基于5G邊緣云的港口統(tǒng)一通信方案研究與實踐

寧巖，張蕾，陸肖元

基于5G邊緣云的港口統(tǒng)一通信方案研究與實踐

寧巖1，張蕾2，陸肖元1

（1. 上海寬帶技術(shù)及應(yīng)用工程研究中心，上海 200436；2. 青島港國際股份有限公司，山東 青島 266011）

5G邊緣云具有分布式、靈活組網(wǎng)、快速部署和本地流量分流等優(yōu)勢，在港口等垂直工業(yè)領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用前景，同時對實現(xiàn)港口統(tǒng)一通信也提出了一定的要求。在研究基于5G邊緣云的港口統(tǒng)一通信架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了針對港口現(xiàn)場全域各類要素實現(xiàn)全面感知、支撐自動化業(yè)務(wù)改造的5G邊緣云功能框架。此功能框架能很好地適用于港口場景的有線無線網(wǎng)絡(luò)融合的統(tǒng)一承載，可作為目前復(fù)雜環(huán)境下的港口網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一通信的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。最后在某港口碼頭上對該方案進(jìn)行了實際驗證。

5G邊緣云；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合；港口網(wǎng)絡(luò)自運營；統(tǒng)一通信

0 引言

近年來，5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的垂直應(yīng)用探索為許多典型傳統(tǒng)工業(yè)場景的智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了創(chuàng)新應(yīng)用落地的基礎(chǔ)連接支撐。在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，復(fù)雜的終端形態(tài)、異構(gòu)化的傳輸方式、連續(xù)或離散型的多源業(yè)務(wù)流程特征都泛在互聯(lián)、多源感知、智能決策的實現(xiàn)提出了挑戰(zhàn)。Nowak等[1]對5G網(wǎng)絡(luò)通信在工業(yè)垂直領(lǐng)域的需求特征進(jìn)行了歸納，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以提供基于控制、有效且靈活目的設(shè)備間的實時通信（用于模擬和維護(hù)的實時協(xié)作交互），以及端到端的遠(yuǎn)程控制通信在服務(wù)端、手持終端等設(shè)備間的連接（用于生產(chǎn)與組裝等業(yè)務(wù)節(jié)點的交互和傳遞）。同時，在網(wǎng)絡(luò)體系設(shè)計方面，以港口為典型場景，對5G組網(wǎng)連接方案提出了更加嚴(yán)格的要求，為了保證業(yè)務(wù)的穩(wěn)定、連續(xù)和安全性，受限于業(yè)務(wù)保障需要，對網(wǎng)絡(luò)通信提出了數(shù)據(jù)不出港的絕對數(shù)據(jù)閉環(huán)管理需求。Rostami[2]對比了面向垂直工業(yè)領(lǐng)域的獨立5G網(wǎng)絡(luò)的部署和應(yīng)用模型，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的靈活性將為面向不同需求的場景提供定制化網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)，將5G網(wǎng)絡(luò)的控制面和管理面進(jìn)行本地化分離，在可用性和魯棒性方面，靈活的5G網(wǎng)絡(luò)本地化部署僅依賴本地資源和組件，從而降低核心面的控制約束帶來的數(shù)據(jù)管理風(fēng)險。

在垂直工業(yè)領(lǐng)域的典型場景中，傳統(tǒng)工業(yè)不僅要面臨現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、前端接入條件惡劣的問題，還要面臨用于不同生產(chǎn)場景的設(shè)備不統(tǒng)一帶來的數(shù)據(jù)互通問題。而港口的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與部署更加具有高度定制化的需求[3]，5G技術(shù)的應(yīng)用在港口中面臨業(yè)務(wù)種類復(fù)雜、參與主體復(fù)雜、差異化通信、組網(wǎng)復(fù)雜等問題。有相關(guān)研究提出了一種獨立5G專網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)[4]，滿足垂直行業(yè)客戶的數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中對網(wǎng)絡(luò)、邊緣、云、應(yīng)用等方面的差異化需求，私有化部署在融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的保證，減少端到端時延，通過定制基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（deep neural network，DNN）或者專用切片標(biāo)注數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與路由隔離，并對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）優(yōu)化。同時，也有相關(guān)研究提出了針對港口的5G專網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)[5]，非生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的上網(wǎng)流量直接連接公網(wǎng)，本地生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過港區(qū)部署多接入邊緣計算（multi-access edge computing，MEC）和用戶面功能（user plane function，UPF）路由接入港區(qū)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，滿足港區(qū)數(shù)據(jù)技術(shù)要求，但對數(shù)據(jù)不出港的管理風(fēng)險要求滿足度較低。

5G技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的探索還旨在解決現(xiàn)場級海量零散、異構(gòu)化數(shù)據(jù)的及時匯聚與分析問題，以及與云端通信的協(xié)同問題，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的高效協(xié)同，提升工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)整體效率。基于5G技術(shù)的MEC平臺對于工業(yè)場景的數(shù)據(jù)整合顯得十分重要[6]，將云端和邊緣的服務(wù)單元融合到靠近終端的物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，IoT）通信架構(gòu)，在云端進(jìn)行功能虛擬化，通過MEC邊緣側(cè)對終端對象進(jìn)行服務(wù)，解耦對基礎(chǔ)設(shè)施強依賴的數(shù)據(jù)服務(wù)，進(jìn)而在云端和邊緣側(cè)形成有效數(shù)據(jù)流動。大多數(shù)港口場景下的生產(chǎn)作業(yè)面臨缺乏統(tǒng)一的通信協(xié)議及架構(gòu)描述的問題，對異構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、大型機械設(shè)備作業(yè)命令數(shù)據(jù)、人機通信等數(shù)據(jù)很難實現(xiàn)通信路由的自動配置與轉(zhuǎn)換，Kherani等[7]對MEC與5G結(jié)合的框架提出一種基于處理流程的UPF設(shè)置來滿足數(shù)據(jù)低時延傳輸?shù)姆椒?，不同功能的UPF可以更加動態(tài)地運行和連續(xù)協(xié)同管理任務(wù)，同時將邊緣業(yè)務(wù)與云端業(yè)務(wù)處理進(jìn)行分離。另外，文獻(xiàn)[8]提出了一種將啟發(fā)式的跨集群容器編排策略應(yīng)用于邊緣計算平臺的方法，實現(xiàn)對集群任務(wù)計算時延的優(yōu)化。5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)也被廣泛用于工業(yè)制造、智慧港口等領(lǐng)域，先后提出將基于5G+MEC的方案用于全場景的高清視頻回傳和視覺智能理貨等業(yè)務(wù)的創(chuàng)新方案[9]，基于定制需求的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)和方案將提升網(wǎng)絡(luò)的彈性和低時延處置能力，在基于5G的邊緣網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建可動態(tài)適配對時延敏感的虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能（virtual network function，VNF），基于就近原則選擇合適的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)單元，從而降低整體網(wǎng)絡(luò)通信時延。Mlika等[10]提出了一種網(wǎng)絡(luò)切片方法，利用連續(xù)時間內(nèi)就近最優(yōu)選擇方法，在邊緣云低時延環(huán)境下保證了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和彈性容錯能力。

