中國移動4.9 GHz頻段在港口場景應用研究

李 岑

中郵建技術(shù)有限公司

0 引言

當前，5G網(wǎng)絡需要考慮進一步引入中、低頻段，只有發(fā)揮好高、中、低各頻率優(yōu)勢，才能滿足未來ToB/ToC各類場景下的新業(yè)務需求。隨著5G業(yè)務迅速發(fā)展，以及新應用場景的出現(xiàn)，4.9 GHz頻段的技術(shù)優(yōu)勢和應用價值將更為凸顯。為此，中國移動正在積極推進4.9 GHz頻段技術(shù)研發(fā)和網(wǎng)絡試驗，促進產(chǎn)業(yè)鏈成熟。4.9 GHz作為5G網(wǎng)絡的重要頻段，需要加大4.9 GHz應用場景研究。

2019年11月15日，中國移動聯(lián)合華為、中興通訊、中國信科、愛立信、諾基亞五家產(chǎn)業(yè)合作伙伴，在中國移動全球合作伙伴大會上發(fā)布了《4.9 GHz產(chǎn)業(yè)與應用白皮書》。白皮書從4.9 GHz所涉及的頻率特性、性能指標、應用場景、產(chǎn)業(yè)需求等方面出發(fā)，闡述了中國移動對于4.9 GHz基本能力的探索以及對應用場景和產(chǎn)業(yè)需求的思考，旨在呼吁產(chǎn)業(yè)各方共同努力，加快完善4.9 GHz行業(yè)應用。產(chǎn)業(yè)合作伙伴均表示該白皮書具有很強的戰(zhàn)略優(yōu)勢和應用前景，將盡快推動4.9 GHz相關產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)成熟，實現(xiàn)4.9 GHz與其他頻段的協(xié)同創(chuàng)新與發(fā)展。

1 智慧港口網(wǎng)絡需求分析

港口作為交通運輸?shù)臉屑~，在促進國際貿(mào)易和地區(qū)發(fā)展中起著重要作用。全球貿(mào)易主要由海運業(yè)承載，作業(yè)效率對于港口至關重要。隨著5G商業(yè)化的到來，在“工業(yè)4.0”與“互聯(lián)網(wǎng)+”大發(fā)展的時代背景下，港口將進一步進行數(shù)字化、全自動的轉(zhuǎn)型升級。為適應智慧港口業(yè)務需求，在港口場景中，部分典型業(yè)務需從網(wǎng)絡側(cè)進行能力增強適配。

傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡無法滿足港口高度自動化下不同場景的通信需求。如遠程控制、視頻監(jiān)控、全場景高清直播、AI識別、無人駕駛、低功耗傳感器通信數(shù)據(jù)采集等，不僅需要更大的上下行帶寬，而且對時延提出了更高的要求。

1.1 上行大帶寬需求

港口生產(chǎn)中需要用到大量的視頻監(jiān)控，這對于保障港口業(yè)務的高效運行、工作人員的人身安全等具有重要意義。以視頻攝像頭業(yè)務為例，視頻幀分為I幀與P幀，I幀表示關鍵幀，是一種自帶全部信息的獨立幀，P幀為幀間預測編碼幀，表示的是這一幀與前一幀的差別，1080P視頻監(jiān)控碼率一般為2 Mbps，I幀速率要求11 Mbps。為了能夠360°無死角地實現(xiàn)監(jiān)控，一般一片區(qū)域會布置大量攝像頭，這就要求網(wǎng)絡具有大的上行帶寬。一個區(qū)域一般有8臺無人集卡，每臺集卡6路攝像頭。每個CPE（Customer Premise Equipment，客戶前置設備）上行速率要求4×11+2×2=48Mbps，整個區(qū)域上行速率要求48×8=384 Mbps。如此高的上行速率，不僅傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡很難滿足條件，目前5G的2.6 GHz網(wǎng)絡也無法滿足。

