基于5G技術(shù)在海上通信網(wǎng)絡(luò)的探究

齊文婷

中海油信息科技有限公司天津分公司 天津 300000

引言

隨著海上信息化建設(shè)的不斷開發(fā)建設(shè)普及與增強(qiáng)，各種生產(chǎn)核心業(yè)務(wù)、應(yīng)急指揮通信業(yè)務(wù)、日常辦公業(yè)務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)訪問、5G通信業(yè)務(wù)也在不斷豐富與完善，各類新型業(yè)務(wù)和應(yīng)用也在不斷接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，例如物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、移動(dòng)終端接入等，數(shù)據(jù)傳輸量日趨增長。

5G是重大的顛覆性技術(shù)變革，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要推動(dòng)力。隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)開始從傳統(tǒng)管理模式向現(xiàn)代化、數(shù)字化、智能化跨越。無線專網(wǎng)尚為一片空白，需要新一代無線通信技術(shù)解決需求。高速、穩(wěn)定的海上通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)為無人平臺(tái)、生產(chǎn)運(yùn)營指揮中心和智能油田提供了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)和根本保障。新一代基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施將成為高質(zhì)量計(jì)劃的重要基礎(chǔ)支撐。

信息化管理要求的不斷提升、網(wǎng)絡(luò)保障、網(wǎng)絡(luò)信息安全等標(biāo)準(zhǔn)也隨之提高。海上平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)是一套積少成多、承載著多種類型業(yè)務(wù)的混合網(wǎng)絡(luò)。有規(guī)劃性的前瞻布設(shè)及多業(yè)務(wù)混合傳輸進(jìn)行重點(diǎn)業(yè)務(wù)保障、異常隔離、新業(yè)務(wù)接入調(diào)整無序等多問題。5G多網(wǎng)并行，邏輯獨(dú)立的需求日漸成為海上網(wǎng)絡(luò)乃至海上信息化建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急。

1 5G產(chǎn)業(yè)概述介紹

5G不僅僅是一門技術(shù)，而且是一個(gè)產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)其他各個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。5G最根本的變革在于通信服務(wù)對(duì)象發(fā)生變化：自5G時(shí)代開始，通信服務(wù)的主體將從人逐步遷移到物。伴隨著4G、5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與向海上延伸、互聯(lián)網(wǎng)的接入，個(gè)人互聯(lián)網(wǎng)帶寬需求將出現(xiàn)爆發(fā)式的增長，將會(huì)對(duì)地區(qū)千兆骨干網(wǎng)絡(luò)形成極大的網(wǎng)絡(luò)壓力[1]。5G網(wǎng)絡(luò)劃分后現(xiàn)階段可采用增加管控設(shè)備對(duì)各網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管控與保障，也可根據(jù)各應(yīng)用使用的地址制定相應(yīng)的限制與保障策略。

2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)規(guī)劃

5G架構(gòu)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也是加快5G商用規(guī)模部署的重要突破口之一，二者相輔相成。5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將形成新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)工業(yè)深度融合的新興業(yè)態(tài)與應(yīng)用模式。整體拓?fù)洳捎脴?biāo)準(zhǔn)兩層結(jié)構(gòu)進(jìn)行部署，以海上核心接入交換機(jī)為核心，組成環(huán)網(wǎng)鏈路接入核心接入交換機(jī)，渤海北部現(xiàn)階段保持不變，以作業(yè)區(qū)環(huán)網(wǎng)為骨干，通過專線接入核心接入交換機(jī)。其他平臺(tái)就近接入骨干節(jié)點(diǎn)連入網(wǎng)絡(luò)[2]。①實(shí)用性以專網(wǎng)為基礎(chǔ)架構(gòu)，挖掘海上平臺(tái)業(yè)務(wù)需求，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)特性，充分考慮平臺(tái)業(yè)務(wù)現(xiàn)狀，著眼于解決平臺(tái)生產(chǎn)生活中的痛點(diǎn)問題。②5G專網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)遵守國家5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)范。③經(jīng)濟(jì)性充分考慮海上平臺(tái)結(jié)構(gòu)及5G專網(wǎng)覆蓋要求，合理設(shè)計(jì)5G信號(hào)覆蓋方案，降低系統(tǒng)建設(shè)成本和維護(hù)成本。④可擴(kuò)展性系統(tǒng)總體架構(gòu)合理、設(shè)計(jì)容量適度，并且要具有可擴(kuò)展性，5G專網(wǎng)性能能夠隨著5G業(yè)務(wù)的增多進(jìn)行擴(kuò)容。

