基于5G SA网络的智慧港口网络部署方案研究

微信扫码，打开到小程序

邮电设计技术/2023/09 —————————— 收稿日期：2023-07-17 1 概述 随着工业发展演进到工业 4.0（智能化时代），港口 作为经济发展的重要支撑，也在不断地演进。传统港 口以传统的货物装卸、堆存为主，主要发挥货物集散 转运作用，相关增值服务很少，功能定位为货物集散 中心；现代港口具备使货物增值的临港物流、多式联 运、产业互动、特色口岸等服务功能以及全球资源配 置枢纽，功能定位为物流服务中心和进出口中心；智 慧港口则应用新一代数字通信技术为客户提供高附 加值、高敏捷性的综合供应链服务，具有高度的智慧 化、数字化发展水平，是港口发展的高级阶段，是具有 生产智能、管理智慧、服务柔性、保障有力等特征的智 能化港口。 随着“一带一路”倡议的实施，中国已经成为第一 贸易大国。截至 2021年底，全球港口货物吞吐量和集 装箱吞吐量前 10 名的港口中，中国港口分别占 8 席和 7 席。但中国乃至全球港口智能化建设还处于初期阶 段，中国目前已建成 10 座自动化集装箱码头，有 7 座 自动化集装箱码头在建。 在全球港口面临劳动力成本攀升、劳动力短缺难 题的时候，通过自动化改造进行降本增效成为全球港 基于5G SA网络的智慧港口 网络部署方案研究 Research on Smart Port Network Deployment Scheme Based on 5G SA Network 关键词： 智慧港口；5G；远程控制 doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.09.001 文章编号：1007-3043（2023）09-0001-05 中图分类号：TN915 文献标识码：A 开放科学（资源服务）标识码（OSID）： 摘 要： 5G+智慧港口将使港口具有高度的智慧化、数字化发展水平，从而更能适应现 代港口的发展需要，满足当前港口面临的降本增效诉求。结合某港口的实际情 况和需求，进行了有针对性的 5G SA 网络方案研究及现网实际部署，并在网络 部署后对业务质量进行测试验证，证明 5G网络能满足港口高可靠、低时延的业 务需求。 Abstract： The 5G+smart port enables the port to have a high level of intelligent and digital development，so as to better adapt to the de- velopment needs of modern ports and solve the current demand for cost reduction and efficiency increase faced by the port. In combination with the actual situation and needs of a port，it carries out targeted 5G SA network scheme research and actual deployment of the existing network，and tests the service quality after the network deployment，which proves that the 5G net- work can meet the port's high reliability and low latency business needs. Keywords： Smart port；5G；Remote control 陈 云，刘之光，陶伟宜（华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310052） Chen Yun，Liu Zhiguang，Tao Weiyi（Huaxin Consulting and Designing Institute Co.，Ltd.，Hangzhou 310052，China） 陈 云，刘之光，陶伟宜 基于5G SA网络的智慧港口网络部署方案研究 本期专题 Monthly Topic 引用格式：陈云，刘之光，陶伟宜. 基于5G SA网络的智慧港口网络部署方案研究［J］. 邮电设计技术，2023（9）：1-5. 01 2023/09/DTPT 口共同的诉求。5G 技术具有“低时延控制、大带宽监 控、高可靠连接”优势，5G SA 网络在港口的部署可以 助力港口操作智能化和企业管理平台化，提升港口运 营效率，为港口自动化提供新的动力。 