當(dāng)前，對5G技術(shù)的探索和創(chuàng)新仍然在持續(xù)，而差異化明顯的工業(yè)垂直領(lǐng)域成為極受歡迎的5G落地驗證場景選擇。在港口領(lǐng)域的業(yè)務(wù)場景內(nèi)，還沒有解決港口現(xiàn)場業(yè)務(wù)的統(tǒng)一通信問題，本文主要提出了一種基于5G邊緣云的港口統(tǒng)一通信架構(gòu)解決方案，并通過實際數(shù)據(jù)進(jìn)行方案可行性驗證。

1 港口通信研究現(xiàn)狀

作為港口建設(shè)發(fā)展的核心支撐能力之一，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)正在逐步深入港口的各項核心業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)通信為港口向智能化、數(shù)字化、高效協(xié)同化的發(fā)展提供了連接基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的港口面臨工作環(huán)境差、碼頭前沿固定移動設(shè)備等多業(yè)務(wù)同時工作帶來的電磁干擾、運營效率深度依賴基于經(jīng)驗的判斷、現(xiàn)場通信形成數(shù)據(jù)“孤島”等瓶頸問題。隨著5G技術(shù)和垂直應(yīng)用的持續(xù)演進(jìn)與探索，集卡運輸、大型機械裝卸、集裝箱理貨、堆場巡檢等業(yè)務(wù)將逐步向數(shù)字化、智能化、智慧化轉(zhuǎn)型，但是仍然沒有解決統(tǒng)一通信問題。雖然當(dāng)前港口已經(jīng)運用Wi-Fi、光纖、RTK、4G等通信方式，但是各項業(yè)務(wù)場景的通信受基礎(chǔ)通信設(shè)施鋪設(shè)、終端通信異構(gòu)等限制，無法實現(xiàn)統(tǒng)一通信的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。

1.1 港口發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，世界各大港口都已開始探索向下一代港口轉(zhuǎn)變。一些先進(jìn)港口，如德國漢堡港、荷蘭鹿特丹港、新加坡港都在積極探索與實踐。全球智慧港口發(fā)展已經(jīng)呈現(xiàn)向港口運營智慧化、港口物流供應(yīng)鏈協(xié)同化、港口貿(mào)易便利化、數(shù)據(jù)服務(wù)場景化、港口業(yè)態(tài)開放化、生態(tài)圈和諧化趨勢演進(jìn)[11]，港口的數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要先進(jìn)信息技術(shù)的融合，結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、高速通信網(wǎng)絡(luò)、智能計算等技術(shù)手段，強化碼頭現(xiàn)場平面運輸作業(yè)、堆場管理與調(diào)度作業(yè)、道口進(jìn)出管理等的自動化、數(shù)字化控制?；跀?shù)字孿生、數(shù)據(jù)分析、AI學(xué)習(xí)等新興技術(shù)的定制化場景應(yīng)用，融合以5G網(wǎng)絡(luò)為典型通信基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)布局，對港口作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析和預(yù)測，為港口生產(chǎn)力的提升提供最優(yōu)方案。

網(wǎng)絡(luò)通信能力的建設(shè)是基于場景應(yīng)用需求逐步建立的，港口典型的應(yīng)用場景包括岸橋裝卸貨、水平運輸、堆場管理、進(jìn)出港關(guān)卡等，港口區(qū)域內(nèi)作業(yè)環(huán)境十分復(fù)雜，各類大型機械設(shè)備協(xié)作情況較多，因此，統(tǒng)一通信的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力建設(shè)已經(jīng)成為推動智慧港口發(fā)展的關(guān)鍵因素。隨著超大型綜合港口的不斷整合，港口管理模式呈現(xiàn)集團(tuán)化、多港口、多業(yè)態(tài)、港城數(shù)據(jù)聯(lián)動等特點，涉及的業(yè)務(wù)環(huán)境復(fù)雜、管理難度大，信息化平臺建設(shè)無法滿足集團(tuán)化管控、港口業(yè)務(wù)創(chuàng)新發(fā)展的需求；業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)和先進(jìn)的裝卸設(shè)備自動控制系統(tǒng)缺乏深度融合，造成各系統(tǒng)發(fā)展水平不一；先進(jìn)的硬件設(shè)備、滯后的管理體系與管理信息系統(tǒng)無法有效融合，嚴(yán)重制約了智慧港口的整體建設(shè)，效率與效益無法有效達(dá)成；多數(shù)港口企業(yè)形成了以碼頭公司為單位的部門級應(yīng)用和數(shù)據(jù)，信息化管理條塊分割，缺乏整體性、系統(tǒng)性，各系統(tǒng)功能模塊之間彼此關(guān)聯(lián)少，信息“孤島”現(xiàn)象嚴(yán)重。

中國作為世界港口吞吐量領(lǐng)先的國家，港口的發(fā)展對經(jīng)濟的影響舉足輕重，智慧港口的建設(shè)已經(jīng)成為國家重要戰(zhàn)略之一。作為連接水路運輸與陸地運輸?shù)年P(guān)鍵樞紐節(jié)點，港口的自動化、數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的核心是港口生產(chǎn)作業(yè)和管理在5G等新型信息技術(shù)的推動下的深度重塑。通過不斷將大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能等新技術(shù)應(yīng)用于港口生產(chǎn)和管理，引導(dǎo)自動化集裝箱碼頭、堆場庫場改造，推動港口建設(shè)養(yǎng)護(hù)運行全過程、全周期數(shù)字化，加快港站智能調(diào)度、設(shè)備遠(yuǎn)程操控、智能安防預(yù)警和港區(qū)自動駕駛等綜合應(yīng)用，已經(jīng)成為智慧港口的關(guān)鍵實施路徑。

