5G技術在長江航運智能化中的應用

王鵬 覃琴 余波 蔣雯

摘 要：當前航運智能化發(fā)展面臨無線帶寬通信能力對現(xiàn)代化航運協(xié)同管理難、遠程控制實時性差、融合大數(shù)據(jù)智能決策效率低等問題難以支撐，面向垂直行業(yè)智能化應用的5G技術為上述問題的解決提供了契機。本文研究了航運智能化應用在信息定位、船岸通信、船舶監(jiān)控等方面的業(yè)務需求，分析了應用級切片自適應選擇、江面?zhèn)鞑ツＰ托Ｕ?、天線下傾角自適應尋優(yōu)、空口帶寬自適應尋優(yōu)4個長江航運5G專網(wǎng)關鍵技術解決方案，提出了基于5G、大數(shù)據(jù)、云計算、邊緣計算和虛擬現(xiàn)實等技術的船舶高精度定位導航、智能分組高清集群通信、船舶動態(tài)全景監(jiān)控及可視化協(xié)同等應用場景。

關鍵詞：航運智能化;5G 技術;網(wǎng)絡切片;傳播模型校正;高精度定位;高清集群通信;動態(tài)監(jiān)控

中圖分類號：U69? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）12-0048-04

長江作為世界運量最大的通航河流，以其優(yōu)越的地理位置和水運資源被譽為“黃金水道”，年貨運量連續(xù)多年位居世界內(nèi)河第一。2020年，長江航運實現(xiàn)貨物年通過量30.6億噸，同比增幅超過4.4%，再創(chuàng)歷史新高。

為了推動長江經(jīng)濟帶高質(zhì)量發(fā)展，交通運輸部提出“一條主線四個長江”的發(fā)展戰(zhàn)略，圍繞“建設長江黃金水道，發(fā)展現(xiàn)代長江航運”這條主線，打造“數(shù)字長江”、“平安長江”、“陽光長江”及“和諧長江”。其中，“數(shù)字長江”是長江航運現(xiàn)代化的重要引擎和關鍵因素，旨在通過智能化應用系統(tǒng)實現(xiàn)各類航運業(yè)務的流程優(yōu)化、協(xié)同配合和輔助決策，最大限度地優(yōu)化航運管理、提供公共服務，提升航行安全，提高運輸效率。

1 長江航運智能化發(fā)展的主要障礙及業(yè)務需求

現(xiàn)有長江航運主流無線通信手段為VHF窄帶通信，不具備寬帶數(shù)據(jù)傳輸能力;衛(wèi)星通信主要在應急通信中使用，帶寬小、資費高;4G公網(wǎng)覆蓋盲點多，網(wǎng)絡安全得不到保障;江面落差和波動等因素對無線寬帶通信覆蓋影響大，難以支撐航運智能化的數(shù)據(jù)傳輸與處理需求，制約了長江航運智能服務水平。

5G技術三大典型應用場景中，eMBB場景，能夠有效適應船舶動態(tài)監(jiān)控、高清CCTV、應急視頻通信等大帶寬的業(yè)務需求;urLLC場景，能夠有效滿足無人機、無人船、船舶定位與導航等智能設備間高可靠通信需求;mMTC場景，能夠更好地支持智能航道、船舶數(shù)據(jù)動態(tài)感知、船舶航行安全監(jiān)管等海量傳感數(shù)據(jù)采集需求。

智慧航運系統(tǒng)寬帶傳輸需求如表1所示。5G 網(wǎng)絡的時延（典型）約為10ms，上行穩(wěn)定帶寬約為150Mbps，連接數(shù)為106 /km2，網(wǎng)絡服務質(zhì)量最高可達 99. 9999%。特別是5G網(wǎng)絡切片技術、移動邊緣計算等能夠在滿足長江航運對可靠性、連接密度、定位等方面高性能要求的同時，突破長江航運智能化瓶頸，提供一種公網(wǎng)、專網(wǎng)共建共享，充分利用頻譜資源和滿足投資需求的核心技術支撐新思路。

2 長江航運5G專網(wǎng)關鍵技術解決方案

長江航道全流域的4G網(wǎng)絡覆蓋基本都是公網(wǎng)投資和建設，對于航道連續(xù)覆蓋、水位落差影響、水面干擾調(diào)效等許多長江航運網(wǎng)絡覆蓋的行業(yè)特殊問題沒有進行深入的研究和探索。要實現(xiàn)5G在長江航運智能化中的應用，必須滿足長江航運的需要，重點解決應用級切片自適應選擇、江面?zhèn)鞑ツＰ托Ｕ?、天線下傾角自適應尋優(yōu)、空口帶寬自適應尋優(yōu)4個關鍵問題。

