基于5G切片技术的智慧港口物联技术探索与应用

陈大明，但德东

（中国电信股份有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

当前全球港口面临劳动力成本攀升、劳动强度大、工作环境恶劣、人力短缺的难题。智慧港口对通信连接有低时延、大带宽、高可靠性的严格要求，传统的光纤+Wi-Fi方案普遍抗雷击能力不足，故障率高，集装箱内的Wi-Fi信号易被遮挡，形成覆盖盲区，运营后新增作业区域Wi-Fi补漏工程实施成本高，要实现港口重型作业设备的自动化，就需要做到感知信息和控制信息的可靠传输。本文利用5G的低时延、高带宽、大容量、高可靠性实现可靠通信，智慧港口5G物联技术应用能够大幅提升作业效率，减少人工成本并且减少差错。

1 智慧港口主要应用分析

结合智慧港口现状，利用5G切片专线主要解决以下需求。

（1）塔吊、龙门吊远程操控需求：塔吊、龙门吊的驾驶室环境恶劣，进出上下不易，难以招工，实现远程操控可解决这一问题。针对此类业务需要提供高可靠性，超低时延的网络保障。

（2）智能无人集装卡车无人驾驶需求：24小时不停作业，此类业务涉及直播显示驾舱环境和车头画面，需要提供超低时延带宽保障。

（3）安全巡逻需求：港口园区内需要AGV小车进行巡逻，确保园区的安全。此类业务涉及高清视频实时回传，需要提供低时延，大带宽的网络保障。

（4）5G岸桥视频监控：园区范围较广，关键位置需要进行监控。此类视频监控类业务涉及4K高清视频回传，需要提供大带宽及一定实时性的网络保障[1]。

2 解决方案

2.1 总体网络架构

港口诸多业务类型中，涉及时延敏感的业务较多，因此选择下沉UPF，在港口机房搭建一套MEC，通过用户面下沉实现港口时延敏感类业务的时延保障，同时港口内的数据传输只经过本地UPF到内网，数据安全得到保障。使用5GC商用核心网，控制面在核心网侧，终端接入后，核心网侧根据接入点DNN和无线基站归属TAC，选择到下沉的UPF，用户面数据即从基站到STNB设备，走到下沉UPF，通往港区机房的防火墙，接入内网。

图1 港口整体网络结构图

远程操控的方案能够实现异地远程操控桥吊/龙门吊，依托5G大带宽、低时延、高可靠网络特性，驾驶员通过5G实现通过远程智能操控平台对远端岸桥的全向监控和人工/智能远程控制，其系统包括数据交互与控制、网络传输以及控制和平台三部分[2]。

2.2 5G切片及QoS设计

根据港口业务需求分析，对港口业务规划三种5G切片，远程遥控类切片对应岸桥远控和无人集装卡车，视频直播类切片对应AGV无人巡检小车，通用带宽保障类切片对应5G 4K视频监控、移动视频监控等业务。同时为了充分保障超低时延，远程遥控类切片和视频直播类切片的流量都要经过下沉UPF，而通用带宽保障类切片可以选择大网UPF，亦可选择下沉，但为了保证数据安全不出园区，切片数据都可经过下沉UPF直接到港区机房内网。

图2 智慧港口5G切片设计图

远程遥控类切片主要承载岸桥远控、无人集装卡车自动驾驶两类业务，使用5QI 83, Delay Critial GBR业务类型，在无线基站侧提供RB资源预留，业务通过5QI和大网业务区分出高优先级。在承载侧设置1个2B RAN VPN软切片，PQ调度队列。视频直播类业务使用5QI71，GBR业务类型。通用带宽保障类业务使用5QI4，GBR业务类型，无线基站侧RB资源共享[3]。2B切片使用不同于2C的VLAN，VLAN内通过5QI到DSCP映射，来保证各业务的优先级和QoS。

