基于5G物聯網卡的通信與定位一體化解決方案及應用

作者簡介：宋大為（1983— ），男，學士；研究方向：海事裝備及基礎設施建設規劃、建設實施，裝備設施軟硬件管理，船舶交管系統雷達及無線通信管理。

摘要：基于5G物聯網卡開展垂直行業應用，正在成為各行各業數字化轉型的重要動力。文章系統梳理了5G物聯網卡的技術特點和能力，探討其通信和定位能力的主要優勢，并將二者深度融合，開展一體化解決方案設計和架構創新，實現了5G物聯網卡面對復雜應用場景的適配能力。通過在海事執法領域的建設與驗證，文章提出的5G物聯網卡通信與定位一體化方案能夠有效破解海事執法領域當前所遇到的難題，大幅提升了執法效率與準確度。

關鍵詞：5G；物聯網卡；定位；海事執法

中圖分類號：TP315" 文獻標志碼：A

0" 引言

面向全球競爭格局和科技發展前沿，中國、美國、歐盟、日本等主要國家和經濟體都制定了5G/6G發展的全局和長期戰略，投入重資大規模開展5G網絡建設，并以此作為提振經濟、推動產業升級、建設工業4.0和智能制造的重要抓手和著力點。5G發展的成功與否關系到未來國家之間經濟實力乃至綜合國力的競爭格局，不容有失。

在4G技術基礎上，5G大幅提升了傳輸速率、端到端時延、可靠性、單位區域連接密度、定位精度、超高速移動適應性、節能效應等關鍵指標，這不僅為普通消費者帶來了更好的通信體驗，更為物聯網等垂直行業應用帶來了產業升級千載難逢的機會。

在日常生活及生產活動中，超過80%的信息都與地理位置有關。無論是在建筑物內部，還是在廣闊的室外空間，消費者及產業界都需要快速而精確地獲取移動終端的位置信息。5G定位是通過測量無線信號來確定5G移動終端所處地理位置的技術。通過基于5G網絡和平臺所提供的定位服務，用戶可以不受時間和地域限制，實時獲取目標的精確位置，滿足各類應用基于位置信息的開發需求。

通信網絡具備定位能力，實現通信和定位一體化，不需要再單獨部署一張定位網絡，也不用單獨定制終端，部署、使用和維護成本低。定位功能依托 5G 網絡能力和智能終端能力，不斷迭代升級演進?；?5G 終端即可獲得定位信息，不需要再去安裝定位芯片和定位應用軟件，獲取數據更加便捷，5G 終端用戶感知也大大提升。同時可以結合 5G 終端關聯的數據標簽，做大數據深度挖掘和分析，提升數據的綜合價值［1］。

1" 5G物聯網卡的主要特點及應用

近年來，物聯網（IoT）技術的快速發展為各行各業帶來了前所未有的機遇和挑戰。尤其是在移動互聯網的大力推動下，物聯網技術不斷創新，越來越多的智能設備被推向市場。但是，物聯網技術的普及和應用還面臨著不少困難，其中之一就是傳統的SIM卡難以滿足大規模連接、高速傳輸、高精度定位、低功耗等特性。因此，5G物聯卡成為可持續解決這一問題的利器。

5G物聯網卡是一種基于5G技術的新一代物聯網通信模塊，具備高速、低延遲、大容量等特點，為物聯網設備提供了更快速、穩定的連接。下面從技術特點、應用場景和發展前景3個方面對5G物聯網卡進行詳細說明。

1.1" 技術特點

5G物聯網卡具備以下技術特點：

（1）高速率。5G物聯網卡能夠實現更高的數據傳輸速率，最高可達到數十Gbps，提供了更快速、更高效的通信服務。

（2）低延遲。5G物聯網卡的延遲較低，通常在ms級別，這對于實時性要求較高的物聯網應用來說尤為重要，比如自動駕駛、遠程醫療等。

（3）大容量。5G物聯網卡通過網絡切片技術，可以為不同的物聯網設備提供個性化、定制化的通信服務，滿足大規模連接、大容量傳輸的需求。

（4）高可靠性。5G物聯網卡具備更高的可靠性，能夠在高速移動、密集連接等復雜環境下保持穩定的連接，確保物聯網設備的正常運行。

（5）高精度定位。5G帶寬大、網絡密度高，能顯著提升定位精度，定位精度最高可達亞米級。5G高精度定位與垂直行業結合，可以實現跨行業跨領域的合作與靈活多樣的業務創新，為用戶提供增值業務，給用戶帶來安全、效率、商業等方面的價值。

1.2" 應用場景

隨著5G網絡的加速部署及5G物聯網卡的大規模發行，基于5G物聯網卡的通信與定位一體化在諸多領域展現出廣泛的應用潛力：

（1）智能交通?？梢詫崿F對車輛位置的高精度定位，提供實時的交通信息和導航服務，改善交通擁堵和提高交通安全。可實現對內河、狹灣、沿海近岸水路運輸裝置的高速定位，提前預警提示避碰。

