5G移動(dòng)通信與智慧能源應(yīng)用

張勤貴，張翠霞，張明哲

（1.國(guó)家計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全管理中心山東分中心，山東 濟(jì)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(guó)家5G技術(shù)的商用，山東省工業(yè)和信息化廳審批通過棗礦集團(tuán)為首批5G標(biāo)桿示范企業(yè)之一，開展基于5G技術(shù)的智慧礦山體系建設(shè)。兼顧“全局性、長(zhǎng)遠(yuǎn)性、先進(jìn)性、可持續(xù)性”，以“整體規(guī)劃，高起點(diǎn)布局，全方位設(shè)計(jì)，分階段實(shí)現(xiàn)”為基本的指導(dǎo)思想，結(jié)合新興5G技術(shù)，立足把棗礦集團(tuán)打造成全國(guó)安全、高效、綠色、智能化的標(biāo)桿示范化礦區(qū)。棗礦集團(tuán)屬于2B企業(yè)用戶，即因行業(yè)需求與電信企業(yè)溝通有5G信號(hào)覆蓋需求的企業(yè)，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(shí)，棗礦集團(tuán)還屬于燈塔客戶，即全國(guó)行業(yè)有影響力（全國(guó)行業(yè)市場(chǎng)份額前10或品牌排名前10等）或者地區(qū)影響力較大（省內(nèi)行業(yè)市場(chǎng)份額前5）的客戶。

本文以棗礦集團(tuán)付村煤業(yè)引入AGV小車為例，介紹如何通過新建5G基站實(shí)現(xiàn)智能配送等應(yīng)用。5G技術(shù)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)eMBB即增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶，使得移動(dòng)性在500 km/h用戶速率達(dá)到100 Mb/s。5G技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)URLLC即低時(shí)延、高可靠性，達(dá)到單項(xiàng)空口時(shí)延在1 ms，可靠性達(dá)到99.999%，為實(shí)現(xiàn)AGV小車系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了保障[1]。本次新建5G基站使用的3.5G-64TRAAU設(shè)備天線陣子數(shù)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(tǒng)容量和頻譜效率。在付村煤業(yè)AGV小車智能配送物料途中頻繁被生產(chǎn)機(jī)械建筑遮擋的情況下，5G網(wǎng)絡(luò)滿足了AGV小車的通信需求。

1 AGV通信需求

付村煤業(yè)將引用無人搬運(yùn)車（Automated Guided Vehicles，AGV）實(shí)現(xiàn)固定線路的智能配送，顯著特點(diǎn)是無人駕駛。AGV上裝備有自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)，可以保障系統(tǒng)在不需要人工引航的情況下能夠沿預(yù)定的路線自動(dòng)行駛，將貨物或物料自動(dòng)從起始點(diǎn)運(yùn)送到目的地。AGV車輛通過無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行集中控制和調(diào)度，在廠區(qū)內(nèi)鋪設(shè)了磁釘定位系統(tǒng)的通道內(nèi)全自動(dòng)化運(yùn)行。AGV無人駕駛行走控制均由網(wǎng)絡(luò)調(diào)度中心自動(dòng)化控制，為了防止車輛間的急停、碰撞帶來的安全生產(chǎn)事故，對(duì)無線控制網(wǎng)絡(luò)提出了高可靠、低時(shí)延的嚴(yán)格要求。

在AGV小車作業(yè)調(diào)度的情況下，會(huì)出現(xiàn)多臺(tái)小區(qū)相對(duì)集中在一個(gè)作業(yè)區(qū)的情況。因此，在多臺(tái)AGV小車的接入情況下，要求多用戶時(shí)ping包時(shí)延＜50 ms（最大不超過200 ms），以滿足業(yè)務(wù)生產(chǎn)和調(diào)度需求。

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

表1 AGV業(yè)務(wù)類型分類

AGV業(yè)務(wù)類型分類，如表1所示。

考慮到TCP和UDP的報(bào)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(yù)留一定余量，單個(gè)AGV車帶寬規(guī)劃為100 kb/s。

同時(shí)，要求考慮多個(gè)AGV小車同時(shí)在一個(gè)作業(yè)區(qū)的最嚴(yán)苛情況，按照單小區(qū)最多同時(shí)60臺(tái)AGV小車聚集。

另外，單臺(tái)AGV將會(huì)有4個(gè)業(yè)務(wù)通過無線網(wǎng)絡(luò)回傳到中控中心——B&R導(dǎo)航PLC（核心控制）、IFM單機(jī)電控PLC（維護(hù)級(jí)應(yīng)用）、HMI單機(jī)故障屏（維護(hù)級(jí)應(yīng)用）以及AGV遠(yuǎn)程喚醒（輔助控制應(yīng)用）[2]。由于該4個(gè)業(yè)務(wù)的IP地址不同，因此可以考慮在承載網(wǎng)上通過QoS策略對(duì)該核心控制業(yè)務(wù)提升其報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)先級(jí)。