2 业务场景 2.1 场景概述 港口集装箱码头作业区域分为装卸作业、堆场作 业和闸口作业三大区域。集装箱在港口的流转采用 闸口—场桥—集卡—岸桥的工艺系统，涉及水平运输 和垂直运输两大类运输系统（见图1）。 港口作业的主要流程如下（见图2）。 a）货船到岸，通过岸桥装卸（垂直运输）。 b）集卡/AGV/跨运车将货物运到堆场（水平运 输）。 c）场桥（轨道吊/轮胎吊）卸货/装货到集卡（垂直 运输）。 d）进/出海关闸口（外集卡，水平运输）。 传统/现代港口作业方式主要存在如下问题。 a）运营效率问题。港口的重要基础设备包括码 头泊位、作业机械、堆场、仓库、航道和锚地等，设施的 利用程度直接影响港口的整体运营效率，港口基础设 施利用越充分，港口效率就越高，这带来了 365×24 h 不间断作业的要求。 b）人工成本问题。岸桥吊/龙门吊/集卡等设备， 24 h 作业要求有 3 名作业人员轮换，对作业人员数量 需求大；龙门吊司机技能要求高，培训时间长，是特殊 工种，作业人员招工难度高。近年来一些港口企业的 平均年人工成本的增长幅度超过 10%，占总成本的比 例达到了1/3。 c）安全问题。港口为临海环境，气候条件较恶 劣；作业人员需在 30 m 高的龙门吊操控室连续作业； 作业人员需长期低头作业，极易疲劳。以上各种风险 因素容易造成安全问题，从而影响港口运营。 2.2 主要场景 基于以上分析，智慧港口现阶段最主要的诉求 为：降低劳动强度，降低人工成本；提高生产安全，改 善工作环境；减少天气因素影响，全天候 24 h 作业。 结合港口的作业流程，将 5G 引入智慧港口的建设中， 主要应用场景如下。 a）垂直运输系统远程控制：岸桥远控，场桥远控 （龙门吊）。 b）水平运输系统自动驾驶：AGV，无人驾驶内集 卡。 本文主要研究 5G 引入垂直运输系统远程控制的 解决方案。 2.3 业务需求 2.3.1 作业流程 港口龙门吊远程控制业务的典型示意如图 3 所 示。 位于港口中控室（远程控制中心）的操作人员获 取码头运营系统下发的调度任务后，根据堆场现场龙 门吊实时回传的高清视频了解周边状况，通过操纵杆 的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller， PLC）来远程实时控制龙门吊及其抓手的移动操作、抓 手抓取/放开等操作，实现集装箱的堆放与转运。 2.3.2 网络需求 龙门吊远控对 5G 专网的网络需求主要是控制命 令的下发及 10~12 路摄像头视频回传，具体指标要求 如下。 a）PLC：下行速率为 100 kbit/s；时延及可靠性为 图1 港口作业区域分布 图2 港口作业流程 货主 集装箱 外集卡 内集卡/跨运车/AGV 道闸 外集卡 场桥/堆场 岸桥 船公司 轮胎吊/轨道吊 泊位 堆场 集卡 岸桥吊 轮胎吊&轨道吊 2 1 3 陈 云，刘之光，陶伟宜 基于5G SA网络的智慧港口网络部署方案研究 本期专题 Monthly Topic 02 邮电设计技术/2023/09 30 ms@99.99%。 b）2K 摄像头：上行速率为 60 Mbit/s；时延及可靠 性为50 ms@99.9%。 c）普通摄像头：上行速率为 40 Mbit/s；时延及可 靠性为50 ms@99.9%。 2.3.3 组网方案 目前港口场桥等港机设备采用 L2/L3 协议混传 （控制信号采用 Profinet/S7等协议，视频信号采用 TCP/ UDP/IP 协议），采用 5G 专网来承载远控信号时，需要 在 5G 接入的 CPE 前端新增 AR 路由器建立层二或层 三隧道。同时还需从信号传输、时延以及可靠性等维 度来考虑组网方案。 a）信号传输考虑：为降低控制信号时延，避免影 响港机远控效果，组网方案中监控视频和控制信号通 过不同的隧道进行分离传输。 b）时延考虑：5G 场吊远控方案通过 UPF 下沉到 港区进行部署，降低 PLC 控制信号端到端时延。同 时 ，无 线 空 口 采 用 RB（Resource Block）预 留 及 低 IBLER（Initial Block Error Rate）方案，以优化时延及提 升低时延稳定性。 c）可靠性考虑：龙门吊业务为港口核心作业流程 之一，对 5G 网络可靠性要求很高，可部署终端双发选 收方案来保证5G链路传输可靠性及低时延稳定性。 5G龙门吊远控组网方案如图4所示。 