5G通信技術(shù)的先進(jìn)性對以港口場景為典型的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用演進(jìn)產(chǎn)生了重要影響。在港口轉(zhuǎn)型升級關(guān)鍵階段上，5G通信以多頻組網(wǎng)全覆蓋、大帶寬、低時延、高可靠的無線傳輸技術(shù)優(yōu)勢，為海量數(shù)據(jù)采集、多類復(fù)雜業(yè)務(wù)協(xié)同、多要素數(shù)據(jù)互通、數(shù)據(jù)安全保護(hù)提供了技術(shù)可行性，推動結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、AI等新技術(shù)在典型核心業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的融合應(yīng)用水平提升。5G網(wǎng)絡(luò)部署結(jié)合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)對港口作業(yè)車輛、船舶、港口作業(yè)機械設(shè)備上的全面信息進(jìn)行全要素的自動感知與分析，在水平運輸業(yè)務(wù)的無人駕駛集卡、垂直裝卸業(yè)務(wù)的遠(yuǎn)程控制、堆場作業(yè)智能化理貨等關(guān)鍵業(yè)務(wù)上，5G技術(shù)提供了基于高清視頻回傳的遠(yuǎn)程設(shè)備運維、基于人工智能的低時延自動化遠(yuǎn)程控制等應(yīng)用創(chuàng)新，如集卡定位、無人駕駛自動導(dǎo)引車（automated guided vehicle，AGV）車路協(xié)同、基于大規(guī)模數(shù)據(jù)采集與建模的高精度三維空間可視化管理等，助力智慧港口自動化垂直裝卸與水平運輸體系協(xié)同，實現(xiàn)港口作業(yè)流程自動化、智慧化，在提高港口運轉(zhuǎn)效率的同時降低整體作業(yè)能耗，顯著提升港口的競爭力。

1.2 港口通信需求

傳統(tǒng)港口存在多種業(yè)務(wù)形態(tài)，包括港機設(shè)備的可靠控制、無人集卡的可靠控制、堆場的調(diào)度、辦公流轉(zhuǎn)等，類型復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)需求多樣化。其與一般公網(wǎng)業(yè)務(wù)最大的區(qū)別在于，智慧港口的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與部署具有非常強的高度定制化需求，在不同貨種的作業(yè)場景下，對網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、時延、可靠性、安全性以及傳輸帶寬等方面能力，需求差異很大。

目前，港口無線數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)主要采用400 MHz窄帶數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、2.4 GHz無線局域網(wǎng)絡(luò)、分時長期演進(jìn)（time division long term evolution，TD-LTE）寬帶集群通信網(wǎng)絡(luò)，其中400 MHz窄帶數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用封閉技術(shù)，正逐步淘汰；2.4 GHz無線局域網(wǎng)絡(luò)受其技術(shù)特性影響，存在覆蓋差、信號抗干擾差、承載業(yè)務(wù)有限、維護(hù)成本高等問題；TD-LTE寬帶集群通信網(wǎng)絡(luò)可解決智慧港區(qū)大部分的無線數(shù)據(jù)傳輸需求，但由于帶寬限制，其無法滿足智慧港口無人駕駛集卡、機械設(shè)備遠(yuǎn)程控制等大帶寬、低時延的無線數(shù)據(jù)傳輸需求。

網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)作為智慧港口的基礎(chǔ)支撐之一，存在以下6個特征。

? 港口業(yè)務(wù)種類復(fù)雜：涵蓋了從傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)到自動駕駛/靠泊、遠(yuǎn)程操作、車路協(xié)同等特殊行業(yè)應(yīng)用。

? 港口環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾多：港口大型機械較多，且移動機械需要進(jìn)行運輸作業(yè)，貨物移動等易形成強電磁干擾，導(dǎo)致通信不穩(wěn)定。

? 網(wǎng)絡(luò)覆蓋鋪設(shè)困難：光纖通信必須在碼頭建設(shè)時專門設(shè)計、敷設(shè)與設(shè)備對接的地下通信管網(wǎng)，而且光纖通信方式在移動設(shè)備上需要設(shè)計專門的隨動機構(gòu)，又會造成設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造、運行和維護(hù)的成本比較高，另外，近海作業(yè)區(qū)最易受到海潮影響，不適合大面積鋪設(shè)線路，在海風(fēng)影響下，作業(yè)區(qū)不允許架空線路。

? 通信需求差異大：不同的港口業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的覆蓋需求、時延需求、帶寬需求和可靠性需求等存在較大的動態(tài)范圍。

? 組網(wǎng)要求復(fù)雜：港口的組網(wǎng)包括固定和移動網(wǎng)絡(luò)的共存、生產(chǎn)網(wǎng)和辦公網(wǎng)的隔離、局域和廣域網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同，以及傳統(tǒng)多制式接入業(yè)務(wù)的兼容問題。

? 參與通信的主體復(fù)雜[3]：參與的主體包括各種人（作業(yè)、駕駛、管理）、車（AGV、自動港口集卡、傳統(tǒng)物流卡車）、船、岸橋、集裝箱、堆場、閘口、港口內(nèi)部封閉路、辦公管理中心、路邊/岸邊基礎(chǔ)設(shè)施（感知系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控）、自動巡檢設(shè)備（攝像頭、無人機）等。

港口網(wǎng)絡(luò)部署局域化不同于公共網(wǎng)絡(luò)廣范圍覆蓋的需求，港口行業(yè)用戶對網(wǎng)絡(luò)覆蓋的需求聚焦在局部區(qū)域，例如在智能港口領(lǐng)域，港口的地理位置偏遠(yuǎn)，占地面積廣，需要對吊車作業(yè)區(qū)域進(jìn)行針對性的網(wǎng)絡(luò)覆蓋與優(yōu)化。同時智慧港口作業(yè)效率是關(guān)鍵，岸橋裝卸區(qū)和堆場區(qū)的遠(yuǎn)程作業(yè)對無線網(wǎng)絡(luò)的時延要求極為苛刻，大約為20 ms，而公網(wǎng)發(fā)生斷連、擁塞會對港口的生產(chǎn)效率產(chǎn)生影響。通過在港區(qū)范圍內(nèi)部署專網(wǎng)對所有生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行重點覆蓋的方式，保障港區(qū)數(shù)據(jù)安全、降低數(shù)據(jù)傳輸時延，提高港口的調(diào)度能力及運輸效率。港口網(wǎng)絡(luò)部署難點主要包括以下5個方面。

