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：當前航運智能化發展面臨無線帶寬通信能力對現代化航運協同管理難、遠程控制實時性差、融合大數據智能決策效率低等問題難以支撐，面向垂直行業智能化應用的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、船舶監控等方面的業務需求，分析了應用級切片自適應選擇、江面傳播模型校正、天線下傾角自適應尋優、空口帶寬自適應尋優4個長江航運5G專網關鍵技術解決方案，提出了基于5G、大數據、云計算、邊緣計算和虛擬現實等技術的船舶高精度定位導航、智能分組高清集群通信、船舶動態全景監控及可視化協同等應用場景。

關鍵詞：航運智能化;5G 技術;網絡切片;傳播模型校正;高精度定位;高清集群通信;動態監控

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，以其優越的地理位置和水運資源被譽為“黃金水道”，年貨運量連續多年位居世界內河第一。2020年，長江航運實現貨物年通過量30.6億噸，同比增幅超過4.4%，再創歷史新高。

為了推動長江經濟帶高質量發展，交通運輸部提出“一條主線四個長江”的發展戰略，圍繞“建設長江黃金水道，發展現代長江航運”這條主線，打造“數字長江”、“平安長江”、“陽光長江”及“和諧長江”。其中，“數字長江”是長江航運現代化的重要引擎和關鍵因素，旨在通過智能化應用系統實現各類航運業務的流程優化、協同配合和輔助決策，最大限度地優化航運管理、提供公共服務，提升航行安全，提高運輸效率。

1 長江航運智能化發展的主要障礙及業務需求

現有長江航運主流無線通信手段為VHF窄帶通信，不具備寬帶數據傳輸能力;衛星通信主要在應急通信中使用，帶寬小、資費高;4G公網覆蓋盲點多，網絡安全得不到保障;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據傳輸與處理需求，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監控、高清CCTV、應急視頻通信等大帶寬的業務需求;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、船舶數據動態感知、船舶航行安全監管等海量傳感數據采集需求。

智慧航運系統寬帶傳輸需求如表1所示。5G 網絡的時延（典型）約為10ms，上行穩定帶寬約為150Mbps，連接數為106 /km2，網絡服務質量最高可達 99. 9999%。特別是5G網絡切片技術、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、專網共建共享，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專網關鍵技術解決方案

長江航道全流域的4G網絡覆蓋基本都是公網投資和建設，對于航道連續覆蓋、水位落差影響、水面干擾調效等許多長江航運網絡覆蓋的行業特殊問題沒有進行深入的研究和探索。要實現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、江面傳播模型校正、天線下傾角自適應尋優、空口帶寬自適應尋優4個關鍵問題。

2.1應用級切片自適應選擇

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

FlexE 技術基于物理層的轉發，并提供嚴格的管道隔離，帶寬分配靈活[2]。FlxE基于Client/Group架構，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），在網絡側控制不同業務流激活到不同的網絡切片，最終實現業務分流。通過梳理不同航運應用場景的個性化需求，根據需求對網絡資源進行邏輯分割，實現應用級自適應切片選擇，空口切片精準識別，2C2B訪問及APP級精細化業務，保障公專網切換。如圖1所示。

2.2江面傳播模型校正

傳統無線傳播模型Okumura-Hata和COST231-Hata模型主要應用在2 GHz以下低頻段，而5G通信系統主要采用6 GHz以下中低頻段和24 GHz以上高頻段組網[3]，其部署方式也有別于傳統室外宏站和室內分布系統方式，主要使用室外宏微站以及室內微微站相結合的方式[4]。因此傳統無線傳播模型，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

大規模天線陣列將數十上百個天線和芯片集成到一塊“平板”上，5G 的高頻信號可以穩定、安全地發送到用戶終端，帶來更高的天線陣列增益，大幅提升系統容量;能夠將波束控制在很窄的范圍內，帶來高波速增益，有效補償高頻段傳輸的大路損。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。

2.4空口帶寬自適應尋優

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、連接數以及能效等指標要求。實現按需自適應統一、靈活、可配置，滿足5G 典型場景差異化的性能需求。當長江航道出現險情或特殊保障時段，為滿足特殊時段峰值業務量的通信需求，5G空口帶寬，可基于業務/帶寬需求不斷進行迭代，并自適應尋優。建網初期業務量少，空口帶寬可配置40MHz，中期業務量增加，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專網切片網絡平臺，建設5G應用系統生態，探索實現“陸海空天”一體化安全監管新模式。該項目于2021年3月30日被工業和信息化部納入移動物聯網應用優秀案例。

3.1 5G+北斗實現船舶高精度定位

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位置數據間隔不定，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絡數傳能力，靜態信息和航次相關信息更新間隔6分鐘，動態信息3分鐘，船舶高精度位置數據應用和開發利用深度不足，難以滿足航運信息服務的需求。

采用5G+北斗組合，可對現有AIS業務進行升級，通過5G無線寬帶回傳網絡，打通長航專網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網絡接收從北斗地基增強服務器發送的北斗差分信息，實現船舶亞米級定位。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，用于聯播收聽、遇險求助、船舶調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，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，按需擴展并實現高清集群通信。船對船場景，支持任意兩條船在海事專網內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船舶動態全景監控及可視化遠程協同

虛擬現實（VR）與增強現實（AR）能夠徹底顛覆傳統人機交互內容，通過5G+AR鷹眼攝像頭+AIS終端+船舶傳感器集群，結合江圖數據，實現船舶動態全景監控，如圖7所示。支持以選中船舶為目標，實時動態了解船舶動力、操控、氣象、吃水及視頻等全方位船舶航行數據，實現江圖要素顯示、航行風險預警、報閘過閘管理和違規船舶監控。

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

4 結語

在陸地，5G 技術已經為高清賽事轉播的多熱點高容量場景、智能電網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5G覆蓋，解決船岸間“最后一公里”寬帶傳輸“瓶頸”，實現大數據實時分析與決策支持，可視化遠程操控，混合現實遠程運維服務，使智慧航運更好地服務于長江經濟帶建設。

參考文獻：

[1] 伍嘉，王志會，劉凡棟等.5G端到端切片技術實現探討[J]. 郵電設計技術，2020（09）：12-17.

[2] 方琰崴，陳亞權，李立平等. 5G網絡切片解決方案和關鍵技術[J].郵電設計技術，2020（03）：70-74

[3] 肖清華. 國內5G頻譜指配分析及建議[J]. 移動通信，2018，42（02）：1-5.

[4] 袁周陽，趙偉康，吳迪. 基于UMa和RMa傳播模型的5G覆蓋性能研究[J].移動通信，2020（10）：1-6.

[5] 3GPP. 3GPP TR 36.873 V12.7.0： 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Study on 3D Channel Model for LTE（Release 12）[EB/OL]. （2018-07-22）[2020-03-08]. http：//www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/36_series/36.873/.

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