲取并驗(yàn)證用戶(hù)的隱私設(shè)置，并將定位請(qǐng)求通過(guò)AMF轉(zhuǎn)發(fā)到LMF以完成位置的計(jì)算，并將最終的位置結(jié)果提供給定位應(yīng)用。基于位置的應(yīng)用多種多樣，既可以部署在運(yùn)營(yíng)商或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，又可以部署在應(yīng)用廠家網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的API接口實(shí)現(xiàn)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)定位能力的本地或遠(yuǎn)程調(diào)用。MEC應(yīng)設(shè)計(jì)為通用計(jì)算架構(gòu)，而LMF和GMLC可以基于SBA架構(gòu)以APP方式部署在MEC上。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)，可以有效實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)通信與定位架構(gòu)的一體化，確保了5G物聯(lián)網(wǎng)卡啟用即同時(shí)獲得通信與定位能力，更好地滿足基于5G物聯(lián)網(wǎng)卡所開(kāi)展的各類(lèi)應(yīng)用對(duì)于通信和定位能力的需求。

4" 5G物聯(lián)網(wǎng)卡在海事監(jiān)管輔助領(lǐng)域的應(yīng)用

受限于通信能力薄弱，目前海事監(jiān)管、執(zhí)法面臨諸多難題［3］，如：執(zhí)法人員短缺，法律法規(guī)條文繁雜，執(zhí)法人員難以快速完成知識(shí)更新，導(dǎo)致執(zhí)法程序用時(shí)長(zhǎng)、用法準(zhǔn)確性低；現(xiàn)有通信手段無(wú)法做大海面遠(yuǎn)程、大帶寬覆蓋，無(wú)法支持遠(yuǎn)程執(zhí)法，登船檢查耗時(shí)、費(fèi)力；無(wú)法實(shí)現(xiàn)船舶、車(chē)輛、人員、設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施等的大帶寬、高實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)定位的有效聯(lián)網(wǎng)，故不能做到其在海事基地VTS指揮中心和各海事處綜合執(zhí)法現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度中心的一網(wǎng)統(tǒng)管等［4-5］。

5G物聯(lián)網(wǎng)卡的出現(xiàn)，以其出色的通信和定位能力，有望在一定程度上解決海事監(jiān)管、執(zhí)法所面臨的問(wèn)題［6］。基于政務(wù)1.4G頻段，海南洋浦海事局設(shè)想和規(guī)劃搭建5G通信專(zhuān)網(wǎng)，開(kāi)展5G海事執(zhí)法輔助應(yīng)用的開(kāi)發(fā)和嘗試，最終形成從底層網(wǎng)絡(luò)到上層應(yīng)用的端到端解決方案。通過(guò)示范應(yīng)用，一方面驗(yàn)證5G物聯(lián)網(wǎng)卡和示范應(yīng)用解決方案的技術(shù)可行性、功能完備性、工作可靠性及各項(xiàng)性能指標(biāo)，是否能夠真實(shí)滿足行業(yè)用戶(hù)需求；另一方面對(duì)外提供新型執(zhí)法模式探索展示窗口，更多收集用戶(hù)需求，為成果轉(zhuǎn)化和后期推廣積累經(jīng)驗(yàn)和用戶(hù)資源。

筆者團(tuán)隊(duì)探索了推動(dòng)研發(fā)智慧海事執(zhí)法的輔助方案。首先，依靠現(xiàn)有基礎(chǔ)條件，沿海岸線部署5G一體化專(zhuān)網(wǎng)基站，支持5G物聯(lián)網(wǎng)卡，構(gòu)建大帶寬、低時(shí)延、高精度定位無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，向海面深處（16 n mile約30 km以上）、空中（高度不低于100 m）和岸線陸地部分進(jìn)行無(wú)線覆蓋。在執(zhí)法船只、車(chē)輛和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法人員穿戴裝備上配置5G CPE或5G通信終端，接收基站通信信號(hào)，實(shí)時(shí)傳輸或斷網(wǎng)后延續(xù)傳輸船內(nèi)視頻、照片、證照材料等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程執(zhí)法。在空中，救助直升機(jī)可搭乘執(zhí)法人員或配備傳輸設(shè)備接收基站向空中輻射的無(wú)線信號(hào)，傳輸所攝制視頻，與搜救指揮中心或現(xiàn)場(chǎng)搜救指揮船艇實(shí)時(shí)通信。另外，可通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載5G自組網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)近岸淺水區(qū)域或母船周?chē)鷧^(qū)域的無(wú)線覆蓋、應(yīng)急通信和備份鏈路。在陸地，執(zhí)法車(chē)輛的行車(chē)記錄儀、執(zhí)法人員的單兵執(zhí)法記錄儀、維修人員的安全帽、集裝箱不開(kāi)箱內(nèi)窺鏡設(shè)備等視頻信息，都可以通過(guò)5G物聯(lián)網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)與指揮中心和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法調(diào)度中心的互聯(lián)和實(shí)時(shí)通信。在指揮中心及執(zhí)法大廳，能夠?qū)崟r(shí)接收船、機(jī)、車(chē)、人、物等的視頻、數(shù)據(jù)信息及位置信息，在大屏進(jìn)行統(tǒng)一顯示和監(jiān)管、調(diào)度。此方案大幅提高了海事監(jiān)管執(zhí)法效率，如圖2所示。

5" 結(jié)語(yǔ)

基于5G物聯(lián)網(wǎng)卡的通信與定位一體化是未來(lái)通信和定位領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，具有高速數(shù)據(jù)傳輸、高精度定位、多樣化應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同等特點(diǎn)。它可以應(yīng)用于智慧環(huán)保、智能制造、智慧城市、智能應(yīng)急和執(zhí)法綜合指揮等領(lǐng)域，為各種應(yīng)用場(chǎng)景提供高速數(shù)據(jù)傳輸和精準(zhǔn)定位的支持。然而，5G通信與定位一體化技術(shù)還面臨一些挑戰(zhàn)，包括基礎(chǔ)設(shè)施布局、頻譜資源、天線陣列設(shè)計(jì)、時(shí)鐘同步和安全隱私等方面的問(wèn)題。解決這些挑戰(zhàn)需要產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府部門(mén)的共同努力，以推動(dòng)5G通信與定位一體化技術(shù)的發(fā)展。

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（編輯" 沈" 強(qiáng)）

Communication and positioning integrated solution and applications based on 5G IoT cards

Song" Dawei， Yuan" Shaochun， Ma" Liangbin， Ma" Lixue

（Yangpu Marine Supervision Department， Danzhou 578001， China）

Abstract： This article systematically outlines the technical characteristics and capabilities of 5G IoT cards， explores the main advantages of their communication and positioning capabilities， and deeply integrates the two to develop integrated solution designs and architectural innovations， realizing the adaptability of 5G IoT cards to complex application scenarios. Through construction and verification in the field of maritime law enforcement， the proposed integrated solution for communication and positioning of 5G IoT cards can effectively solve the current difficulties encountered in the field of maritime law enforcement， greatly improving law enforcement efficiency and accuracy.

Key words： 5G; IoT cards; positioning; maritime law enforcement