3 网络解决方案 3.1 总体组网方案 基于运营商省级集中部署的 5GC 进行 5G 核心网 信令承载，港区内远控数据通过 CPE 上联到 5G 基站， 港区下沉UPF进行港区数据就近分流卸载，通过N6接 口访问港口远程控制系统。基于容量和覆盖要求进 行无线网络设计，通过空口时延优化、UPF下沉实现超 低时延（见图5）。 3.2 网络解决方案 3.2.1 无线解决方案 a）采用 SA 专网方式进行组网，根据港口容量需 求，建设若干个站点和小区；AAU 均部署在码头内的 灯杆上，BBU部署在码头内机房。 图3 港口龙门吊远程控制业务示意 图4 场吊远控组网方案 摄像机 吊具视角：2~4个 小车视角：2~4个 车道视角：2~3个 GNSS 定位终端 摄像机 大车视角：4个 高清 摄像头 交换机 机载控制单元 5G终端/CPE 5G基站 5G终端 /CPE UPF/MEC 中控室 龙门吊 电气房 交换机 摄像头 5G基站 核心网 MEC 工业 网关 控制室 交换机 PLC 场吊（轨道吊/ 轮胎吊） CPE1 CPE2 VLAN-RTG-video VLAN-RTG-control VLAN-Server-video VLAN-Server-video VLAN-Server-control VLAN-Server-control 工业 网关 控制业务 PC 控制室 视频业务 PLC 陈 云，刘之光，陶伟宜 基于5G SA网络的智慧港口网络部署方案研究 本期专题 Monthly Topic 03 2023/09/DTPT b）无线频段采用 3.5 GHz + 3.6 GHz 双频组网， 3.5 GHz（7D3U）小区单用户上行双流理论峰值约为 378 Mbit/s；考虑多用户接入和码头业务场景，单小区 上行容量按 240 Mbit/s 规划，双载波组网上行容量可 超过400 Mbit/s，能够满足客户业务需求。 c）专网基站采用 CRAN 方式组网，前传网采用双 eCPRI口连接，满足容量和备份需求。 d）为了实现高可靠、低时延，开启上行预调度，调 整预调度时长和资源大小，以保证端到端时延控制在 30 ms以内。 3.2.2 核心网解决方案 部署方案：UPF 下沉至港区机房，数据不出港区， 满足低时延业务需求；同时也减少了港区摄像头视频 流量对骨干承载网资源的占用。 分流方案：针对港区内专网业务，规划 1个专用切 片进行港区专网业务和公众公网业务数据的隔离。 不同类型 5G 终端接入 5G 基站后，将公网业务和专网 业务映射到不同切片。港区内用户终端附着激活后 由省中心 SMF 根据“S-NSSAI+园区 DNN”选择下沉至 港区 UPF 作为主锚点，对港区业务进行本地流量卸 载，保证港区用户业务真正不出园区。 业务实现方式：静态 IP 地址+QoS。采用静态 IPv4 设计，在开卡时绑定特定 IPv4 地址，终端每次激活会 话后 IP 地址固定不变，方便港区内远程控制服务器根 据IP地址与终端进行业务交互。 通过港区远控业务需求分析，在港区的这个专用 切片内，监控摄像头业务签约默认 5QI=9，PLC 远程控 制对交互实时性要求高，优先级相对高，签约5QI=6。 3.2.3 承载网解决方案 港区内设置 1 对入驻 A 设备，与上联 STN-B 按规 范组接入环，与DCGW通过trunk口对接。 入驻 A 与 STN-B 之间配置主备 L2 PW 隧道，在 STN-B上做L2+L3终结。 DCGW 与港区远程控制系统网络通过 10GE 光纤 拉通，实现N6流量不出港区（见图6）。 3.2.4 终端（CPE）解决方案 如图 7 所示，对龙门吊 PLC 远控数据采取空口链 路级保护技术——双发选收，支持双发选收的终端 （CPE）将 PLC 流数据包复制之后，把原始包和复制包 通过 2 条无线空口链路同时上传，所有的数据包送到 UPF，由 UPF处部署的网关功能对数据包进行缓存、排 序、去重复操作，恢复原始的数据流。以实现先到的 数据包先处理，后到的数据包则丢弃，从而解决丢包 图5 总体组网架构 图6 承载组网架构 CPE CPE 汇聚 AR PLC Camera 其他机械 集群通信移动终端 CPE CPE 汇聚 AR PLC Camera CPE CPE 汇聚 AR PLC Camera 汇聚 汇聚 汇聚 其他机械远控台 桥吊远控台 龙门吊远控台 龙门吊 桥吊 gNB STN 5GC Core Switch UPF AR 终端 基站1 基站2 2×10GE DCGW1 UEG1 UEG2 UPF STN承载网 PW1主+静态路由 PW2主+静态路由 B2 B1 无线 网管 5GC 承载 5GC MAE网管 省中心 UPF PW2备+静态路由 RT RT 远程控制 系统 PW1备+静态路由 L3VPN 港区 2×10GE 2×10GE 2×10GE 入驻A1 入驻A2 DCGW2 陈 云，刘之光，陶伟宜 基于5G SA网络的智慧港口网络部署方案研究 本期专题 Monthly Topic 04 邮电设计技术/2023/09 作者简介： 陈云，高级工程师，主要从事移动网网络规划设计及软课题研究工作；刘之光，高级工程 师，主要从事无线网络研究工作；陶伟宜，正高级工程师，主要从事核心网网络规划设计 及软课题研究工作。 