高度重視智能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)、深化5G與能源化工的業(yè)務(wù)需求的高匹配度，使其可以應(yīng)用于開采、生產(chǎn)控制。5G結(jié)合融合通信、邊緣物聯(lián)、協(xié)同控制、三維可視化、智能傳感設(shè)備、智能終端等技術(shù)。應(yīng)用可逐步實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)的少人化、無人化改造，大幅降低人工成本，簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)部署方式，實(shí)現(xiàn)更靈活的業(yè)務(wù)組網(wǎng)。以數(shù)據(jù)高速承載、業(yè)務(wù)深度保障、便捷柔性接入、高度安全和智慧管理等為特征的新一代基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。

3 5G網(wǎng)絡(luò)無線環(huán)境承載

5G網(wǎng)絡(luò)無線環(huán)境承載的各個(gè)應(yīng)用設(shè)備的數(shù)據(jù)流，從無線網(wǎng)傳送至邊緣計(jì)算核心網(wǎng)，由組件完成邊緣計(jì)算功能，完成報(bào)文分發(fā)功能。將本地業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流傳送給應(yīng)用產(chǎn)品服務(wù)器進(jìn)行處理，同時(shí)將本地業(yè)務(wù)控制流通過鏈路傳送給承載網(wǎng)，送到陸地5G核心網(wǎng)完成處理[3]。

5G無線專網(wǎng)系統(tǒng)包括：無線網(wǎng)、MEC核心網(wǎng)、承載網(wǎng)、虛擬化服務(wù)器四部分。第一，無線網(wǎng)。由宏基站和室內(nèi)分布系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)生產(chǎn)區(qū)、中控室及辦公區(qū)的5G無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境覆蓋。第二，MEC核心網(wǎng)。包括MEC等組件。通過MEC、MEP組件實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算功能；通過UPF組件實(shí)現(xiàn)報(bào)文分發(fā)功能，將平臺(tái)本地業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流傳送至應(yīng)用服務(wù)器處理，將業(yè)務(wù)控制流通過承載網(wǎng)傳送至陸地5GC處理。第三，承載網(wǎng)。承擔(dān)5G無線專網(wǎng)和陸地5GC之間的連接、傳輸、接口等功能。第四，虛擬化服務(wù)器。將服務(wù)器、防火墻、交換機(jī)部署在平臺(tái)報(bào)房內(nèi)，承載具有具備邊緣計(jì)算能力的核心網(wǎng)設(shè)備組件。其中，核心網(wǎng)組件由軟件構(gòu)成，也代表了移動(dòng)通信系統(tǒng)從4G向5G演進(jìn)，設(shè)備由專用部件向虛擬化、云化轉(zhuǎn)變趨勢(shì)。將服務(wù)器、防火墻、交換機(jī)進(jìn)行部署，承載具有具備邊緣計(jì)算能力的核心網(wǎng)設(shè)備組件。其中核心網(wǎng)等組件由軟件構(gòu)成，也代表了移動(dòng)通信系統(tǒng)從4G向5G演進(jìn)，設(shè)備由專用部件向虛擬化、云化轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

邊緣計(jì)算核心網(wǎng)完成將在5G網(wǎng)絡(luò)無線環(huán)境承載的各個(gè)應(yīng)用設(shè)備的數(shù)據(jù)流，從無線網(wǎng)傳送至邊緣計(jì)算核心網(wǎng)，并完成邊緣計(jì)算功能，完成報(bào)文分發(fā)功能。將平臺(tái)本地業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流傳送給應(yīng)用產(chǎn)品服務(wù)器進(jìn)行處理，同時(shí)將本地業(yè)務(wù)控制流通過微波鏈路傳送給承載網(wǎng)，送到陸地5G核心網(wǎng)5GC完成處理。

4 鏈路基站對(duì)應(yīng)

