5G移動通信與智慧能源應用

張勤貴，張翠霞，張明哲

（1.國家計算機網絡與信息安全管理中心山東分中心，山東 濟南 250002；2.廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

隨著國家5G技術的商用，山東省工業和信息化廳審批通過棗礦集團為首批5G標桿示范企業之一，開展基于5G技術的智慧礦山體系建設。兼顧“全局性、長遠性、先進性、可持續性”，以“整體規劃，高起點布局，全方位設計，分階段實現”為基本的指導思想，結合新興5G技術，立足把棗礦集團打造成全國安全、高效、綠色、智能化的標桿示范化礦區。棗礦集團屬于2B企業用戶，即因行業需求與電信企業溝通有5G信號覆蓋需求的企業，需求包括打造智慧礦山、井下通信、人員定位、井下交通以及無人開采等。同時，棗礦集團還屬于燈塔客戶，即全國行業有影響力（全國行業市場份額前10或品牌排名前10等）或者地區影響力較大（省內行業市場份額前5）的客戶。

本文以棗礦集團付村煤業引入AGV小車為例，介紹如何通過新建5G基站實現智能配送等應用。5G技術的一個優勢eMBB即增強型移動寬帶，使得移動性在500 km/h用戶速率達到100 Mb/s。5G技術的另一個優勢URLLC即低時延、高可靠性，達到單項空口時延在1 ms，可靠性達到99.999%，為實現AGV小車系統的正常運行提供了保障[1]。本次新建5G基站使用的3.5G-64TRAAU設備天線陣子數量更多。更多的天線陣子帶來天線增益的提升，可以保證更好的波束賦型效果，大幅提升系統容量和頻譜效率。在付村煤業AGV小車智能配送物料途中頻繁被生產機械建筑遮擋的情況下，5G網絡滿足了AGV小車的通信需求。

1 AGV通信需求

付村煤業將引用無人搬運車（Automated Guided Vehicles，AGV）實現固定線路的智能配送，顯著特點是無人駕駛。AGV上裝備有自動導向系統，可以保障系統在不需要人工引航的情況下能夠沿預定的路線自動行駛，將貨物或物料自動從起始點運送到目的地。AGV車輛通過無線網絡系統進行集中控制和調度，在廠區內鋪設了磁釘定位系統的通道內全自動化運行。AGV無人駕駛行走控制均由網絡調度中心自動化控制，為了防止車輛間的急停、碰撞帶來的安全生產事故，對無線控制網絡提出了高可靠、低時延的嚴格要求。

在AGV小車作業調度的情況下，會出現多臺小區相對集中在一個作業區的情況。因此，在多臺AGV小車的接入情況下，要求多用戶時ping包時延＜50 ms（最大不超過200 ms），以滿足業務生產和調度需求。

單個AGV車上終端承載的業務總帶寬需求不超過100 kb/s。要求ping包時延不超過50 ms（多用戶正常情況），最大時延不允許超過200 ms，否則會出現掉線停車。

表1 AGV業務類型分類

AGV業務類型分類，如表1所示。

考慮到TCP和UDP的報文包頭部開銷（TCP：MAC頭 +IP頭 +TCP頭 =14+20+20=54 Bytes；UDP：MAC頭+IP頭+UDP頭=14+20+8=42 Bytes），再考慮到預留一定余量，單個AGV車帶寬規劃為100 kb/s。

同時，要求考慮多個AGV小車同時在一個作業區的最嚴苛情況，按照單小區最多同時60臺AGV小車聚集。

另外，單臺AGV將會有4個業務通過無線網絡回傳到中控中心——B&R導航PLC（核心控制）、IFM單機電控PLC（維護級應用）、HMI單機故障屏（維護級應用）以及AGV遠程喚醒（輔助控制應用）[2]。由于該4個業務的IP地址不同，因此可以考慮在承載網上通過QoS策略對該核心控制業務提升其報文轉發的優先級。