2.1應用級切片自適應選擇

為實現(xiàn)公專結(jié)合、共建共享，網(wǎng)絡切片為基于公網(wǎng)的長江5G專網(wǎng)服務提供了可能，能夠為不同垂直行業(yè)提供差異化、相互隔離、功能和容量可定制的網(wǎng)絡服務，其功能場景和設計方案可獨立裁剪[1]。同時，網(wǎng)絡切片能夠保證業(yè)務的端到端服務等級協(xié)議（SLA），性能具備保障性。

FlexE 技術基于物理層的轉(zhuǎn)發(fā)，并提供嚴格的管道隔離，帶寬分配靈活[2]。FlxE基于Client/Group架構(gòu)，可支持任意多個不同子接口速率在任意一組PHY上映射和傳輸。

UE路由選擇策略（URSP），在網(wǎng)絡側(cè)控制不同業(yè)務流激活到不同的網(wǎng)絡切片，最終實現(xiàn)業(yè)務分流。通過梳理不同航運應用場景的個性化需求，根據(jù)需求對網(wǎng)絡資源進行邏輯分割，實現(xiàn)應用級自適應切片選擇，空口切片精準識別，2C2B訪問及APP級精細化業(yè)務，保障公專網(wǎng)切換。如圖1所示。

2.2江面?zhèn)鞑ツＰ托Ｕ?/p>

傳統(tǒng)無線傳播模型Okumura-Hata和COST231-Hata模型主要應用在2 GHz以下低頻段，而5G通信系統(tǒng)主要采用6 GHz以下中低頻段和24 GHz以上高頻段組網(wǎng)[3]，其部署方式也有別于傳統(tǒng)室外宏站和室內(nèi)分布系統(tǒng)方式，主要使用室外宏微站以及室內(nèi)微微站相結(jié)合的方式[4]。因此傳統(tǒng)無線傳播模型，從頻率選擇和部署方式上都難以適用于5G通信系統(tǒng)基站的覆蓋預測。

3GPP TR 38.901基于多個場景定義了適用于5G NR 0.5～100 GHz的傳播模型，包含Uma、UMi、RMa和InH等四類場景 [5]。Uma模型適用于建筑物分布比較密集的區(qū)域。該類場景基站天線掛高高于周圍建筑物樓頂高度（如25～30 m），用戶在地平面高度（約1.5 m），站間距不超過500 m。

考慮到江面通常開闊無遮擋，天氣變化大，穿透損耗小，反射系數(shù)高，干擾嚴重，且江面霧日較多，影響信號傳播，因此需要基于長江航道場景進行傳播模型校正，使用2.6GHz頻段及修正系數(shù)的Uma傳播模型來準確仿真水域覆蓋。如圖2所示。

2.3天線下傾角自適應尋優(yōu)

大規(guī)模天線陣列將數(shù)十上百個天線和芯片集成到一塊“平板”上，5G 的高頻信號可以穩(wěn)定、安全地發(fā)送到用戶終端，帶來更高的天線陣列增益，大幅提升系統(tǒng)容量;能夠?qū)⒉ㄊ刂圃诤苷姆秶鷥?nèi)，帶來高波速增益，有效補償高頻段傳輸?shù)拇舐窊p。M-MIMO 解決方案采用64TRxAAU保障航道場景廣覆蓋/大容量，5G BBU能滿足未來擴容演進需求，最大支持UL + DL = 50Gbps 回傳帶寬。

圖3顯示蕪湖、漢口、三峽三地洪水與枯水期水位高度及江面寬度變化。為滿足長江水位漲落的特點，根據(jù)江水高度和江寬差的高低，M-MIMO可從垂直維度和水平維度對天線下傾角自適應尋優(yōu)。

2.4空口帶寬自適應尋優(yōu)

5G Sub-6G新空口設計能有效滿足廣覆蓋、局部熱點、大連接及高速等場景下體驗速率、時延、連接數(shù)以及能效等指標要求。實現(xiàn)按需自適應統(tǒng)一、靈活、可配置，滿足5G 典型場景差異化的性能需求。當長江航道出現(xiàn)險情或特殊保障時段，為滿足特殊時段峰值業(yè)務量的通信需求，5G空口帶寬，可基于業(yè)務/帶寬需求不斷進行迭代，并自適應尋優(yōu)。建網(wǎng)初期業(yè)務量少，空口帶寬可配置40MHz，中期業(yè)務量增加，或船舶遇險等特殊時段，空口帶寬可配置60MHz、80MHz，以滿足長江航運的行業(yè)特殊應急需求。