（2）智能制造。可以實現對工業設備的高精度定位和遠程控制，提高生產效率和產品質量，實現智能化制造。

（3）智慧城市?？梢詫崿F對城市設施和公共交通的高精度定位，提供實時的城市管理和服務，改善城市運行效率和居民生活質量。

（4）智能應急和執法綜合指揮。可以實現海上應急力量、沿?，F場執法裝備和人員的實時高精度定位，為綜合指揮決策提供信息支持，提高執法和應急現場效率。

（5）物聯網。可以實現對物聯網設備的高精度定位和遠程監控，提供實時的物聯網服務，優化相關設備裝備管理運維機制，推動物聯網技術的發展和應用。

1.3" 發展前景

5G物聯網卡在未來的發展前景非常廣闊，5G技術的普及和商用將推動5G物聯網卡的發展，預計未來幾年內5G物聯網卡的市場規模將快速增長。隨著物聯網設備的普及和應用場景的擴大，對于5G物聯網卡的需求也將逐漸增加。5G物聯網卡的出現將加速各個行業的數字化轉型，推動物聯網技術在各個領域的深入應用。5G物聯網卡的高速率、低延遲、大容量等特點將為物聯網設備的發展提供更好的支持，推動物聯網技術的創新和進步。

2" 5G通信與定位一體化概念及原理

5G通信與定位一體化是指將5G通信技術與定位技術融合在一起，實現在同一個網絡環境下同時進行高速數據傳輸和精準定位的技術。它是未來通信和定位領域的重要發展方向，具有廣闊的應用前景。

5G通信與定位一體化的原理主要包括以下幾個方面：

（1）天線陣列技術。5G通信系統采用了大規模天線陣列技術，可以實現波束賦形，即將信號聚焦在特定方向，提高通信的可靠性和容量。同時，天線陣列也可以用于定位，通過測量信號到達的時間差和相位差來計算終端的位置。

（2）多址接入技術。5G通信系統采用了非正交多址接入技術，可以同時傳輸多個用戶的信號，提高通信的效率。在定位方面，可以通過多址接入技術將定位信號與通信信號進行分離，減少對通信系統的干擾。

（3）網絡協同技術。5G通信系統采用了網絡切片和網絡功能虛擬化等技術，可以根據應用的需求對網絡資源進行靈活配置，實現通信和定位的協同工作。

（4）高精度時鐘同步技術。5G通信系統需要對終端的位置進行高精度的測量，而這需要終端和基站之間的時鐘同步。通過采用高精度時鐘同步技術，可以實現ns級的時鐘同步，提高定位的精度。

3" 5G通信與定位一體化架構及解決方案

針對無線基站、網關及終端收發的無線電波束的相關特征參數，進行有效測量與估算，并使用定位平臺來運行定位算法，則能夠計算出目標物體的位置。無線電波的特征參數包括波達時間、波達角度、信號強度和相位等。在物聯網時代，高精度定位市場競爭激烈，針對不同的室內和室外應用場景，衛星定位、藍牙、UWB等定位技術隨著終端需求的增長而迅速發展［2］。不斷提高定位精度是各類無線定位技術持之以恒的目標，在利用現有5G定位技術的基礎之上，還應當以5G通信網絡的廣域覆蓋為基礎，發揮其覆蓋廣、支持移動性的特點，將多種性能與特性不盡相同的無線定位技術充分融合，取長補短，最終實現5G通信和多種無線定位技術的一體化，如圖1所示。

現有5G技術的一大特性就是引入了多接入邊緣計算（Multi-access Edge Computing，MEC），MEC可以與用戶面功能（User Plane Function，UPF）網元高度融合，在無線網絡側就近部署，且兼具強大的計算能力。同時，無線信號在傳輸通信信息的同時，其信號特征能夠為定位服務所用。通過采集、估算通信信號的相關特征，并在MEC上運行定位算法，則可以實現通信與定位的融合。位置管理功能（Location Management Function，LMF）和網關移動定位中心（Gateway Mobile Location Centre，GMLC）是3GPP定義的用于提供位置服務的網元，其設計、實現需嚴格遵守3GPP協議要求。LMF管理注冊到5G核心網終端的位置所需資源的總體協調和調度，實現5G網絡中位置信息的計算和反饋，提供定位過程管理、終端能力獲取、輔助數據提供、終端位置估計等功能。GMLC負責應用的接入和鑒權，獲取并驗證用戶的隱私設置，并將定位請求通過AMF轉發到LMF以完成位置的計算，并將最終的位置結果提供給定位應用?；谖恢玫膽枚喾N多樣，既可以部署在運營商或專用網絡內部，又可以部署在應用廠家網絡中，通過標準的API接口實現對5G網絡定位能力的本地或遠程調用。MEC應設計為通用計算架構，而LMF和GMLC可以基于SBA架構以APP方式部署在MEC上。

通過上述設計，可以有效實現5G網絡通信與定位架構的一體化，確保了5G物聯網卡啟用即同時獲得通信與定位能力，更好地滿足基于5G物聯網卡所開展的各類應用對于通信和定位能力的需求。