在那以后的日子里，我天天如驚弓之鳥，惶惶不可終日。我從短裙子女孩想到劉偉，想到黑背心、泰森，最后又回到錄像廳里的那張神秘紙條。我總覺得在我的身邊還有一雙無形的眼睛。因為在錄像廳里給我紙條的那個人一定不是短裙子女孩，因為我們從未謀面，她也不知道我叫陳小飛，一定是一個認識我的人把我推薦給短裙子女孩或者是劉偉的，這個認識我的人那天也一定跟蹤了我。我甚至認為這個藏在我身后的熟悉的人一定是這個兇殺案件的主謀，我、黑背心、泰森，甚至短裙子女孩和劉偉，都不過是他運籌帷幄的一個棋子而已。

2 5G基站規劃

本次付村煤礦新建5G基站采用SA組網方式，礦區內首批規劃4個站點——付村煤業選煤廠樓、付村煤業水塔、付村煤業主辦公樓和付村煤業采掘樓。通過使用ASSET高精度射線跟蹤模型仿真，分析仿真結果得出結論，以期使礦區地面部分做到5G信號的良好無縫覆蓋。

本次5G新建基站選址主要考慮到樓宇高度合適和AAU安裝位置的視野開闊無明顯遮擋，不建議選擇在礦內生產機械建筑上新建5G基站。新增AAU設備所依附的塔桅在設計位置（本期建設主要涉及3 m扶墻抱桿和3 m配重抱桿）應考慮到樓頂女兒墻的墻體高度和厚度，具體要求為女兒墻高度不應該低于60 cm，厚度不應該低于20 cm。同時，AAU設備考慮使用交直流轉換模塊來引電。新增AAU設備的位置應該考慮到在覆蓋方位角合適的前提下使得交流線纜長度盡可能短，交直流轉換模塊應該安裝在后期便于維護修理處。新增3 m配重抱桿的樓頂應該核實樓面是否滿足承重要求。

關于新建5G基站的配置選擇，參考規劃新建5G基站位置來確定[3]。第一處物理站點付村煤業選煤廠樓。該樓宇屬于生產人員辦公樓，周圍均為生產車間，是AGV小車智能配送線路的起點或終點，需要5G重點覆蓋且周圍覆蓋視野較開闊，選用S1111配置；第二處物理站點付村煤業水塔，位于煤礦南側邊緣位置。考慮付村煤業的需求只做廠區內的5G信號覆蓋，因此選用S11配置覆蓋煤礦主要的行政單位樓宇。第三處物理站點付村煤業主辦公樓，位于煤礦東側邊緣位置。樓宇高度相對合適，配置選擇為S11。主覆蓋一扇區方向為鐵路輸送線路，是AGV小車智能配送的起點或終點，視野較開闊；主覆蓋二扇區可以對煤礦主要行政單元樓做補充覆蓋。第四處物理站點付村煤業采掘樓屬于調度樓，位置相對核心。但是，考慮現場南側覆蓋視野較差，配置選擇為S11，作為對北側鐵路輸送線路和生產車間的補充覆蓋。本期新建5G基站位置和配置如表2和圖1所示。

表2 5G建設基站明細

3 5G基站建設

本次主要闡述首批規劃的4個5G基站的天饋側方案和BBU側方案。

3.1 付村煤業水塔天饋建設方案

此站點計劃在水塔頂部東側、西側各新增1副3 m扶墻抱桿，新增2臺AAU，新增2臺交直流轉換模塊（交直流轉換模塊在AAU下方位置抱桿安裝），每臺AAU分別從1臺交直流轉換模塊取電。新增的2臺交轉直模塊從2路32 A交流空開取電。

圖1 規劃效果圖

3.2 付村煤業主辦公樓天饋建設方案

此站點計劃在5樓頂西北角新增2副3 m扶墻抱桿，新增2臺AAU，新增2臺交直流轉換模塊（交直流轉換模塊在AAU下方位置抱桿安裝），每臺AAU分別從1臺交直流轉換模塊取電。6樓頂南側女兒墻壁掛的交流空開箱內需新增2路32 A交流空開，新增的2臺交轉直模塊從新增的2路電源端子取電。

3.3 付村煤業采掘樓天饋建設方案

此站點計劃在3樓頂西側新增1副3 m三肢配重抱桿，北側新增1副3 m三肢配重抱桿，共需預制水泥基礎24塊（水泥基礎尺寸：400 mm×200 mm×160 mm），新增2臺AAU，新增2臺交直流轉換模塊（交直流轉換模塊在AAU下方位置抱桿安裝），每臺AAU分別從1臺交直流轉換模塊取電。新增的2臺交轉直模塊從3F南側機房交流配電柜內空余的2路32 A交流空開取電。

