5G移动通信与智慧能源应用

张勤贵，张翠霞，张明哲

（1.国家计算机网络与信息安全管理中心山东分中心，山东 济南 250002；2.广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310）

0 引 言

随着国家5G技术的商用，山东省工业和信息化厅审批通过枣矿集团为首批5G标杆示范企业之一，开展基于5G技术的智慧矿山体系建设。兼顾“全局性、长远性、先进性、可持续性”，以“整体规划，高起点布局，全方位设计，分阶段实现”为基本的指导思想，结合新兴5G技术，立足把枣矿集团打造成全国安全、高效、绿色、智能化的标杆示范化矿区。枣矿集团属于2B企业用户，即因行业需求与电信企业沟通有5G信号覆盖需求的企业，需求包括打造智慧矿山、井下通信、人员定位、井下交通以及无人开采等。同时，枣矿集团还属于灯塔客户，即全国行业有影响力（全国行业市场份额前10或品牌排名前10等）或者地区影响力较大（省内行业市场份额前5）的客户。

本文以枣矿集团付村煤业引入AGV小车为例，介绍如何通过新建5G基站实现智能配送等应用。5G技术的一个优势eMBB即增强型移动宽带，使得移动性在500 km/h用户速率达到100 Mb/s。5G技术的另一个优势URLLC即低时延、高可靠性，达到单项空口时延在1 ms，可靠性达到99.999%，为实现AGV小车系统的正常运行提供了保障[1]。本次新建5G基站使用的3.5G-64TRAAU设备天线阵子数量更多。更多的天线阵子带来天线增益的提升，可以保证更好的波束赋型效果，大幅提升系统容量和频谱效率。在付村煤业AGV小车智能配送物料途中频繁被生产机械建筑遮挡的情况下，5G网络满足了AGV小车的通信需求。

1 AGV通信需求

付村煤业将引用无人搬运车（Automated Guided Vehicles，AGV）实现固定线路的智能配送，显著特点是无人驾驶。AGV上装备有自动导向系统，可以保障系统在不需要人工引航的情况下能够沿预定的路线自动行驶，将货物或物料自动从起始点运送到目的地。AGV车辆通过无线网络系统进行集中控制和调度，在厂区内铺设了磁钉定位系统的通道内全自动化运行。AGV无人驾驶行走控制均由网络调度中心自动化控制，为了防止车辆间的急停、碰撞带来的安全生产事故，对无线控制网络提出了高可靠、低时延的严格要求。

在AGV小车作业调度的情况下，会出现多台小区相对集中在一个作业区的情况。因此，在多台AGV小车的接入情况下，要求多用户时ping包时延＜50 ms（最大不超过200 ms），以满足业务生产和调度需求。

单个AGV车上终端承载的业务总带宽需求不超过100 kb/s。要求ping包时延不超过50 ms（多用户正常情况），最大时延不允许超过200 ms，否则会出现掉线停车。

表1 AGV业务类型分类

AGV业务类型分类，如表1所示。

考虑到TCP和UDP的报文包头部开销（TCP：MAC头 +IP头 +TCP头 =14+20+20=54 Bytes；UDP：MAC头+IP头+UDP头=14+20+8=42 Bytes），再考虑到预留一定余量，单个AGV车带宽规划为100 kb/s。

同时，要求考虑多个AGV小车同时在一个作业区的最严苛情况，按照单小区最多同时60台AGV小车聚集。

另外，单台AGV将会有4个业务通过无线网络回传到中控中心——B&R导航PLC（核心控制）、IFM单机电控PLC（维护级应用）、HMI单机故障屏（维护级应用）以及AGV远程唤醒（辅助控制应用）[2]。由于该4个业务的IP地址不同，因此可以考虑在承载网上通过QoS策略对该核心控制业务提升其报文转发的优先级。

