中国移动4.9 GHz频段在港口场景应用研究

李 岑

中邮建技术有限公司

0 引言

当前，5G网络需要考虑进一步引入中、低频段，只有发挥好高、中、低各频率优势，才能满足未来ToB/ToC各类场景下的新业务需求。随着5G业务迅速发展，以及新应用场景的出现，4.9 GHz频段的技术优势和应用价值将更为凸显。为此，中国移动正在积极推进4.9 GHz频段技术研发和网络试验，促进产业链成熟。4.9 GHz作为5G网络的重要频段，需要加大4.9 GHz应用场景研究。

2019年11月15日，中国移动联合华为、中兴通讯、中国信科、爱立信、诺基亚五家产业合作伙伴，在中国移动全球合作伙伴大会上发布了《4.9 GHz产业与应用白皮书》。白皮书从4.9 GHz所涉及的频率特性、性能指标、应用场景、产业需求等方面出发，阐述了中国移动对于4.9 GHz基本能力的探索以及对应用场景和产业需求的思考，旨在呼吁产业各方共同努力，加快完善4.9 GHz行业应用。产业合作伙伴均表示该白皮书具有很强的战略优势和应用前景，将尽快推动4.9 GHz相关产品的产业成熟，实现4.9 GHz与其他频段的协同创新与发展。

1 智慧港口网络需求分析

港口作为交通运输的枢纽，在促进国际贸易和地区发展中起着重要作用。全球贸易主要由海运业承载，作业效率对于港口至关重要。随着5G商业化的到来，在“工业4.0”与“互联网+”大发展的时代背景下，港口将进一步进行数字化、全自动的转型升级。为适应智慧港口业务需求，在港口场景中，部分典型业务需从网络侧进行能力增强适配。

传统4G网络无法满足港口高度自动化下不同场景的通信需求。如远程控制、视频监控、全场景高清直播、AI识别、无人驾驶、低功耗传感器通信数据采集等，不仅需要更大的上下行带宽，而且对时延提出了更高的要求。

1.1 上行大带宽需求

港口生产中需要用到大量的视频监控，这对于保障港口业务的高效运行、工作人员的人身安全等具有重要意义。以视频摄像头业务为例，视频帧分为I帧与P帧，I帧表示关键帧，是一种自带全部信息的独立帧，P帧为帧间预测编码帧，表示的是这一帧与前一帧的差别，1080P视频监控码率一般为2 Mbps，I帧速率要求11 Mbps。为了能够360°无死角地实现监控，一般一片区域会布置大量摄像头，这就要求网络具有大的上行带宽。一个区域一般有8台无人集卡，每台集卡6路摄像头。每个CPE（Customer Premise Equipment，客户前置设备）上行速率要求4×11+2×2=48Mbps，整个区域上行速率要求48×8=384 Mbps。如此高的上行速率，不仅传统4G网络很难满足条件，目前5G的2.6 GHz网络也无法满足。

1.2 可靠性要求

港口专网业务要求高可靠性，港口企业担心与现网ToC业务互相抢占，影响其可靠性，要求与ToC业务做差异化隔离，实现空口资源预留与优先调度。

1.3 低时延要求

传统龙门吊司机是特殊工种，在30米高的司机室操作，作业条件艰苦，现场操作容易疲劳，有安全隐患。港口为保证24小时作业，每台龙门吊配备三名司机轮换，一个码头通常需要上百名龙门吊司机，对司机人力需求高。远程控制改造后，龙门吊上安装摄像头和PLC，司机在中控室观看多路实时视频进行操作，完成龙门吊所有动作如吊车吊具精准移动、抓举集装箱等。为了保障安全，网络双向时延要求小于18 ms。

2 智慧港口解决方案

2.1 以3：2时隙配比应对上行大带宽需求

5G现网2.6GHz网络因需与TDD LTE频段帧结构对齐，只能使用8：2配比。此配比下行速率良好，但上行速率不足，SA组网下理论峰值速率仅为220Mbps左右，无法满足港口多轮高清视频监控的大上传要求。鉴于以上需求，本方案创造性地使用5G独享4.9GHz频段，采用上下行时隙3：2配比等上行大带宽帧结构配比，不需与其他2/3/4G系统时间对齐。

网络基础环境搭建如下：基站AAU采用64T64R，系统带宽配置为100MHz，全部室外接入采用高配置CPE（天线配置为2T4R，即2发4收），配置为全缓冲业务（提高吞吐率）。