4.1 區(qū)域

由于區(qū)域骨干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量較少，且考慮到全網(wǎng)扁平化，故骨干區(qū)域只設(shè)置一個(gè)骨干區(qū)域，采用片區(qū)統(tǒng)一的區(qū)域ID。陸地核心、匯聚、接入。這時(shí)對(duì)于安全的防護(hù)就顯得更加重要，在遠(yuǎn)程配置及自動(dòng)更新時(shí)提供加密技術(shù)、進(jìn)行安全保護(hù)，終端安裝和配置殺毒軟件進(jìn)行防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行加密。這樣不但具有殺毒的功能還具有隱私保護(hù)的作用，同時(shí)還兼顧了過程定位、備份信息等其他的應(yīng)用。

4.2 智能巡檢

由5G智能巡檢終端、服務(wù)器、管理平臺(tái)組成。巡檢人員持智能終端，按預(yù)先設(shè)定好巡檢路線，使用終端掃描設(shè)備上預(yù)先植入的巡檢內(nèi)容和設(shè)備信息標(biāo)簽，進(jìn)入巡檢內(nèi)容填寫界面，通過手動(dòng)輸入、拍照、視頻等方式完成巡檢數(shù)據(jù)采集、巡檢內(nèi)容上傳、設(shè)備隱患上報(bào)、維修過程上報(bào)等工作。提高巡檢人員工作效率，實(shí)現(xiàn)巡檢數(shù)字化。

4.3 定位需求

在海上平臺(tái)根據(jù)不同定位需求，差異化部署融合定位信標(biāo)，佩戴定位胸牌獲取定位信息，并發(fā)送至基站，再將數(shù)據(jù)通過5G基站傳輸至后臺(tái)服務(wù)器，監(jiān)管人員可通過人員管理平臺(tái)掌握各人員實(shí)時(shí)位置以保證安全監(jiān)管，同時(shí)可對(duì)人員歷史活動(dòng)軌跡進(jìn)行追溯，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)人員高精度安全管控，達(dá)到精益生產(chǎn)、合理調(diào)度、提升管理效率的目的。

5 專網(wǎng)系統(tǒng)

將服務(wù)器、防火墻、交換機(jī)部署相應(yīng)位置，承載具有具備邊緣計(jì)算能力的核心網(wǎng)設(shè)備等組件。其中，核心網(wǎng)組件由軟件構(gòu)成，也代表了移動(dòng)通信系統(tǒng)從4G向5G演進(jìn)，設(shè)備由專用部件向虛擬化、云化轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。邊緣計(jì)算核心網(wǎng)完成將在5G網(wǎng)絡(luò)無線環(huán)境承載的各個(gè)應(yīng)用設(shè)備的數(shù)據(jù)流，從無線網(wǎng)傳送至邊緣計(jì)算核心網(wǎng)，由組件完成邊緣計(jì)算功能，組件完成報(bào)文分發(fā)功能。將平臺(tái)本地業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流傳送給應(yīng)用產(chǎn)品服務(wù)器進(jìn)行處理，同時(shí)將本地業(yè)務(wù)控制流通過鏈路傳送給承載網(wǎng)，送到陸地5G核心網(wǎng)5GC完成處理。

通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)將5G無線專網(wǎng)承載業(yè)務(wù)分成生產(chǎn)安全類、辦公類兩種業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)相互隔離，保護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全、提升網(wǎng)絡(luò)使用效率。無線網(wǎng)進(jìn)行人為切片，不同的網(wǎng)絡(luò)使用不同的資源進(jìn)行切片，已達(dá)到網(wǎng)絡(luò)安全隔離的目的。不同業(yè)務(wù)指定向不同的新建承載網(wǎng)設(shè)備。以小顆粒切片實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片，核心網(wǎng)到陸地核心網(wǎng)之間的控制數(shù)據(jù)而非業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，不涉及需要網(wǎng)絡(luò)隔離和切片的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，天然地完成了網(wǎng)絡(luò)隔離功能。平臺(tái)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可通過S-NSSAI+DNN的方式選擇到本地，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出平臺(tái)，滿足低時(shí)延和大帶寬網(wǎng)絡(luò)需求。

6 設(shè)備規(guī)劃接入

設(shè)備由于其所需處理數(shù)據(jù)較大，并增加相應(yīng)接口以滿足端口需要。如考慮未來發(fā)展及各網(wǎng)絡(luò)間的隔離及防范單一網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致的設(shè)備故障影響全網(wǎng)運(yùn)行，采用新一代交換機(jī)。