3.4 付村煤業選煤廠樓天饋側建設方案

此站點計劃在5樓頂北側新增2副3 m扶墻抱桿，西南角新增1副3 m扶墻抱桿，南側新增1副3 m扶墻抱桿，新增4臺AAU，新增4臺交直流轉換模塊（新增的4臺交轉直模塊兩兩集中在北側2付抱桿下方位置安裝），每臺AAU分別從1臺交直流轉換模塊取電。新增的4臺交轉直模塊需從4路32 A交流空開取電。

3.5 BBU機房側建設方案

本期工程新增3臺5G BBU設備，煤礦內機房均為交流電，使用交直流轉換模塊給BBU取電。考慮到單個5G物理站的小區需要連接至同一臺5G BBU上，且1塊5G BBU基帶板只能下掛3個5G小區，因此付村煤業選煤廠樓、付村煤業主辦公樓和付村煤業采掘樓都新增1臺5G BBU。付村煤業水塔利舊付村煤業選煤廠樓新增的BBU，并新增1塊5G基帶板。同時，5G BBU功耗隨5G基帶板數量增加，因此需新增2臺交直流轉換模塊給3臺5G BBU取電。

3.6 投資匯總

3.7 SA組網分析

本次5G基站建設采用SA組網方式。SA標準于2018年6月問世，于2019年下半年成熟。

在業務能力提供方面，NSA組網無法支持5G新業務，不具備5G新能力（無切片、MEC非標）只支持eMBB業務。SA組網移入5GC，支持控制與轉發分離，支持更多的業務類型和網絡切片。

在互操作性能上，NSA組網信令面錨定在4G上，不存在4G與5G的互操作。5G非連續覆蓋時，NSA在移動移動連續性方面具有優勢。SA組網通過4G和5G網間互操作實現移動連續性，切換時延大，易造成掉線。

在語音方案方面，NSA組網方案簡單，通過終端雙連接，直接采用VoLTE，SA組網語音方案相對復雜（VoNR、Fallback、OTT）。

在建設改造難度方面，NSA組網支持雙連接，LTE網改動較多，X2/Xn接口、PDCP和MAC層均需部分改動，SA組網僅需RRC層新增鄰區測量和配置，核心網需升級4G核心網，支持與5G互操作，且需建設5G核心網。

在組網靈活度方面，NSA組網異廠家支持靈活度相對較差。根據RAN架構不同，可能存在傳輸路由迂回問題。SA組網主要是切換關系，耦合度低。

在建設改造投資方面，NSA組網初期不需要建設5GC，最終演進至SA，需增加4G基站分流改造、EPC升級等成本，SA組網需同時建設5G無線網和核心網。

棗礦集團付村煤業規劃初期考慮使用NSA組網方式，同時需要新增AAU設備和4G板狀天線，傳輸側需新增1臺4G傳輸分組和1臺5G傳輸分組。規劃后期，根據山東聯通下發的5G建設指導意見采用SA組網，節省了新增4G天線和4G傳輸分組的投資。

與以往的移動通信系統主要強調用戶峰值速率不同，5G關鍵性能指標更加豐富。除用戶峰值速率外，5G關鍵性能還包括用戶體驗速率、連接數密度、端到端時延、流量密度和移動性等[4]。其中，用戶體驗速率是5G最重要的性能指標，真正體現了用戶可獲得的真實數據速率，是與用戶感受最密切的性能指標。

4 5G行業應用展望

通過在棗礦集團付村煤業首批建設的4個5G基站，完成井上5G信號全覆蓋，實現AGV小車在固定線路上的物料智能配送。后期在條件成熟后逐步將5G網絡滲透至井下，實現井下通信、人員定位、井下交通以及無人開采等功能。5G除了在智慧能源方面的應用，還應用于智慧城市、智慧教育、智慧能源、智慧醫療和泛在低空等行業。智慧城市行業需求主要包括5G會議現場直播；智慧教育行業需求主要包括5G VR視頻教學和5G圖書館；智慧能源行業需求主要包括配電智能分析，均衡輸電；智慧醫療主要包含基于5G的智慧醫療建設；泛在低空主要包含5G無人機巡航。