图7 终端双发选收解决方案 跳控问题，在保障业务高可靠运行的同时保障业务低 时延。 由于龙门吊 PLC 远控数据流量较小，虽然占用了 2 条空口链路进行数据包传输，但对基站整体带宽的 占用影响不大，且在现场采用双发选收方式后进行测 试，全程无丢包现象及跳控现象，能满足 PLC 远程控 制的需求。 3.3 业务测试情况 5G+智慧港口场景除了关注覆盖等性能指标外， 更加聚焦业务的可用性，包括容量和业务质量等。 3.3.1 覆盖测试 测试结果显示，整个港口区域无线覆盖率达到 99.97%，平 均 SINR 为 14.5 dB，其 中 RSRP 大 于 -85 dBm 以上的比例达到 99.48%，SINR 大于 5 dB 以上的 比例达到92.8%，整个港区达到优质覆盖。 3.3.2 容量测试 在港口各区域内选择多个点位进行测试，4 台终 端同时做 FTP 上行业务，保持 1 min 以上，取 4 台终端 的平均速率为该点位速率。经测试，各区域单用户带 宽和总带宽需求都满足港口各业务上行容量需求。 3.3.3 时延测试 在港区各区域测试的平均时延为 26 ms，满足港 区远程控制小于30 ms的时延要求。 4 结束语 本文研究的某码头智慧港口 5G SA 网络部署方 案，基于 5G+智慧港口行业应用场景，构建 5G+网络切 片专网，融合 5G 龙门吊远控、5G 智能集卡等典型应 用，形成满足智慧港口应用需求的 5G SA网络方案，树 立了 5G 智慧港口行业应用示范标杆。在现阶段智慧 港口融合应用平台成熟运营的基础上，未来还可以融 合智能理货、360°作业综合调度等典型应用。 参考文献： ［1］ 纪蓉 . 新基建助力智慧港口高质量发展的思路和方案［J］. 通信世 界，2022（8）：44-45. ［2］ 杜晓明，叶美灵 . 5G 等信息化技术助力打造智慧港口［J］. 数字通 信世界，2022（1）：4-6. ［3］ 袁玉祥，随振营 . 新兴技术在智慧港口的应用现状及发展趋势 ［J］. 中国水运，2022（3）：60-62. ［4］ 董月滋，毛斌宏 . 5G 网络切片在智慧港口的应用研究［J］. 广东通 信技术，2022（3）：56-59. ［5］ 陈大明，但德东 . 基于 5G切片技术的智慧港口物联技术探索与应 用［J］. 数字通信世界，2022（1）：120-122. ［6］ 王东，张龙，程锦霞，等 . 5G网络助力下的中国智慧港口发展探析 ［J］. 水道港口，2021（5）：695-700. ［7］ 薄明霞，白冰 . 5G 智慧港口行业应用安全解决方案［J］. 信息安全 研究，2021（5）：428-435. ［8］ 朱峥，苏玮 . 5G 智慧港口的设计与实现［J］. 智能建筑与智慧城 市，2021（4）：81-82，86. ［9］ 苏超 . 基于物联网的智慧港口建设方案［J］. 数字通信世界，2021 （3）：188-189. ［10］ 施展，张炜，赵建 . 智慧港口物联网建设技术研究［J］. 中国高新科 技，2021（23）：49-50. ［11］ 王信龙，王子萌 . 基于 5G 的智慧港口应用研究［J］. 数据通信， 2021（5）：4-6. ［12］ 陈浩 . 5G 智慧港口行业应用解决方案［J］. 通讯世界，2021（11）： 182-184. ［13］ 罗新军，许步扬 . 面向智慧港口的广电 5G专网解决方案［J］. 通信 电源技术，2021（11）：112-114. ［14］ 吴建雄 . 5G 定制网在智慧港口领域的应用研究［J］. 通讯世界， 2021（7）：141-142. ［15］ 王东，张龙，程锦霞，等 . 基于运营商专网的 5G 智慧港口解决方 案［J］. 移动通信，2019（9）：53-61. 5 4 3 2 1 PLC流 包复制 链路2 链路1 5 4 3 2 1 5 4 2 1 包重组 5 3 2 1 5 4 1 loss loss 陈 云，刘之光，陶伟宜 基于5G SA网络的智慧港口网络部署方案研究 本期专题 Monthly Topic 05