（1）部署環(huán)境惡劣

港口港機遠(yuǎn)控、智能理貨、無人集卡等業(yè)務(wù)的視頻數(shù)據(jù)對上行大帶寬要求較高，單用戶要求為20～30 Mbit/s；單小區(qū)用戶數(shù)量較多，各類業(yè)務(wù)終端數(shù)可能超過15臺，單小區(qū)上行容量逼近1 Gbit/s。為了滿足行業(yè)應(yīng)用的上行大帶寬訴求，最簡單直接的辦法就是改變當(dāng)前5G 時分雙工（time division duplexing，TDD）系統(tǒng)中的時隙配比。目前5G主流時隙配比為8D2U和7D3U等，分配的下行資源遠(yuǎn)高于上行。若改變時隙配比，將更多的資源分配給上行，就可以提升上行峰值速率和容量。

（2）移動設(shè)備跨區(qū)作業(yè)信號無縫切換

在多個基站切換，導(dǎo)軌長度超過400 m的情況下，工作人員反饋切換基站會帶來網(wǎng)絡(luò)抖動的問題，要求滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)抖動可控的需求，否則影響生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)。采用700 MHz基站實現(xiàn)廣域及深度覆蓋，可避免基站切換。

（3）高遮擋密集信號覆蓋

在集裝箱堆高的情況下，例如，5層集裝箱堆疊下，金屬遮擋導(dǎo)致5G信號出現(xiàn)盲點，3.5 GHz和2.6 GHz基站都有該問題，使用700 MHz基站則盲點大幅減少。700 MHz由于頻譜低、波長大、覆蓋遠(yuǎn)、深度覆蓋能力強，適用于高遮擋密集信號覆蓋場景。同時使用3.3 GHz NR進(jìn)行補盲，與700 MHz網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，形成多層立體覆蓋網(wǎng)絡(luò)。

（4）網(wǎng)絡(luò)安全

港口網(wǎng)絡(luò)安全要求明確且嚴(yán)格，需要確保生產(chǎn)數(shù)據(jù)不出網(wǎng)，確保生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)可管可控可自運營。

（5）集團(tuán)管理、碼頭作業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)用戶服務(wù)協(xié)同

港口業(yè)務(wù)種類等級要求多，需要對辦公、生產(chǎn)、視頻網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行隔離，因此對港口網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一承載提出挑戰(zhàn)，需要兼顧無線5G/萬兆主備冗余組網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要向小型化演進(jìn)，向邊緣側(cè)集合，在現(xiàn)場的終端盡量減少。

2 基于5G邊緣云的港口統(tǒng)一通信方案

基于5G邊緣云的港口統(tǒng)一通信需要融合現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，構(gòu)建統(tǒng)一的有線無線融合接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和邊緣云功能業(yè)務(wù)平臺，實現(xiàn)在港口范圍內(nèi)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，統(tǒng)一管理和運維，多頻組網(wǎng)環(huán)境下港口全域覆蓋、低時延網(wǎng)絡(luò)無縫切換，多模多網(wǎng)冗余安全備份，實現(xiàn)各類遠(yuǎn)控業(yè)務(wù)、視頻監(jiān)控、堆場作業(yè)調(diào)度等場景的全數(shù)據(jù)可靠傳輸。港口5G邊緣云平臺能夠靈活組合可彈性擴展的業(yè)務(wù)組件，實現(xiàn)對各類港口業(yè)務(wù)的智能分析與預(yù)測，對港口辦公、作業(yè)業(yè)務(wù)、監(jiān)控視頻等多種網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)切片管理，滿足港口大型作業(yè)機械遠(yuǎn)程控制與多路視頻監(jiān)控回傳等的高效、可靠傳輸需求，對岸橋遠(yuǎn)控、軌道吊遠(yuǎn)控、無人駕駛運輸、可視化實時運維等集裝箱碼頭主要業(yè)務(wù)的高性能網(wǎng)絡(luò)傳輸升級，助力建設(shè)性能強大（支持千萬級箱量）、功能適度超前、可靈活定制拓展、運行穩(wěn)定且能滿足自動化、半自動化改造需求的超大型綜合港口數(shù)字化、智能化統(tǒng)一通信方案。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

實現(xiàn)港口5G邊緣云統(tǒng)一通信，以及邊緣側(cè)業(yè)務(wù)處理實時化、數(shù)據(jù)處理本地化、信息交換高效化，需要對MEC本地分流、5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)、多頻組網(wǎng)、5G多載波聚合、高精度時空同步等技術(shù)進(jìn)行分析。

（1）MEC本地分流

面向邊緣計算的MEC本地分流技術(shù)，與5G網(wǎng)絡(luò)去中心化的特征吻合，通過本地分流來降低時延，在降低帶寬資源的情況下，滿足港口場景下的遠(yuǎn)程控制、智能理貨等低時延業(yè)務(wù)操作要求，同時將原本在云端才能具備的計算能力下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣位置，在靠近現(xiàn)場側(cè)實現(xiàn)統(tǒng)一的邊緣接入?yún)R聚。通過將滿足業(yè)務(wù)過濾規(guī)則的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到指定路徑的上行分流方法[12]，主要考慮動態(tài)負(fù)載、相對靜態(tài)容量、UPF位置、會話類型等因素，在邊緣云架構(gòu)內(nèi)為數(shù)據(jù)動態(tài)或者半動態(tài)地選擇UPF本地分流策略，縮短了傳輸時延，提高了傳輸效率。在靠近碼頭用戶側(cè)的港區(qū)應(yīng)用MEC本地分流技術(shù)，部署MEC服務(wù)平臺，從而滿足港口數(shù)據(jù)不出港和時延要求。港內(nèi)大型機械與設(shè)備的控制和作業(yè)需要海量視頻數(shù)據(jù)回傳和低時延控制指令下達(dá)，港口的垂直裝卸與水平運輸業(yè)務(wù)根據(jù)碼頭貨種的不同存在一定的差異化網(wǎng)絡(luò)需求，港口機械設(shè)備（如岸橋、軌道吊、龍門吊等設(shè)備）的遠(yuǎn)程操作與集卡、AGV的遠(yuǎn)程駕駛、操控中心對設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問與指令下達(dá)都對數(shù)據(jù)流量提出了資源調(diào)度需求，MEC將傳統(tǒng)的核心網(wǎng)UPF進(jìn)行本地分流，按需接入港口的運營系統(tǒng)，如航空站運營系統(tǒng)（terminal operation system，TOS）、設(shè)備控制系統(tǒng)（equipment control system，ECS）、船舶監(jiān)控系統(tǒng)（vessel monitoring system，VMS）以及外聯(lián)的政府應(yīng)用系統(tǒng)。MEC本地分流可以采用虛擬和容器方式來分流來自不同應(yīng)用的差異化數(shù)據(jù)服務(wù)，并且實現(xiàn)本地不同MEC服務(wù)的相互備份與容災(zāi)。