在那以后的日子里，我天天如惊弓之鸟，惶惶不可终日。我从短裙子女孩想到刘伟，想到黑背心、泰森，最后又回到录像厅里的那张神秘纸条。我总觉得在我的身边还有一双无形的眼睛。因为在录像厅里给我纸条的那个人一定不是短裙子女孩，因为我们从未谋面，她也不知道我叫陈小飞，一定是一个认识我的人把我推荐给短裙子女孩或者是刘伟的，这个认识我的人那天也一定跟踪了我。我甚至认为这个藏在我身后的熟悉的人一定是这个凶杀案件的主谋，我、黑背心、泰森，甚至短裙子女孩和刘伟，都不过是他运筹帷幄的一个棋子而已。

2 5G基站规划

本次付村煤矿新建5G基站采用SA组网方式，矿区内首批规划4个站点——付村煤业选煤厂楼、付村煤业水塔、付村煤业主办公楼和付村煤业采掘楼。通过使用ASSET高精度射线跟踪模型仿真，分析仿真结果得出结论，以期使矿区地面部分做到5G信号的良好无缝覆盖。

本次5G新建基站选址主要考虑到楼宇高度合适和AAU安装位置的视野开阔无明显遮挡，不建议选择在矿内生产机械建筑上新建5G基站。新增AAU设备所依附的塔桅在设计位置（本期建设主要涉及3 m扶墙抱杆和3 m配重抱杆）应考虑到楼顶女儿墙的墙体高度和厚度，具体要求为女儿墙高度不应该低于60 cm，厚度不应该低于20 cm。同时，AAU设备考虑使用交直流转换模块来引电。新增AAU设备的位置应该考虑到在覆盖方位角合适的前提下使得交流线缆长度尽可能短，交直流转换模块应该安装在后期便于维护修理处。新增3 m配重抱杆的楼顶应该核实楼面是否满足承重要求。

关于新建5G基站的配置选择，参考规划新建5G基站位置来确定[3]。第一处物理站点付村煤业选煤厂楼。该楼宇属于生产人员办公楼，周围均为生产车间，是AGV小车智能配送线路的起点或终点，需要5G重点覆盖且周围覆盖视野较开阔，选用S1111配置；第二处物理站点付村煤业水塔，位于煤矿南侧边缘位置。考虑付村煤业的需求只做厂区内的5G信号覆盖，因此选用S11配置覆盖煤矿主要的行政单位楼宇。第三处物理站点付村煤业主办公楼，位于煤矿东侧边缘位置。楼宇高度相对合适，配置选择为S11。主覆盖一扇区方向为铁路输送线路，是AGV小车智能配送的起点或终点，视野较开阔；主覆盖二扇区可以对煤矿主要行政单元楼做补充覆盖。第四处物理站点付村煤业采掘楼属于调度楼，位置相对核心。但是，考虑现场南侧覆盖视野较差，配置选择为S11，作为对北侧铁路输送线路和生产车间的补充覆盖。本期新建5G基站位置和配置如表2和图1所示。

表2 5G建设基站明细

3 5G基站建设

本次主要阐述首批规划的4个5G基站的天馈侧方案和BBU侧方案。

3.1 付村煤业水塔天馈建设方案

此站点计划在水塔顶部东侧、西侧各新增1副3 m扶墙抱杆，新增2台AAU，新增2台交直流转换模块（交直流转换模块在AAU下方位置抱杆安装），每台AAU分别从1台交直流转换模块取电。新增的2台交转直模块从2路32 A交流空开取电。

图1 规划效果图

3.2 付村煤业主办公楼天馈建设方案

此站点计划在5楼顶西北角新增2副3 m扶墙抱杆，新增2台AAU，新增2台交直流转换模块（交直流转换模块在AAU下方位置抱杆安装），每台AAU分别从1台交直流转换模块取电。6楼顶南侧女儿墙壁挂的交流空开箱内需新增2路32 A交流空开，新增的2台交转直模块从新增的2路电源端子取电。

3.3 付村煤业采掘楼天馈建设方案

此站点计划在3楼顶西侧新增1副3 m三肢配重抱杆，北侧新增1副3 m三肢配重抱杆，共需预制水泥基础24块（水泥基础尺寸：400 mm×200 mm×160 mm），新增2台AAU，新增2台交直流转换模块（交直流转换模块在AAU下方位置抱杆安装），每台AAU分别从1台交直流转换模块取电。新增的2台交转直模块从3F南侧机房交流配电柜内空余的2路32 A交流空开取电。