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?yàn)樵阡浵駨d里給我紙條的那個(gè)人一定不是短裙子女孩，因?yàn)槲覀儚奈粗\面，她也不知道我叫陳小飛，一定是一個(gè)認(rèn)識(shí)我的人把我推薦給短裙子女孩或者是劉偉的，這個(gè)認(rèn)識(shí)我的人那天也一定跟蹤了我。我甚至認(rèn)為這個(gè)藏在我身后的熟悉的人一定是這個(gè)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(yùn)籌帷幄的一個(gè)棋子而已。

2 5G基站規(guī)劃

本次付村煤礦新建5G基站采用SA組網(wǎng)方式，礦區(qū)內(nèi)首批規(guī)劃4個(gè)站點(diǎn)——付村煤業(yè)選煤廠樓、付村煤業(yè)水塔、付村煤業(yè)主辦公樓和付村煤業(yè)采掘樓。通過使用ASSET高精度射線跟蹤模型仿真，分析仿真結(jié)果得出結(jié)論，以期使礦區(qū)地面部分做到5G信號(hào)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(nèi)生產(chǎn)機(jī)械建筑上新建5G基站。新增AAU設(shè)備所依附的塔桅在設(shè)計(jì)位置（本期建設(shè)主要涉及3 m扶墻抱桿和3 m配重抱桿）應(yīng)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(yīng)該低于60 cm，厚度不應(yīng)該低于20 cm。同時(shí)，AAU設(shè)備考慮使用交直流轉(zhuǎn)換模塊來引電。新增AAU設(shè)備的位置應(yīng)該考慮到在覆蓋方位角合適的前提下使得交流線纜長(zhǎng)度盡可能短，交直流轉(zhuǎn)換模塊應(yīng)該安裝在后期便于維護(hù)修理處。新增3 m配重抱桿的樓頂應(yīng)該核實(shí)樓面是否滿足承重要求。

關(guān)于新建5G基站的配置選擇，參考規(guī)劃新建5G基站位置來確定[3]。第一處物理站點(diǎn)付村煤業(yè)選煤廠樓。該樓宇屬于生產(chǎn)人員辦公樓，周圍均為生產(chǎn)車間，是AGV小車智能配送線路的起點(diǎn)或終點(diǎn)，需要5G重點(diǎn)覆蓋且周圍覆蓋視野較開闊，選用S1111配置；第二處物理站點(diǎn)付村煤業(yè)水塔，位于煤礦南側(cè)邊緣位置。考慮付村煤業(yè)的需求只做廠區(qū)內(nèi)的5G信號(hào)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(diǎn)付村煤業(yè)主辦公樓，位于煤礦東側(cè)邊緣位置。樓宇高度相對(duì)合適，配置選擇為S11。主覆蓋一扇區(qū)方向?yàn)殍F路輸送線路，是AGV小車智能配送的起點(diǎn)或終點(diǎn)，視野較開闊；主覆蓋二扇區(qū)可以對(duì)煤礦主要行政單元樓做補(bǔ)充覆蓋。第四處物理站點(diǎn)付村煤業(yè)采掘樓屬于調(diào)度樓，位置相對(duì)核心。但是，考慮現(xiàn)場(chǎng)南側(cè)覆蓋視野較差，配置選擇為S11，作為對(duì)北側(cè)鐵路輸送線路和生產(chǎn)車間的補(bǔ)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(shè)基站明細(xì)

3 5G基站建設(shè)

本次主要闡述首批規(guī)劃的4個(gè)5G基站的天饋側(cè)方案和BBU側(cè)方案。

3.1 付村煤業(yè)水塔天饋建設(shè)方案

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

圖1 規(guī)劃效果圖

3.2 付村煤業(yè)主辦公樓天饋建設(shè)方案

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

3.3 付村煤業(yè)采掘樓天饋建設(shè)方案

此站點(diǎn)計(jì)劃在3樓頂西側(cè)新增1副3 m三肢配重抱桿，北側(cè)新增1副3 m三肢配重抱桿，共需預(yù)制水泥基礎(chǔ)24塊（水泥基礎(chǔ)尺寸：400 mm×200 mm×160 mm），新增2臺(tái)AAU，新增2臺(tái)交直流轉(zhuǎn)換模塊（交直流轉(zhuǎn)換模塊在AAU下方位置抱桿安裝），每臺(tái)AAU分別從1臺(tái)交直流轉(zhuǎn)換模塊取電。新增的2臺(tái)交轉(zhuǎn)直模塊從3F南側(cè)機(jī)房交流配電柜內(nèi)空余的2路32 A交流空開取電。

3.4 付村煤業(yè)選煤廠樓天饋側(cè)建設(shè)方案

此站點(diǎn)計(jì)劃在5樓頂北側(cè)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(cè)新增1副3 m扶墻抱桿，新增4臺(tái)AAU，新增4臺(tái)交直流轉(zhuǎn)換模塊（新增的4臺(tái)交轉(zhuǎn)直模塊兩兩集中在北側(cè)2付抱桿下方位置安裝），每臺(tái)AAU分別從1臺(tái)交直流轉(zhuǎn)換模塊取電。新增的4臺(tái)交轉(zhuǎn)直模塊需從4路32 A交流空開取電。