接入即生產(chǎn)網(wǎng)、辦公網(wǎng)、專網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)使用數(shù)字集群接口，各大網(wǎng)段下的交換則在相應(yīng)物理接口下建立子接口，并劃分至相應(yīng)數(shù)字集群中。這樣增加了業(yè)務(wù)需求、節(jié)省了成本。如果有條件使用接入點(diǎn)，引入多個(gè)鏈路點(diǎn)。

7 區(qū)域網(wǎng)絡(luò)功能

實(shí)現(xiàn)功能有實(shí)時(shí)定位：電子地圖上實(shí)時(shí)顯示所有被定位人員位置，管理人員可輕松掌握所有人員動(dòng)態(tài)數(shù)量和實(shí)時(shí)分布情況，定位模式圖如圖1。

圖1 定位模式圖

歷史軌跡：系統(tǒng)能夠記錄每個(gè)被定位人員在不同時(shí)間的歷史活動(dòng)軌跡。

電子圍欄：可以將某些特定區(qū)域設(shè)為電子圍欄，并為電子圍欄添加有效時(shí)段，定位對(duì)象一旦觸發(fā)設(shè)定規(guī)則，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信息。

緊急求救[4]：一旦發(fā)生緊急情況，佩戴者可以長按定位終端上的SOS按鈕，管理員會(huì)立即收到報(bào)警消息及遇險(xiǎn)者當(dāng)前位置，并可以通過視頻聯(lián)動(dòng)，第一時(shí)間獲取現(xiàn)場實(shí)況，及時(shí)進(jìn)行支援，保證了人員的安全。

當(dāng)平臺(tái)發(fā)生緊急情況時(shí)，管理人員可通過現(xiàn)場人員配備的單兵系統(tǒng)掌握現(xiàn)場情況并進(jìn)行快速指導(dǎo)、實(shí)時(shí)調(diào)度?，F(xiàn)場人員佩戴頭戴式高清攝像機(jī)將應(yīng)急現(xiàn)場第一視角畫面通過5G專網(wǎng)傳輸至管理平臺(tái)，管理平臺(tái)將接收到視頻信息推送至調(diào)度側(cè)顯示設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)語音雙向互動(dòng)，實(shí)時(shí)調(diào)度。

8 結(jié)束語

5G通信融合各類現(xiàn)代化數(shù)據(jù)、體系、技術(shù)模式等，創(chuàng)造更多財(cái)富，生產(chǎn)成本低、高集成化、強(qiáng)適用性的產(chǎn)品，同時(shí)服務(wù)于網(wǎng)絡(luò)信息化進(jìn)程。通過現(xiàn)代新技術(shù)融合引入及投資，強(qiáng)化基礎(chǔ)運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)能力。結(jié)合現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字思維，以合作共營的模式建立從終端至網(wǎng)絡(luò)延伸至綜合應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)，進(jìn)行信息集成建設(shè)，融合現(xiàn)代創(chuàng)新。

基于5G智能移動(dòng)終端運(yùn)行，開發(fā)與作業(yè)許可審批流程相匹配APP，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)許可在線式移動(dòng)管理。施工人員將作業(yè)許可掃描上傳至平臺(tái)后，監(jiān)管人員通過移動(dòng)終端可實(shí)現(xiàn)許可證在線審批，根據(jù)不同作業(yè)等級(jí)，可自定義審批流程。同時(shí)可查詢不同作業(yè)區(qū)域正在進(jìn)行的作業(yè)票數(shù)量及信息，以避免交叉作業(yè)產(chǎn)生安全隱患。該功能可實(shí)現(xiàn)無紙化操作，提高審批效率，同時(shí)將許可審批與施工過程現(xiàn)場監(jiān)管融合到一起，全面提升現(xiàn)場作業(yè)的安全管控水平。

國家戰(zhàn)略、運(yùn)營商競爭態(tài)勢(shì)、產(chǎn)業(yè)鏈上下游設(shè)備商推動(dòng)、行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求等方面因素疊加，推動(dòng)中國5G產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，但5G專網(wǎng)建設(shè)成熟度和海上平臺(tái)特殊場景下的應(yīng)用效果還有待于進(jìn)一步測試。在建設(shè)海上平臺(tái)5G無線專網(wǎng)、測試5G在海上平臺(tái)的性能、探究5G在油田應(yīng)用的可行性、摸索5G在油田的組網(wǎng)模式，為5G智慧油田建設(shè)提供技術(shù)支撐。