另外，在工業(yè)場景需求下，基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined network，SDN）的本地分流技術(shù)可以快速使應(yīng)用由終端移動性引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓痆13]，保證業(yè)務(wù)連續(xù)性，基于5G邊緣云的港口統(tǒng)一通信架構(gòu)設(shè)計，MEC本地分流的本質(zhì)就是實現(xiàn)ICT融合，根據(jù)感知到的網(wǎng)絡(luò)接入點的變化動態(tài)生成最優(yōu)路由轉(zhuǎn)發(fā)策略，通過邊緣應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方式，靈活選擇合適的算力位置，合理調(diào)度算力資源，動態(tài)配置UPF網(wǎng)元，最終實現(xiàn)業(yè)務(wù)、連接和服務(wù)的最優(yōu)配置。

（2）5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)具有解決端到端問題的特定網(wǎng)絡(luò)能力，提供了網(wǎng)絡(luò)資源的靈活分配、網(wǎng)絡(luò)能力的彈性擴展，采用基于QoS機制的業(yè)務(wù)等級區(qū)分方式，提供面向工業(yè)、港口等領(lǐng)域區(qū)分大帶寬視頻回傳業(yè)務(wù)、低時延PLC控制業(yè)務(wù)等差異化服務(wù)的固移協(xié)同組網(wǎng)的技術(shù)保障5G網(wǎng)絡(luò)切片通常可以分為軟切片和硬切片兩種方式[14]，軟切片一般通過設(shè)置優(yōu)先級來搶占共享資源，從而實現(xiàn)調(diào)度的邏輯隔離；硬切片一般通過對資源隔離、專用調(diào)度預(yù)留等方式的實現(xiàn)物理隔離，通過切片標(biāo)識的虛擬局域網(wǎng)（virtual local area network，VLAN）映射實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)隔離，實現(xiàn)多種接入類型互通的組網(wǎng)方式。面向港口統(tǒng)一通信的5G切片技術(shù)，通過組合調(diào)度策略來規(guī)定不同業(yè)務(wù)的調(diào)度優(yōu)先級，可以以港口業(yè)務(wù)劃分對網(wǎng)絡(luò)通信的切片策略，例如在集裝箱碼頭以岸橋、軌道吊、輪胎吊、無人集卡、AGV等大型機械為主要設(shè)備的高精度控制與定位切片，直接影響碼頭裝卸和水平運輸周轉(zhuǎn)效率，進(jìn)而影響對碼頭前端作業(yè)現(xiàn)場的多泊位、多機械協(xié)同工作的整體調(diào)度控制，這一部分的網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)對帶寬、時延、丟包、抖動敏感問題，需要提供最高優(yōu)先級的調(diào)度保障；對于大型機械的遠(yuǎn)程維護(hù)，港口手持終端的集群對講通信在一定程度上關(guān)系到前端現(xiàn)場與后端堆場、操控中心的工作效率，也應(yīng)分配較高優(yōu)先級的網(wǎng)絡(luò)通信保障；港口日常監(jiān)控安防視頻、辦公系統(tǒng)通信、閘口管理系統(tǒng)等對優(yōu)先級和實時性的敏感性相對較低?；?G切片策略，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)端到端切片，為港口重要作業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用構(gòu)建邏輯通道傳輸，進(jìn)而實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、視頻網(wǎng)數(shù)據(jù)、辦公網(wǎng)、外部公網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全隔離，提升整體網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?/p>

（3）多頻組網(wǎng)

多頻組網(wǎng)不僅可以提升網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋，還能夠降低互操作帶來的業(yè)務(wù)感知時延[15]，高低頻協(xié)同在工業(yè)場景的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能提升廣度覆蓋和深度覆蓋，實現(xiàn)廣域區(qū)域的連續(xù)覆蓋。當(dāng)前，5G頻譜的分配包括：中國移動獲得2 515～2 675 MHz共160 MHz，頻段號為n41，以及4 800～4 900 MHz共100 MHz，頻段號為n79；中國聯(lián)通獲得3 500～ 3 600 MHz 共100 MHz，頻段號為n78；中國電信獲得3 400～3 500 MHz共100 MHz，頻段號為n78；中國廣電獲得703～733 MHz、758～788 MHz頻段、4.9 GHz實驗頻譜，以及中國電信、中國聯(lián)通、中國廣電共同使用3 300～3 400 MHz頻段用于5G室內(nèi)覆蓋。根據(jù)場景需求，對場景內(nèi)容量和建筑物類型進(jìn)行綜合分析，低頻段可以進(jìn)行廣域覆蓋，提供覆蓋基礎(chǔ)，高頻段進(jìn)行深度熱點補盲覆蓋。在港口構(gòu)建基于5G技術(shù)的自動化碼頭，首先應(yīng)實現(xiàn)通信全域覆蓋，主要覆蓋岸橋、AGV運輸車、軌道吊、周邊辦公樓、輔建區(qū)等區(qū)域，可以采用5G宏基站與微基站結(jié)合的錯頻組網(wǎng)覆蓋規(guī)劃部署方法。

（4）5G多載波聚合

作為5G網(wǎng)絡(luò)性能增強的關(guān)鍵技術(shù)之一，多載波聚合技術(shù)可以將多個不同的頻段進(jìn)行整合，靈活按需地使用連續(xù)或非連續(xù)的頻譜，將帶寬擴展到滿足工業(yè)場景需求，用多頻譜結(jié)合提升上下行覆蓋均衡能力。在碼頭作業(yè)中，低時延的遠(yuǎn)程控制和視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控的作業(yè)任務(wù)對網(wǎng)絡(luò)上下行帶寬和時延提出要求，5G時頻多載波聚合技術(shù)將多個不同的頻段進(jìn)行整合，靈活地使用連續(xù)或非連續(xù)的頻譜，將帶寬擴展到100 MHz甚至更多，利用頻分多工（frequency division duplexing，F(xiàn)DD）和TDD頻譜結(jié)合提升上下行覆蓋均衡能力，提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)時延可靠性，實現(xiàn)視頻傳輸上行帶寬承載以及遠(yuǎn)程控制命令反饋的低時延下行傳輸。