3.5 BBU機(jī)房側(cè)建設(shè)方案

本期工程新增3臺(tái)5G BBU設(shè)備，煤礦內(nèi)機(jī)房均為交流電，使用交直流轉(zhuǎn)換模塊給BBU取電?？紤]到單個(gè)5G物理站的小區(qū)需要連接至同一臺(tái)5G BBU上，且1塊5G BBU基帶板只能下掛3個(gè)5G小區(qū)，因此付村煤業(yè)選煤廠樓、付村煤業(yè)主辦公樓和付村煤業(yè)采掘樓都新增1臺(tái)5G BBU。付村煤業(yè)水塔利舊付村煤業(yè)選煤廠樓新增的BBU，并新增1塊5G基帶板。同時(shí)，5G BBU功耗隨5G基帶板數(shù)量增加，因此需新增2臺(tái)交直流轉(zhuǎn)換模塊給3臺(tái)5G BBU取電。

3.6 投資匯總

3.7 SA組網(wǎng)分析

本次5G基站建設(shè)采用SA組網(wǎng)方式。SA標(biāo)準(zhǔn)于2018年6月問世，于2019年下半年成熟。

在業(yè)務(wù)能力提供方面，NSA組網(wǎng)無法支持5G新業(yè)務(wù)，不具備5G新能力（無切片、MEC非標(biāo)）只支持eMBB業(yè)務(wù)。SA組網(wǎng)移入5GC，支持控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，支持更多的業(yè)務(wù)類型和網(wǎng)絡(luò)切片。

在互操作性能上，NSA組網(wǎng)信令面錨定在4G上，不存在4G與5G的互操作。5G非連續(xù)覆蓋時(shí)，NSA在移動(dòng)移動(dòng)連續(xù)性方面具有優(yōu)勢(shì)。SA組網(wǎng)通過4G和5G網(wǎng)間互操作實(shí)現(xiàn)移動(dòng)連續(xù)性，切換時(shí)延大，易造成掉線。

在語音方案方面，NSA組網(wǎng)方案簡(jiǎn)單，通過終端雙連接，直接采用VoLTE，SA組網(wǎng)語音方案相對(duì)復(fù)雜（VoNR、Fallback、OTT）。

在建設(shè)改造難度方面，NSA組網(wǎng)支持雙連接，LTE網(wǎng)改動(dòng)較多，X2/Xn接口、PDCP和MAC層均需部分改動(dòng)，SA組網(wǎng)僅需RRC層新增鄰區(qū)測(cè)量和配置，核心網(wǎng)需升級(jí)4G核心網(wǎng)，支持與5G互操作，且需建設(shè)5G核心網(wǎng)。

在組網(wǎng)靈活度方面，NSA組網(wǎng)異廠家支持靈活度相對(duì)較差。根據(jù)RAN架構(gòu)不同，可能存在傳輸路由迂回問題。SA組網(wǎng)主要是切換關(guān)系，耦合度低。

在建設(shè)改造投資方面，NSA組網(wǎng)初期不需要建設(shè)5GC，最終演進(jìn)至SA，需增加4G基站分流改造、EPC升級(jí)等成本，SA組網(wǎng)需同時(shí)建設(shè)5G無線網(wǎng)和核心網(wǎng)。

棗礦集團(tuán)付村煤業(yè)規(guī)劃初期考慮使用NSA組網(wǎng)方式，同時(shí)需要新增AAU設(shè)備和4G板狀天線，傳輸側(cè)需新增1臺(tái)4G傳輸分組和1臺(tái)5G傳輸分組。規(guī)劃后期，根據(jù)山東聯(lián)通下發(fā)的5G建設(shè)指導(dǎo)意見采用SA組網(wǎng)，節(jié)省了新增4G天線和4G傳輸分組的投資。

與以往的移動(dòng)通信系統(tǒng)主要強(qiáng)調(diào)用戶峰值速率不同，5G關(guān)鍵性能指標(biāo)更加豐富。除用戶峰值速率外，5G關(guān)鍵性能還包括用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度、端到端時(shí)延、流量密度和移動(dòng)性等[4]。其中，用戶體驗(yàn)速率是5G最重要的性能指標(biāo)，真正體現(xiàn)了用戶可獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)速率，是與用戶感受最密切的性能指標(biāo)。

4 5G行業(yè)應(yīng)用展望

通過在棗礦集團(tuán)付村煤業(yè)首批建設(shè)的4個(gè)5G基站，完成井上5G信號(hào)全覆蓋，實(shí)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)滲透至井下，實(shí)現(xiàn)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(yīng)用，還應(yīng)用于智慧城市、智慧教育、智慧能源、智慧醫(yī)療和泛在低空等行業(yè)。智慧城市行業(yè)需求主要包括5G會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)直播；智慧教育行業(yè)需求主要包括5G VR視頻教學(xué)和5G圖書館；智慧能源行業(yè)需求主要包括配電智能分析，均衡輸電；智慧醫(yī)療主要包含基于5G的智慧醫(yī)療建設(shè)；泛在低空主要包含5G無人機(jī)巡航。