2.3 5G空口无线增强技术方案

2.3.1 时频双聚合技术提升5G上行覆盖

在港区集装箱堆积的复杂环境中，相比5G网络主流3.5 GHz TDD频段，2.1 GHz FDD频段的路损和穿透损耗相对较低，覆盖具备一定优势。基于TDD+FDD高低频互补，在港口3.5 GHz上行弱覆盖区域，终端可以依托2.1 GHz频段进行高速数据发送，同时在下行方向可继续利用3.5 GHz在带宽、大规模阵列天线等方面的优势，继续享受下行超高速率；在其他3.5 GHz覆盖较好的区域，可充分发挥2.1 GHz和3.5 GHz频段的潜力，使得终端可同时在2个频段上进行上行数据发送，时域充分使用FDD的全部上行频段。基于港口的视频监控大数据业务，采用时频双聚合技术能够提升用户的业务体验，实测远点用户上行速率相比3.5G单载波提升2倍以上，上行时延降低20%左右，边缘覆盖距离提升25%，能够较好满足视频监控大数据业务的高上行速率、低时延需求[4]。

2.3.2 PRB预留差异化保障用户独享无线空口资源

基于无线PRB资源预留的切片可以提供类似于专用无线频谱资源的硬隔离，并且支持灵活的PRB资源独享和共享策略。针对港口远程遥控类5QI 83切片，预留独享30%的空口资源，实现岸桥远控和无人集卡的无线侧资源的绝对保障。通过实验3个用户（1个切片+2个普通）同时在线，切片用户独占30%，传输稳定，而普通用户资源互抢，传输不稳定。

表1 智慧港口需求与5G切片对应表

图3 智慧港口远程遥控类5G无线空口资源预留实验

3 智慧港口网络效果验证

为实现不同业务类型的保障能力，终端接入进行5G切片效果验证。

3.1 切片功能性验证

5G切片端到端的拉通需要终端、基站和核心网配置对应的切片信息。港区远程遥控类终端（岸桥远控驾驶室、无人集装卡车）、AGV无人巡检小车、港区监控摄像头配置专属DNN接入，从无线基站和核心网分别抓信令，在5G切片上，有对应的5QI83、71、4的保障信息。

图4 5G切片远程遥控类5QI83保障

3.2 远程遥控类切片效果验证

本文通过制定测试方案，验证使用5G专线切片场景下，远程遥控类业务的效果。

图5 远程遥控类切片用户和普通用户业务时延对比

通过测试在业务繁忙时，大量用户接入并同时发起2C和2B业务，普通用户此时访问内网，时延略大，存在波动，而切片用户时延几乎没有变化，基本稳定在15 ms以内，满足远程遥控小于20 ms的超低时延需求，并能稳定保持，能够保障此类业务[5]。

3.3 视频直播类切片效果验证

图6 视频直播类切片用户和普通用户业务上行速率对比

现场两台AGV巡检小车，一台使用5QI71的切片接入，另外一个作为普通用户同时接入做对比。在基站业务繁忙时观察，切片小车的上行流量稳定保持在签约的20 Mb/s，现场监控室观察画面流畅清晰，无任何卡顿现象；而作为普通用户的小车回传的视频，视频稳定性不如切片用户，偶有跳帧。从实际效果看，20 Mb/s满足巡检小车回传视频的带宽要求，而且视频直播类的5QI71保障，能够保证现场AGV巡检小车的网络能力要求。

3.4 通用带宽保障类切片效果验证

测试使用了港区的监控摄像头，使用5QI4的切片接入，通过在监控中心的大屏观察发现，监控画面实时性高，画面流畅，调整视频为1080P和4K，均无任何卡顿。

4 结束语

本文通过对5G专网组网方式和切片的性能研究，并结合运输类港口行业中的网络需求，对症下药探索了港口5G网络的实现方案。基于5G切片的智慧港口物联技术探索、应用，为智慧港口提供了一张灵活调度、差异化、安全隔离的专用网络，实现了智慧港口网络切片服务能力，提升了港口通信业务的可管可控能力，大大加快和推进智慧港口数字化转型进度。■