4" 5G物聯網卡在海事監管輔助領域的應用

受限于通信能力薄弱，目前海事監管、執法面臨諸多難題［3］，如：執法人員短缺，法律法規條文繁雜，執法人員難以快速完成知識更新，導致執法程序用時長、用法準確性低；現有通信手段無法做大海面遠程、大帶寬覆蓋，無法支持遠程執法，登船檢查耗時、費力；無法實現船舶、車輛、人員、設備、基礎設施等的大帶寬、高實時性和精準定位的有效聯網，故不能做到其在海事基地VTS指揮中心和各海事處綜合執法現場調度中心的一網統管等［4-5］。

5G物聯網卡的出現，以其出色的通信和定位能力，有望在一定程度上解決海事監管、執法所面臨的問題［6］?；谡?.4G頻段，海南洋浦海事局設想和規劃搭建5G通信專網，開展5G海事執法輔助應用的開發和嘗試，最終形成從底層網絡到上層應用的端到端解決方案。通過示范應用，一方面驗證5G物聯網卡和示范應用解決方案的技術可行性、功能完備性、工作可靠性及各項性能指標，是否能夠真實滿足行業用戶需求；另一方面對外提供新型執法模式探索展示窗口，更多收集用戶需求，為成果轉化和后期推廣積累經驗和用戶資源。

筆者團隊探索了推動研發智慧海事執法的輔助方案。首先，依靠現有基礎條件，沿海岸線部署5G一體化專網基站，支持5G物聯網卡，構建大帶寬、低時延、高精度定位無線網絡，向海面深處（16 n mile約30 km以上）、空中（高度不低于100 m）和岸線陸地部分進行無線覆蓋。在執法船只、車輛和現場執法人員穿戴裝備上配置5G CPE或5G通信終端，接收基站通信信號，實時傳輸或斷網后延續傳輸船內視頻、照片、證照材料等，實現遠程執法。在空中，救助直升機可搭乘執法人員或配備傳輸設備接收基站向空中輻射的無線信號，傳輸所攝制視頻，與搜救指揮中心或現場搜救指揮船艇實時通信。另外，可通過無人機搭載5G自組網設備，實現近岸淺水區域或母船周圍區域的無線覆蓋、應急通信和備份鏈路。在陸地，執法車輛的行車記錄儀、執法人員的單兵執法記錄儀、維修人員的安全帽、集裝箱不開箱內窺鏡設備等視頻信息，都可以通過5G物聯網卡實現與指揮中心和現場執法調度中心的互聯和實時通信。在指揮中心及執法大廳，能夠實時接收船、機、車、人、物等的視頻、數據信息及位置信息，在大屏進行統一顯示和監管、調度。此方案大幅提高了海事監管執法效率，如圖2所示。

5" 結語

基于5G物聯網卡的通信與定位一體化是未來通信和定位領域的重要發展方向，具有高速數據傳輸、高精度定位、多樣化應用和網絡協同等特點。它可以應用于智慧環保、智能制造、智慧城市、智能應急和執法綜合指揮等領域，為各種應用場景提供高速數據傳輸和精準定位的支持。然而，5G通信與定位一體化技術還面臨一些挑戰，包括基礎設施布局、頻譜資源、天線陣列設計、時鐘同步和安全隱私等方面的問題。解決這些挑戰需要產業界、學術界和政府部門的共同努力，以推動5G通信與定位一體化技術的發展。

參考文獻

［1］華為技術有限公司.5G定位白皮書［EB/OL］.（2020-06-11）［2023-11-06］.https：//www.huawei.com/cn/huaweitech.

［2］張紫璇，黃勁安，蔡子華.5G通信定位一體化網絡發展趨勢探析［J］.廣東通信技術，2019（2）：41-45.

［3］交通運輸部海事局.全要素水上“大交管”建設工作方案［EB/OL］.（2021-09-28）［2023-11-06］.https：//www.mot.gov.cn/jiaotongyaowen/202109/t20210928_3620220.html.

［4］陸軍.現代化應急指揮體系建設探究［J］.中國應急管理，2023（1）：44-47.

［5］王宇.無線通信技術在應急指揮車中的應用［J］.長江信息通信，2022（10）：98-100.

［6］趙鑫，吳巖，江龍.基于5G技術的海事智能化監管探討：中國航海學會內河海事專業委員會2023年海事管理學術年會優秀論文集［C］.武漢：中國航海學會內河海事專業委員會，2023.

（編輯" 沈" 強）

Communication and positioning integrated solution and applications based on 5G IoT cards

Song" Dawei， Yuan" Shaochun， Ma" Liangbin， Ma" Lixue

（Yangpu Marine Supervision Department， Danzhou 578001， China）

Abstract： This article systematically outlines the technical characteristics and capabilities of 5G IoT cards， explores the main advantages of their communication and positioning capabilities， and deeply integrates the two to develop integrated solution designs and architectural innovations， realizing the adaptability of 5G IoT cards to complex application scenarios. Through construction and verification in the field of maritime law enforcement， the proposed integrated solution for communication and positioning of 5G IoT cards can effectively solve the current difficulties encountered in the field of maritime law enforcement， greatly improving law enforcement efficiency and accuracy.

Key words： 5G; IoT cards; positioning; maritime law enforcement