5G智慧港口的设计与实现

朱峥，苏玮

（中通服咨询设计研究院有限公司）

1 引言

智慧港口是指以信息技术为手段全面实现港口应用的网络化、智能化和可视化。5G技术所具有的超高速率、超低时延、超高密度连接等特点能够有效提升港口运营管理效率、节省人力成本，满足不同业务对于移动、安全、时延、可靠的个性化需求[1,2]。

目前5G部署存在以下问题：

①5G站址建设仍以试验性质为主，业务灵活性考虑不足；

②5G站址主要以4G网络为锚点进行部署，网络覆盖能力有限；

③5G覆盖局限于陆域范围，缺少有效的手段将5G信号向海域延伸。

以上问题制约了5G技术在智慧港口建设中的应用。本文将从网络切片、组网设计、站址规划等多角度讨论5G智慧港口的建设，以期真正实现5G技术在智慧港口建设中的应用。

2 网络切片

2.1 业务场景

5G智慧港口主要涵盖eMBB、uRLLC和mMTC三种业务场景，三种业务场景均有其个性化的QoS需求。目前国内港口的5G网络建设主要对应eMBB场景，要想真正建设5G智慧港口，需要同时保障3种业务场景对于QoS的需求。

2.2 网络切片

5G网络切片技术可同时承载多种逻辑业务，面向不同的需求和服务。网络切片分为软切片方案和硬切片两种，由无线网切片、承载网切片、核心网切片组成[3]（见表1）。

3 组网设计

3.1 方案比选

港口5G组网主要分为基于运营商公网切片方案和5G专网方案两种。

表1 网络切片方案

①公网切片方案完全基于运营商网络资源部署[3]，通过网络切片的方式构建一张虚拟专网。

②5G专网方案由港口独立部署，无线网自行建设或采用硬隔离方式共享运营商设备；承载网采用港区内部自建光缆网，通过GPON或10GPON实现接入；核心网部署在港口数据中心，港口专用。

3.2 组网设计

图1 港口5G网络组网设计

表2 5G陆域基站链路预算

公网切片方案和5G专网方案各有优缺点，实际建设时建议采用融合组网方案。

1）无线网

硬隔离共享运营商无线网设备，采用独立频带资源或空口时频资源，独立的基带板，内部业务走双路径双挂核心网确保安全。

2）承载网

运营商在港区内部光缆网的基础上部署SPN承载网[4]，采用硬切片的方式实现内部业务与公众业务的隔离。

3）核心网

初期完全共享运营商控制面网元，独立部署用户面网元，将UPF下沉至港口数据中心，确保数据在港口内部流动。后期可结合业务需求针对uRLLC业务切片部署相对独立的专用控制面网元。

UPF下沉部署可采用服务器和交换机两种形态。智慧港口业务复杂，需同时满足eMBB、uRLLC、mMTC三种场景，UPF应选择服务器形态以提升部署灵活性，通过双链路接入港区核心交换机（见图 1）。

4 站址规划

5G智慧港口站址规划涵盖陆域站址规划和海域站址规划两部分。5G对于上下行链路平衡更为敏感，上行覆盖对基站部署影响更大。

4.1 陆域基站规划

5G陆域基站建设应以宏微结合方式部署[5]，初期规划仅考虑宏基站建设。陆域基站规划选用Uma传播模型，链路预算如表2所示：

由表2可知，5G陆域基站站间距应在350m～400m，若以4G基站为锚点建设，无法满足5G覆盖的要求。5G设备初期接入成本高，不利于快速应用，可引入Wi-Fi 6技术以异构混合组网的方式实现多业务综合接入。

4.2 海域基站规划

海域覆盖在5G智慧港口建设中至关重要，受限于覆盖能力，目前智慧港口建设还未能真正将5G信号向海域延伸。海运船舶采用高性能船用钢材料建设，海域覆盖电波的穿透损耗要高出陆域覆盖很多。海域基站规划选用自由空间视距传播模型，链路预算如表3所示：

由表3可知，5G海域基站站间距应在2.8 n mile～3.8 n mile。海域基站可利用覆盖区域周边岛屿或自建无人值守船舶进行部署，无人值守船舶通过自稳定系统实现船体平衡，建造成本远低于永久性设施，且具有更高的灵活性，提高基站建设速度。

表3 5G海域基站链路预算

5 结语

随着5G技术的逐步成熟，5G智慧港口必将迎来建设高峰期。5G智慧港口建设不能仅是将5G信号引入港口，而应满足不同场景的业务需求。同时，只有兼顾陆域和海域基站建设，才能最终实现业务的全域无缝衔接。5G技术的不断完善将进一步推动港口进行自动化、智能化升级，真正打造更绿色、更环保、更高效的“智慧港口”。