基于5G 无人驾驶船水域监控的应用

2020-01-14宋莹艳刘袁伶

数字通信世界 2019年12期

邓萌，陈竹，宋莹艳，刘袁伶，张倩

（中国移动通信集团设计院有限公司重庆分公司，重庆 401147）

2016年国家颁布了《关于全面推行河长制的意见》，由各级党政领导担任河长，依法依规落实地方主体责任，协调整合各方力量，促进相应河湖的管理和保护工作，要切实落实河长制，就需进行水资源的保护、水岸线的保护管理、水污染的防止和水环境治理的监管，解决河库管护“最后一千米”问题。

1 现状分析

河库管护最重要就是监管的全面性和实时性，及时纠正和处理一切水资源风险和违法问题，但由于各类水域广袤，水系复杂，另有主要航道和生态系统呈动态变化，实时监测取证预警就显得尤为重要。目前，主要的监测方法如下

卫星遥感，因为站（飞）得高，所以看得远，故其观测的信息宏观、综合，此外，它可以长期连续观测，形成时序信息；遥感卫星监测照片（同样精准度面积）成本比无人机低，还不受主权和一些自然条件（如无人区，无人岛）所限。但对视频影像无法很好实时传送，同时监测拍摄效果易受天气云层影响。

无人机，因为近地面，总体上分辨率高，并不受天气影响，信息传送点对点时效性好，且可以拍摄视频影像，但其观测范围受限、数据处理比较复杂，需人工操作，续航能力有限，不能对水域不法行为及时采集取证并发出警告处理等。

传感采集设备，各类水环境监控设备需要有固定线路进行信息采集回传，且人工干预，无法实现动态增减采集设备参与监控和大量传感采集设备同步上线的事实传输。

对流域为水系的日常巡视有助于规范化、精细化管理以建立全方位实时感知。无人船监控可以满足全网为事实感知，综合管理，统一指挥和移动指挥等实际需求，但缺乏充足可用的前端监测和取证设备，达到对水域管理的的实时性，大量性，智能性。

2 5G 技术的三大特点

国际标准化组织3GPP 定义了5G 的三大场景。其中，eMBB是高速率，实现3D/超高清视频等大流量移动宽带业务。mMTC是大连接，实现大规模物联网业务。通信业对5G 的技术要求是每一平方千米，可以支撑100万个移动终端或设备接入。URLLC是低时延，实现如无人驾驶、工业自动化等需要低时延、高可靠连接的业务。5G 对于时延的最低要求是1毫秒，甚至更低。

随着5G 技术的进步和成熟，利用5G 低时延、高速率和大连接的特性，将5G 与无人船产品相结合，可以满足全网为事实感知，综合管理，统一指挥和移动指挥等实际需求，实现水域监控管理和执法取证预警，解决河库管护“最后一千米”问题。

3 基于5G 无人驾驶船水域监控的应用

3.1 测试环境

本次验证共建设5G 专网基站9 套（含共址4G 锚点基站），分别位于重庆长江与乌江交回处，站间距约为1千米，5G 无线设备频段3.5GHz，4G 锚点站点部署分布如下所示。

3.2 5G 的两种组网方式

5G 组网有两种方式，NSA（非独立组网）和SA（独立组网），两种方式各有优缺点，SA 方式实现一步到位引入5G 基站和5G核心网，不依赖于现有4G 网络，演进路径最短。全新的5G 基站和5G 核心网，能够支持5G 网络引入的所有新功能和新业务。但5G 频点相对4G 较高，初期部署难以实现连续覆盖，会存在大量的5G 与4G 系统间的切换，用户体验不好，初期部署因需完全新建基站和核心网，建设投入成本相对较高，无法有效利用现有4G 基站资源。NSA 方式，新建5G 基站，标准化完成时间最早，有利于市场宣传。对5G 的覆盖没有要求，支持双连接来进行分流，用户体验好。网络改动小，建网速度快，投资相对少。但5G 基站跟现有4G 基站（锚点）必须搭配使用，需要来自同一个厂商，灵活性低。在实际应用中，为实现快速部署，实现当前功能，推荐在初期使用NSA 方式，后期随着网络建设成熟后过渡到SA方式，以下就以5G 无人驾驶船水域监控在两种实现方式下的实现进行介绍。

首先将5G UE 安装于无人船上，并对接各类监控采集设备，实现各类数据通过5G 实时回传，并在流域沿线部署5G 和4G 基站，实现网络接入。采用虚拟化方式建设5G 核心网，该核心网与公网隔离5G 核心网分阶段建设，初期先建设非独立组网NSA 5G EPC，包含系统包括：vMME、vGW-C、vGW-U、vPCRF、vHSS。后续过渡到独立组网SA 5GC，包含AMF、SMF、UPF、UDM、UDR、AUSF、PCF、NRF、NSSF。对于边缘计算场景，在靠近无线站点处部署vGW-U（NSA）或UPF（SA）节点，以满足降低传输时延和节省传输成本的要求。

目前，仅考虑满足本次实验专网业务需求，未考虑节点、地理冗余，计费及完整的虚拟核心网管理平台等需求，可根据需要扩展容量及规模。

通过以上组网方式，在无人船上通过5G+人工智能，实现了全智能自主航行、智能避障、航线规划、定速巡航、惯性导航、智能返航。5G+GPS，实现了厘米级航行轨迹与规划路径匹配。5G+实时视频传输，实现了2K 视频实时传输。5G+智能监测和处理，对接多种智能传感设备，用于水质、水位、水文等信息采集，利用5G 切片技术，根据无人船执行任务的不同特性进行切片接入，实现了智能传感器监测与传输，将采集的水文数据传到近端，通过边缘计算回传到无人船进行应急操作和处理。5G 无人船经测试验证，上行峰值达到220Mb/s，下行峰值达到1400Mb/s，满足各项业务需求。