（5）高精度時空同步

在5G通信中，高精度時空同步技術(shù)通過采用共視法和高精度地基授時系統(tǒng)專用光纖網(wǎng)絡(luò)參考源，提供了時頻一體化支撐網(wǎng)并對5G網(wǎng)絡(luò)中的重點節(jié)點進(jìn)行時頻檢測支撐[16]，5G網(wǎng)絡(luò)對時間同步的精度和可靠性均提出新的要求，現(xiàn)有的地面高精度時間同步技術(shù)主要為基于1588v2[17]的時間同步網(wǎng)絡(luò)，可以滿足5G無線業(yè)務(wù)基本的±1.5 μs精度要求，但是100 ns甚至10 ns量級的同步需求則需要新的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)支撐。要實現(xiàn)高精度時間同步需要從同步源到末端進(jìn)行端到端的提升優(yōu)化，采用多種技術(shù)手段共同提升同步精度、同步網(wǎng)快速部署和智能管理能力，其中的主要關(guān)鍵技術(shù)有高精度同步源技術(shù)、高精度同步傳送技術(shù)、高精度同步監(jiān)測技術(shù)、智能時鐘運維技術(shù)等。高精度時空同步技術(shù)在智慧港口的自動化系統(tǒng)中提供了精準(zhǔn)的位置信息，從而提升了港口作業(yè)效率和智慧化水平[18]。

2.2 面向港口場景的5G邊緣云方案架構(gòu)

港口5G邊緣云統(tǒng)一通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示，通過5G+MEC設(shè)計，對港口現(xiàn)場全域各類要素實現(xiàn)全面感知，支撐自動化生產(chǎn)作業(yè)及碼頭自動化運營管理，將流量卸載到港口本地網(wǎng)絡(luò)，下沉式處理各類生產(chǎn)管理系統(tǒng)、作業(yè)設(shè)備系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)，以集中一體的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)平臺為垂直業(yè)務(wù)提供高可靠、強性能、易部署的專網(wǎng)承載，滿足在實時、智能、安全與隱私保護(hù)等方面的要求，顯著提高港口作業(yè)自動化水平和數(shù)據(jù)安全性。每個碼頭使用MEC 邊緣云對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，可以將數(shù)據(jù)按需傳遞給碼頭云（碼頭各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)部署位置），向上連接集團(tuán)數(shù)據(jù)中心，將碼頭——MEC邊緣云作為分中心并且在碼頭備份MEC，在集團(tuán)位置部署MEC中心節(jié)點及其備份。集團(tuán)中心節(jié)點MEC連接各個碼頭的分中心節(jié)點MEC。系統(tǒng)服務(wù)器采用集中式部署模式，實行數(shù)據(jù)集中管理。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器均架設(shè)在信息部門，由IT人員進(jìn)行統(tǒng)一的管理，用戶通過內(nèi)網(wǎng)訪問，達(dá)到實時共享數(shù)據(jù)、提高網(wǎng)絡(luò)安全整體水平、降低系統(tǒng)部署復(fù)雜度的目的。

圖1 港口5G邊緣云統(tǒng)一通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖2 港口5G邊緣云異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一通信架構(gòu)

本方案充分利用邊緣節(jié)點的動態(tài)資源，將具有存儲和計算資源的MEC節(jié)點部署在接入網(wǎng)內(nèi)，為各類現(xiàn)場接入終端、設(shè)備提供具有彈性的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。港口5G邊緣云異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一通信架構(gòu)如圖2所示，港口各類碼頭現(xiàn)存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如以太網(wǎng)、RFID、RTK定位、4G、IoT專網(wǎng)等統(tǒng)一接入5G邊緣云內(nèi)，形成數(shù)據(jù)的統(tǒng)一匯聚和處理，充分將控制功能下沉到邊緣云內(nèi)，MEC可以部署在碼頭現(xiàn)場，也可以部署在數(shù)據(jù)中心，通過邊緣交換機或者匯聚交換機進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問與交換。通過對基于業(yè)務(wù)差異的辦公網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)控制網(wǎng)絡(luò)、人員通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切片隔離，保證數(shù)據(jù)通信不被干擾和通信安全。

本方案構(gòu)建基于5G邊緣云的超大型綜合港口統(tǒng)一通信網(wǎng)絡(luò)，需結(jié)合現(xiàn)有有線、LTE網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，通過 5G宏基站立體組網(wǎng)、MEC多邊接入與本地分流、網(wǎng)絡(luò)切片、多載波聚合等關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建一張廣覆蓋、大容量、高可靠的有線無線融合網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多模多網(wǎng)冗余，保障在網(wǎng)絡(luò)任何單節(jié)點故障或者連接不通時，碼頭業(yè)務(wù)能正常運行，收發(fā)控制信號和數(shù)據(jù)不丟失。因此，本方案具備以下3個特征。

（1）異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)固移融合承載

本方案在港口原有承載網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上通過分層部署E-MEC設(shè)備（碼頭部署分節(jié)點，集團(tuán)部署中心節(jié)點），實現(xiàn)固移融合接入和統(tǒng)一承載。確保可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的平滑升級，滿足各類業(yè)務(wù)發(fā)展需求，同時可保證后續(xù)有計劃、有步驟地向IPv6升級演進(jìn)。通過IP承載網(wǎng)集中統(tǒng)一規(guī)劃和建設(shè)，采用全網(wǎng)統(tǒng)一技術(shù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)策略、路由策略、技術(shù)選擇和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一致性。IP承載網(wǎng)在保證網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次化的同時，采用大容量和高密度的設(shè)備以減少網(wǎng)絡(luò)端到端的跳數(shù)。

（2）邊云協(xié)同架構(gòu)

港口業(yè)務(wù)復(fù)雜，在實現(xiàn)有線無線融合組網(wǎng)的同時，還需要兼顧網(wǎng)絡(luò)自動化改造、超大型綜合管理平臺的網(wǎng)絡(luò)支撐能力，支持碼頭智能化數(shù)字化演進(jìn)，以低成本方案的技術(shù)路線演進(jìn)。每個碼頭部署E-MEC分節(jié)點，E-MEC分節(jié)點主要提供邊緣通信、邊緣業(yè)務(wù)、邊緣存儲、邊緣智能四大功能。各碼頭同時部署主備E-MEC分中心進(jìn)行冗余保護(hù)。在集團(tuán)位置部署E-MEC中心節(jié)點，同時部署主備E-MEC中心節(jié)點進(jìn)行冗余保護(hù)。E-MEC節(jié)點部署UCMO統(tǒng)一通信管理編排器，負(fù)責(zé)各類資源整體分配優(yōu)化。