3 5G在長江航運中的應用場景

為驗證5G技術在長江航運安全監(jiān)管和保障船舶航行安全中的應用前景，2020年10月，長江宜昌通信管理局聯(lián)合華為公司、湖北移動等多家單位在宜昌臨江坪錨地水域開展了5G+北斗應用試點，通過搭建5G專網(wǎng)切片網(wǎng)絡平臺，建設5G應用系統(tǒng)生態(tài)，探索實現(xiàn)“陸?？仗臁币惑w化安全監(jiān)管新模式。該項目于2021年3月30日被工業(yè)和信息化部納入移動物聯(lián)網(wǎng)應用優(yōu)秀案例。

3.1 5G+北斗實現(xiàn)船舶高精度定位

目前船載AIS終端基于VHF頻率，通過時分多址技術自動周期性廣播和接收船只信息，傳輸速率僅為9600bit/s;岸基AIS基站中，收發(fā)站接收船只四類信息并廣播北斗差分信息，接收站僅接收船只信息。AIS位置數(shù)據(jù)間隔不定，單點定位不能滿足船舶在復雜航段航行、進出狹窄航道或靠離泊時的應用需求;船舶定位實時性受限網(wǎng)絡數(shù)傳能力，靜態(tài)信息和航次相關信息更新間隔6分鐘，動態(tài)信息3分鐘，船舶高精度位置數(shù)據(jù)應用和開發(fā)利用深度不足，難以滿足航運信息服務的需求。

采用5G+北斗組合，可對現(xiàn)有AIS業(yè)務進行升級，通過5G無線寬帶回傳網(wǎng)絡，打通長航專網(wǎng)2B UPF到北斗地基增強服務器的鏈路以及2B UPF到船舶定位服務的鏈路。船載5G終端通過5G網(wǎng)絡接收從北斗地基增強服務器發(fā)送的北斗差分信息，實現(xiàn)船舶亞米級定位。如圖5所示。

3.2智能分組高清集群通信

目前長江船舶需配備兩個船用VHF船臺機，用于聯(lián)播收聽、遇險求助、船舶調(diào)度及船只會讓等相關工作，切換復雜，且水上無線電信號干擾較大。

基于海事5G專網(wǎng)，北斗融合終端和PDA上的海事因公APP，可針對圖6中三個應用場景，按需擴展并實現(xiàn)高清集群通信。船對船場景，支持任意兩條船在海事專網(wǎng)內(nèi)進行語音和視頻通話。船對多船場景，支持手動或自動建立群組，進行語音廣播或互通，并隨位置變化實時更新群組成員。指揮中心對多船場景，支持指揮中心呼叫任意船只或群組。

3.3船舶動態(tài)全景監(jiān)控及可視化遠程協(xié)同

虛擬現(xiàn)實（VR）與增強現(xiàn)實（AR）能夠徹底顛覆傳統(tǒng)人機交互內(nèi)容，通過5G+AR鷹眼攝像頭+AIS終端+船舶傳感器集群，結(jié)合江圖數(shù)據(jù)，實現(xiàn)船舶動態(tài)全景監(jiān)控，如圖7所示。支持以選中船舶為目標，實時動態(tài)了解船舶動力、操控、氣象、吃水及視頻等全方位船舶航行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)江圖要素顯示、航行風險預警、報閘過閘管理和違規(guī)船舶監(jiān)控。

通過5G無線寬帶回傳網(wǎng)絡，解決高清視頻上傳帶寬不夠的問題，實現(xiàn)江面高清視頻的無損快速傳送。圖8中遠程實時可視化協(xié)同，可實現(xiàn)視頻移動采集，監(jiān)控移動查看和視頻實時回傳。

4 結(jié)語

在陸地，5G 技術已經(jīng)為高清賽事轉(zhuǎn)播的多熱點高容量場景、智能電網(wǎng)的低功耗廣連接場景、自動駕駛的低延時高可靠場景等提供了切實可行的解決方案。長江航運可以采用與運營商共建共享，快速實現(xiàn)5G覆蓋，解決船岸間“最后一公里”寬帶傳輸“瓶頸”，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)實時分析與決策支持，可視化遠程操控，混合現(xiàn)實遠程運維服務，使智慧航運更好地服務于長江經(jīng)濟帶建設。

參考文獻：

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基金項目：長航宜昌5G智慧海事樣板點項目，工業(yè)和信息化部移動物聯(lián)網(wǎng)應用優(yōu)秀案例（工信廳通信〔2020〕268號）。