1.2 可靠性要求

港口專網(wǎng)業(yè)務要求高可靠性，港口企業(yè)擔心與現(xiàn)網(wǎng)ToC業(yè)務互相搶占，影響其可靠性，要求與ToC業(yè)務做差異化隔離，實現(xiàn)空口資源預留與優(yōu)先調(diào)度。

1.3 低時延要求

傳統(tǒng)龍門吊司機是特殊工種，在30米高的司機室操作，作業(yè)條件艱苦，現(xiàn)場操作容易疲勞，有安全隱患。港口為保證24小時作業(yè)，每臺龍門吊配備三名司機輪換，一個碼頭通常需要上百名龍門吊司機，對司機人力需求高。遠程控制改造后，龍門吊上安裝攝像頭和PLC，司機在中控室觀看多路實時視頻進行操作，完成龍門吊所有動作如吊車吊具精準移動、抓舉集裝箱等。為了保障安全，網(wǎng)絡雙向時延要求小于18 ms。

2 智慧港口解決方案

2.1 以3：2時隙配比應對上行大帶寬需求

5G現(xiàn)網(wǎng)2.6GHz網(wǎng)絡因需與TDD LTE頻段幀結(jié)構(gòu)對齊，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組網(wǎng)下理論峰值速率僅為220Mbps左右，無法滿足港口多輪高清視頻監(jiān)控的大上傳要求。鑒于以上需求，本方案創(chuàng)造性地使用5G獨享4.9GHz頻段，采用上下行時隙3：2配比等上行大帶寬幀結(jié)構(gòu)配比，不需與其他2/3/4G系統(tǒng)時間對齊。

網(wǎng)絡基礎環(huán)境搭建如下：基站AAU采用64T64R，系統(tǒng)帶寬配置為100MHz，全部室外接入采用高配置CPE（天線配置為2T4R，即2發(fā)4收），配置為全緩沖業(yè)務（提高吞吐率）。

3：2的上下行時隙配比既可以滿足下行大帶寬的需求，又可以極大地提高上行帶寬。對于既需要大的上/下行帶寬，又需要低時延的港口場景而言，3：2的上下行時隙配比能夠很好地滿足網(wǎng)絡需求，其雙向時延也是最低的。

2.2 以網(wǎng)絡切片實現(xiàn)對ToB專網(wǎng)業(yè)務差異化調(diào)度

網(wǎng)絡切片本質(zhì)上是將運營商的物理網(wǎng)絡劃分為多個虛擬網(wǎng)絡，每個虛擬網(wǎng)絡根據(jù)不同的服務需求（如時延、帶寬、安全性和可靠性等）劃分，以靈活應對不同的網(wǎng)絡應用場景。

針對港口專網(wǎng)業(yè)務高可靠性要求，通過對專網(wǎng)業(yè)務配置高優(yōu)先級調(diào)度的獨立5QI，預留相應空口資源，實現(xiàn)專網(wǎng)業(yè)務與普通ToC業(yè)務隔離，保證專網(wǎng)業(yè)務的可靠性，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖

2.3 以MEC網(wǎng)絡支撐港口工業(yè)控制低時延要求

網(wǎng)絡時延主要取決于數(shù)據(jù)傳輸路徑，路徑越長，時延越大，路徑越短，時延越小。MEC通過將對應的網(wǎng)絡功能部署在靠近用戶的邊緣位置，縮短了傳輸路徑，降低了時延，提升了體驗。傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)的業(yè)務流需要經(jīng)過無線空口-＞基站-＞傳輸網(wǎng)-＞核心網(wǎng)-＞骨干網(wǎng)-＞CDN網(wǎng)絡，進行業(yè)務處理，路徑長，時延大。而通過MEC下沉到無線側(cè)，業(yè)務流只需要經(jīng)過無線網(wǎng)在MEC上就可以直接處理，如圖2所示。通過實際測試，時延從36ms下降到12ms，降低300%。

圖2 MEC組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.4 發(fā)布面向港口場景的ToB業(yè)務感知基線