3：2的上下行时隙配比既可以满足下行大带宽的需求，又可以极大地提高上行带宽。对于既需要大的上/下行带宽，又需要低时延的港口场景而言，3：2的上下行时隙配比能够很好地满足网络需求，其双向时延也是最低的。

2.2 以网络切片实现对ToB专网业务差异化调度

网络切片本质上是将运营商的物理网络划分为多个虚拟网络，每个虚拟网络根据不同的服务需求（如时延、带宽、安全性和可靠性等）划分，以灵活应对不同的网络应用场景。

针对港口专网业务高可靠性要求，通过对专网业务配置高优先级调度的独立5QI，预留相应空口资源，实现专网业务与普通ToC业务隔离，保证专网业务的可靠性，如图1所示。

图1 网络拓扑结构图

2.3 以MEC网络支撑港口工业控制低时延要求

网络时延主要取决于数据传输路径，路径越长，时延越大，路径越短，时延越小。MEC通过将对应的网络功能部署在靠近用户的边缘位置，缩短了传输路径，降低了时延，提升了体验。传统网络架构的业务流需要经过无线空口-＞基站-＞传输网-＞核心网-＞骨干网-＞CDN网络，进行业务处理，路径长，时延大。而通过MEC下沉到无线侧，业务流只需要经过无线网在MEC上就可以直接处理，如图2所示。通过实际测试，时延从36ms下降到12ms，降低300%。

图2 MEC组网结构图

2.4 发布面向港口场景的ToB业务感知基线

针对港口不同业务需求，如龙门吊远程视频监控、视频远程操作，吊桥视频监控、视频远程控制等，通过对业务建模分析，评估业务保障SLA，通过精细测试分析，制定各类业务的网络时延、带宽、可靠性要求，如表1所示。

表1 不同场景网络性能需求

3 智慧港口方案实施成效

3.1 上行高速率保障

港口高清视频监控对上行带宽要求比较高，上行视频回传要达到385 Mbps才能安全作业。在实际测试中，4.9 GHz组网，上下行时隙配比3：2，上行峰值速率可达650 Mbps，远远高于港口视频回传385 Mbps速率要求。

3.2 切片换可靠性保障

通过对港口专网用户配置不同5QI，优先保证专网用户感知，现网验证2个普通ToC用户先接入满调度测试，共享全部空口资源，专网用户后接入，接入后优先分配资源，专网用户速率远高于普通用户。

3.3 MEC低时延优化

通过部署MEC网络，测试时延从36ms下降到12ms，时延降低300%。

智慧港口园区的4.9 GHz增强组网方案有两方面增益：（1）对于港口专网，港口方原需自建WIFI、有线网络等，现通过5G网络可轻松实现，不需再部署专网，仅WIFI和光纤的改造费用即可节约2420万元，如表2所示；（2）通过5G网络实现港口各项业务自动化，预计每年可节约人力成本4464万元。

表2 节省费用预估

质量管控平台有适用场景多、平台架构通用、底层数据通用等多个优点，可在系统内其他单位快速移植推广，具有较大的推广价值。

（1）适用场景多：港口业务包含的视频回传、专网业务、工业控制均为典型的ToB园区业务场景，针对这些业务的网络保障是后续开展ToB业务支撑的重点，具有普适性的推广价值。

（2）网络方案通用：4.9G是工信部分配给中国移动的5G专用频谱，未来将作为重点区域容量的主要频段，本方案需要的4.9G设备为通用设备，对应使用的3：2时隙配比、切换QOS保障、MEC等也均为5G通用解决方案，使方案具备通用移植性。

（3）市场价值大：5G使能万物互联，ToB业务拓展是发展重点方向，市场前景广阔。

4 结束语

本文研究4.9GHz频段在智慧港口场景下的应用，探索港口高清视频监控对上行大带宽、低时延与高可靠需求的解决方案。引入网络切片、MEC、4.9GHz上行大带宽与专业QoS保障技术，解决智慧港口网络难点。

通过测试验证，该解决方案可增加港口集装箱吞吐率、降低人力、降低货物损失率和降低维护开销等，可以带来明显的经济效益。该方案是5G通用解决方案，方案移植性强，可大范围推广使用，为实现智慧港口探索经验。5G网络只有发挥好高、中、低各频率的优势，才能满足未来ToB/ToC各类场景下的新业务需求。