（3）廣覆蓋頻譜選擇

本方案通過低頻譜（700 MHz 頻段）進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，700 MHz由于頻譜低、波長大、覆蓋遠(yuǎn)、深度覆蓋能力強，適合作為大面積網(wǎng)絡(luò)覆蓋，組網(wǎng)成本最低。700 MHz將在mMTC和URLLC場景發(fā)揮作用。700 MHz廣覆蓋的低頻組網(wǎng)形態(tài)通過采用獨立（standalone，SA）組網(wǎng)支撐全業(yè)務(wù)服務(wù)。

2.3 港口5G邊緣云關(guān)鍵功能

面向港口統(tǒng)一通信的5G邊緣云的核心是實現(xiàn)在港口復(fù)雜環(huán)境下的通信感知融合，將5G通信和泛在感知IoT統(tǒng)一接入，形成港口超融合通信網(wǎng)絡(luò)。港口5G邊緣云功能架構(gòu)如圖3所示，邊緣云的主要功能包括控制面功能、管理面功能、數(shù)據(jù)面功能、互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、安全管理功能、統(tǒng)一通信編排器六大功能模塊。

圖3 港口5G邊緣云功能架構(gòu)

港口5G邊緣云的主要功能設(shè)計如下。

（1）控制面功能：基于云原生和SBA服務(wù)化架構(gòu)，并承載虛擬網(wǎng)元下沉，控制面功能使用輕量化接口通信，實現(xiàn)云邊功能的解耦，完成5G邊緣云的高效化、軟件化、開放化快速接入和業(yè)務(wù)本地分流，并支持依據(jù)切片需求進(jìn)行跨分布式部署。

（2）管理面功能：主要針對邊緣云中南向接入的設(shè)備信息管理的獲取和轉(zhuǎn)發(fā)，從而有效對靈活組網(wǎng)進(jìn)行管理和控制。通過對接入邊緣云的感知層設(shè)備的統(tǒng)一管理，對虛擬化資源和非虛擬化資源的拓?fù)?、性能、警告等進(jìn)行監(jiān)控。

（3）數(shù)據(jù)面功能：借助網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化與容器化技術(shù)，在邊緣云服務(wù)器內(nèi)部配置虛擬化UPF網(wǎng)元，支持3GPP定義的N3、N4、N6、N9接口的協(xié)議及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

（4）互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)：用于連接外部網(wǎng)絡(luò)，包括數(shù)據(jù)中心、中心云或其他相關(guān)機構(gòu)，通過支持多種傳輸協(xié)議兼容，減輕路由器轉(zhuǎn)發(fā)負(fù)載。

（5）安全管理功能：網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)安全隔離策略應(yīng)用和功能部署，對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)的硬件、軟件及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。

（6）統(tǒng)一通信編排器：對業(yè)務(wù)進(jìn)行靈活管制、協(xié)同調(diào)度、彈性編排和負(fù)載均衡等策略實施，與中心云交互基于機器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練推演模型，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的最優(yōu)自動化編排管理。

2.4 網(wǎng)絡(luò)性能關(guān)鍵指標(biāo)規(guī)劃

基于前期研究工作中對港口網(wǎng)絡(luò)通信的性能需求分析，對港口網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)維度和考量方式進(jìn)行設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)及要求見表1。

表1 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)及要求

3 港口場景下的5G邊緣云實現(xiàn)驗證

3.1 場景描述

根據(jù)上述基于5G邊緣云的港口統(tǒng)一通信方案設(shè)計思路，選取某港口集裝箱碼頭堆場圍繞港口5G邊緣云的功能和穩(wěn)定性進(jìn)行實踐驗證。某港口集裝箱碼頭的堆場形狀如圖4所示，基本上是一個矩形，長約3 200 m，寬約800 m，集裝箱最高堆高為15 m。某港口集裝箱碼頭目前有橋吊、輪胎吊、集卡拖車等大型機械協(xié)同作業(yè)，現(xiàn)場電磁環(huán)境干擾以及高遮擋干擾情況較嚴(yán)重，現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)主要由2.4 GHz、5.8 GHz Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)以及千兆以內(nèi)的數(shù)字集群通信系統(tǒng)組成，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)存在易受外部干擾、支持并發(fā)用戶容量低、覆蓋范圍受限等通信瓶頸，導(dǎo)致人員通信、設(shè)備指令數(shù)據(jù)傳輸并不穩(wěn)定，難以滿足大型集裝箱碼頭全域作業(yè)在碼頭裝卸、水平運輸、堆場堆存作業(yè)等多個環(huán)節(jié)的信息自動采集和集成控制的數(shù)據(jù)信息實時傳輸需求，從而對碼頭作業(yè)效率產(chǎn)生影響。相較于新建的集裝箱碼頭，傳統(tǒng)集裝箱碼頭中的大多數(shù)岸橋、場橋仍需要人員在現(xiàn)場高空作業(yè)，雖然已經(jīng)有一部分光纖、波導(dǎo)管等通信方案被提出，但是升級改造成本高、對設(shè)備本身PLC控制系統(tǒng)的通信模塊改造難度高，非授權(quán)頻譜帶寬受限，靈活性差，可靠性、時延、速率等網(wǎng)絡(luò)性能較差，無法滿足碼頭向自動化作業(yè)改造轉(zhuǎn)型的發(fā)展需求。

本文選取5G 700 MHz 頻段作為測試頻段，使用1臺700 MHz宏基站，由于測試現(xiàn)場700 MHz 尚未清頻，本次驗證開通了5 MHz NR帶寬，某港口集裝箱碼頭的堆場形狀如圖4所示，在測試點位置部署1 套邊緣云設(shè)備，以及1臺輔助驗證的5G手持終端，通過連接現(xiàn)場作業(yè)設(shè)備，開展對本文提出的5G邊緣云架構(gòu)下的數(shù)據(jù)上/下行時延、邊緣云控制面功能、現(xiàn)場信號極遠(yuǎn)點覆蓋能力、邊緣云切換恢復(fù)等維度功能和指標(biāo)測試。