針對港口不同業(yè)務需求，如龍門吊遠程視頻監(jiān)控、視頻遠程操作，吊橋視頻監(jiān)控、視頻遠程控制等，通過對業(yè)務建模分析，評估業(yè)務保障SLA，通過精細測試分析，制定各類業(yè)務的網(wǎng)絡時延、帶寬、可靠性要求，如表1所示。

表1 不同場景網(wǎng)絡性能需求

3 智慧港口方案實施成效

3.1 上行高速率保障

港口高清視頻監(jiān)控對上行帶寬要求比較高，上行視頻回傳要達到385 Mbps才能安全作業(yè)。在實際測試中，4.9 GHz組網(wǎng)，上下行時隙配比3：2，上行峰值速率可達650 Mbps，遠遠高于港口視頻回傳385 Mbps速率要求。

3.2 切片換可靠性保障

通過對港口專網(wǎng)用戶配置不同5QI，優(yōu)先保證專網(wǎng)用戶感知，現(xiàn)網(wǎng)驗證2個普通ToC用戶先接入滿調(diào)度測試，共享全部空口資源，專網(wǎng)用戶后接入，接入后優(yōu)先分配資源，專網(wǎng)用戶速率遠高于普通用戶。

3.3 MEC低時延優(yōu)化

通過部署MEC網(wǎng)絡，測試時延從36ms下降到12ms，時延降低300%。

智慧港口園區(qū)的4.9 GHz增強組網(wǎng)方案有兩方面增益：（1）對于港口專網(wǎng)，港口方原需自建WIFI、有線網(wǎng)絡等，現(xiàn)通過5G網(wǎng)絡可輕松實現(xiàn)，不需再部署專網(wǎng)，僅WIFI和光纖的改造費用即可節(jié)約2420萬元，如表2所示；（2）通過5G網(wǎng)絡實現(xiàn)港口各項業(yè)務自動化，預計每年可節(jié)約人力成本4464萬元。

表2 節(jié)省費用預估

質(zhì)量管控平臺有適用場景多、平臺架構(gòu)通用、底層數(shù)據(jù)通用等多個優(yōu)點，可在系統(tǒng)內(nèi)其他單位快速移植推廣，具有較大的推廣價值。

（1）適用場景多：港口業(yè)務包含的視頻回傳、專網(wǎng)業(yè)務、工業(yè)控制均為典型的ToB園區(qū)業(yè)務場景，針對這些業(yè)務的網(wǎng)絡保障是后續(xù)開展ToB業(yè)務支撐的重點，具有普適性的推廣價值。

（2）網(wǎng)絡方案通用：4.9G是工信部分配給中國移動的5G專用頻譜，未來將作為重點區(qū)域容量的主要頻段，本方案需要的4.9G設備為通用設備，對應使用的3：2時隙配比、切換QOS保障、MEC等也均為5G通用解決方案，使方案具備通用移植性。

（3）市場價值大：5G使能萬物互聯(lián)，ToB業(yè)務拓展是發(fā)展重點方向，市場前景廣闊。

4 結(jié)束語

本文研究4.9GHz頻段在智慧港口場景下的應用，探索港口高清視頻監(jiān)控對上行大帶寬、低時延與高可靠需求的解決方案。引入網(wǎng)絡切片、MEC、4.9GHz上行大帶寬與專業(yè)QoS保障技術(shù)，解決智慧港口網(wǎng)絡難點。

通過測試驗證，該解決方案可增加港口集裝箱吞吐率、降低人力、降低貨物損失率和降低維護開銷等，可以帶來明顯的經(jīng)濟效益。該方案是5G通用解決方案，方案移植性強，可大范圍推廣使用，為實現(xiàn)智慧港口探索經(jīng)驗。5G網(wǎng)絡只有發(fā)揮好高、中、低各頻率的優(yōu)勢，才能滿足未來ToB/ToC各類場景下的新業(yè)務需求。