3.4 付村煤业选煤厂楼天馈侧建设方案

此站点计划在5楼顶北侧新增2副3 m扶墙抱杆，西南角新增1副3 m扶墙抱杆，南侧新增1副3 m扶墙抱杆，新增4台AAU，新增4台交直流转换模块（新增的4台交转直模块两两集中在北侧2付抱杆下方位置安装），每台AAU分别从1台交直流转换模块取电。新增的4台交转直模块需从4路32 A交流空开取电。

3.5 BBU机房侧建设方案

本期工程新增3台5G BBU设备，煤矿内机房均为交流电，使用交直流转换模块给BBU取电。考虑到单个5G物理站的小区需要连接至同一台5G BBU上，且1块5G BBU基带板只能下挂3个5G小区，因此付村煤业选煤厂楼、付村煤业主办公楼和付村煤业采掘楼都新增1台5G BBU。付村煤业水塔利旧付村煤业选煤厂楼新增的BBU，并新增1块5G基带板。同时，5G BBU功耗随5G基带板数量增加，因此需新增2台交直流转换模块给3台5G BBU取电。

3.6 投资汇总

3.7 SA组网分析

本次5G基站建设采用SA组网方式。SA标准于2018年6月问世，于2019年下半年成熟。

在业务能力提供方面，NSA组网无法支持5G新业务，不具备5G新能力（无切片、MEC非标）只支持eMBB业务。SA组网移入5GC，支持控制与转发分离，支持更多的业务类型和网络切片。

在互操作性能上，NSA组网信令面锚定在4G上，不存在4G与5G的互操作。5G非连续覆盖时，NSA在移动移动连续性方面具有优势。SA组网通过4G和5G网间互操作实现移动连续性，切换时延大，易造成掉线。

在语音方案方面，NSA组网方案简单，通过终端双连接，直接采用VoLTE，SA组网语音方案相对复杂（VoNR、Fallback、OTT）。

在建设改造难度方面，NSA组网支持双连接，LTE网改动较多，X2/Xn接口、PDCP和MAC层均需部分改动，SA组网仅需RRC层新增邻区测量和配置，核心网需升级4G核心网，支持与5G互操作，且需建设5G核心网。

在组网灵活度方面，NSA组网异厂家支持灵活度相对较差。根据RAN架构不同，可能存在传输路由迂回问题。SA组网主要是切换关系，耦合度低。

在建设改造投资方面，NSA组网初期不需要建设5GC，最终演进至SA，需增加4G基站分流改造、EPC升级等成本，SA组网需同时建设5G无线网和核心网。

枣矿集团付村煤业规划初期考虑使用NSA组网方式，同时需要新增AAU设备和4G板状天线，传输侧需新增1台4G传输分组和1台5G传输分组。规划后期，根据山东联通下发的5G建设指导意见采用SA组网，节省了新增4G天线和4G传输分组的投资。

与以往的移动通信系统主要强调用户峰值速率不同，5G关键性能指标更加丰富。除用户峰值速率外，5G关键性能还包括用户体验速率、连接数密度、端到端时延、流量密度和移动性等[4]。其中，用户体验速率是5G最重要的性能指标，真正体现了用户可获得的真实数据速率，是与用户感受最密切的性能指标。

4 5G行业应用展望

通过在枣矿集团付村煤业首批建设的4个5G基站，完成井上5G信号全覆盖，实现AGV小车在固定线路上的物料智能配送。后期在条件成熟后逐步将5G网络渗透至井下，实现井下通信、人员定位、井下交通以及无人开采等功能。5G除了在智慧能源方面的应用，还应用于智慧城市、智慧教育、智慧能源、智慧医疗和泛在低空等行业。智慧城市行业需求主要包括5G会议现场直播；智慧教育行业需求主要包括5G VR视频教学和5G图书馆；智慧能源行业需求主要包括配电智能分析，均衡输电；智慧医疗主要包含基于5G的智慧医疗建设；泛在低空主要包含5G无人机巡航。