圖4 某港口集裝箱碼頭的堆場形狀

3.2 方案驗證與分析

5G邊緣云方案驗證拓?fù)浼軜?gòu)如圖5所示，考慮配置選項、節(jié)點性能和可部署性，邊緣云網(wǎng)絡(luò)可以配置多個UPF，以實現(xiàn)所需容量的彈性擴展，根據(jù)流量類型將流量引導(dǎo)到不同路徑通道，目的是驗證基于上述5G邊緣云方案架構(gòu)下的港口主要機械設(shè)備的遠(yuǎn)程作業(yè)通信指令下發(fā)和作業(yè)視頻回傳、遠(yuǎn)距離5G集群通信覆蓋能力，并對前期4G專網(wǎng)和Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的多個盲區(qū)做了進(jìn)一步的極限測試。驗證方案將5G邊緣云平臺上連港口碼頭云平臺，通過遠(yuǎn)程調(diào)試服務(wù)器配置，對5G邊緣云進(jìn)行動態(tài)管理，將已經(jīng)在集裝箱碼頭現(xiàn)場的5G 基站北向接入5G邊緣云，數(shù)據(jù)指令錨定基站后轉(zhuǎn)發(fā)給5G邊緣云，5G邊緣云通過5G基站對某港口碼頭的5G手持終端以及港口作業(yè)設(shè)備進(jìn)行通信交互。選取碼頭前沿作業(yè)的集群通信終端進(jìn)行5G通信功能改造，用于遠(yuǎn)距離5G集群對講通信驗證，基于現(xiàn)有的港口設(shè)備岸橋的操控系統(tǒng)，通過客戶終端設(shè)備（customer premise equipment，CPE）轉(zhuǎn)接數(shù)據(jù)，進(jìn)行5G通信改造，用來傳輸作業(yè)指令和視頻流拉取驗證，借助超低時延、超大帶寬的5G 通信網(wǎng)絡(luò)對在大型機械上搭載的高清攝像機等輔助設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測試將港機的視頻等信息發(fā)送給碼頭后端的操控指揮室，指揮室通過5G通信網(wǎng)絡(luò)將控制命令下發(fā)給港機系統(tǒng)，實現(xiàn)對港機的遠(yuǎn)程自動化控制和作業(yè)畫面高清視頻監(jiān)控。經(jīng)過5G改造的手持通信終端，通過5G基站將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到5G邊緣云平臺，港口的作業(yè)設(shè)備通過CPE接入5G基站，將通信數(shù)據(jù)傳輸給邊緣云，邊緣云通過5G基站對手持終端、作業(yè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和轉(zhuǎn)發(fā)。

經(jīng)過驗證，本文提出的基于5G邊緣云的統(tǒng)一通信架構(gòu)方案，通過在某港口集裝箱碼頭堆場部署5G+MEC 邊緣云，保障港口核心生產(chǎn)數(shù)據(jù)不出港區(qū)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)本地化運維管理，圍繞MEC方案穩(wěn)定性、5G NR空口能力、5G終端改造的兼容性和集裝箱堆場的5G NR信號覆蓋能力展開分析。主要對4項關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了驗證與分析，包括上/下行時延、5G邊緣云控制面、現(xiàn)場信號極遠(yuǎn)點 3 km覆蓋、系統(tǒng)切換恢復(fù)，具體指標(biāo)見表2。在港口場景下的5G上/下行時延實現(xiàn)了最小時延小于6 ms，主要原因是雖然5G空口時延技術(shù)可以實現(xiàn)最小時延小于1 ms，但是實際應(yīng)用業(yè)務(wù)上線后，網(wǎng)絡(luò)通信時延高低的關(guān)鍵在于網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的時延，通過不斷優(yōu)化通信策略和波頻算法，本方案實測時延小于6 ms，滿足港口大型機械遠(yuǎn)程控制指令下達(dá)對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枨蟆?G邊緣云控制面指標(biāo)主要用于衡量邊緣云整體系統(tǒng)的承載能力，確保用戶面接口具備所需的吞吐量，在港口虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能的復(fù)雜環(huán)境中，對混合類型流量按UE吞吐量進(jìn)行測試，經(jīng)過驗證，實現(xiàn)最高吞吐率為900 Mbit/s，滿足港口大型機械的視頻回傳需求。在方案覆蓋區(qū)域下設(shè)計最遠(yuǎn)點現(xiàn)場信號覆蓋性指標(biāo)，主要考慮作業(yè)堆場和前端碼頭的移動機械（如輪胎吊、集卡司機對講通信等）需要服務(wù)全場跨區(qū)域作業(yè)，系統(tǒng)內(nèi)多用戶干擾將對通信產(chǎn)生一定干擾。分析測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，信號覆蓋強度中等，信號接收質(zhì)量較好（主要受到傳輸距離和范圍內(nèi)其他通信信號以及集裝箱等貨物金屬物質(zhì)遮擋干擾），信噪比較好（主要是由于5G通信中MIMO技術(shù)對干擾進(jìn)行抵消），通過對碼頭極遠(yuǎn)點進(jìn)行測試，室外能夠發(fā)起各種業(yè)務(wù)，可獲得一定速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，基本滿足碼頭跨區(qū)域作業(yè)任務(wù)的對講通信和作業(yè)指令傳輸需求。港口系統(tǒng)面臨著復(fù)雜的業(yè)務(wù)系統(tǒng)協(xié)同工作，系統(tǒng)切換恢復(fù)指標(biāo)作為衡量異常情況下邊緣系統(tǒng)保護(hù)機制的重要指標(biāo)，通過對網(wǎng)絡(luò)連接和安全性接入服務(wù)邊緣化體系進(jìn)行融合及優(yōu)化，實現(xiàn)硬切換恢復(fù)時間均小于5 min，滿足港口碼頭作業(yè)的狀態(tài)保存和功能恢復(fù)需求，以及對邊緣云的用戶變更進(jìn)行狀態(tài)切換的需求，從而提升邊緣與云之間的無縫連通性。5G邊緣云通信指標(biāo)見表2。

圖5 5G邊緣云方案驗證拓?fù)浼軜?gòu)

表2 5G邊緣云通信指標(biāo)

經(jīng)過驗證分析，采用獨立組網(wǎng)模式的港口5G邊緣云統(tǒng)一通信架構(gòu)，將改進(jìn)上行發(fā)射通道，利用5G多頻段基站、超級上行技術(shù)增加上行帶寬，可以將邊緣計算節(jié)點靈活部署在不同的網(wǎng)絡(luò)位置，開展對時延、帶寬有不同需求的邊緣計算業(yè)務(wù)，進(jìn)一步實現(xiàn)面向港口通信的高電磁干擾、遮擋環(huán)境下的5G網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋、低時延傳輸、業(yè)務(wù)高可靠通信、核心數(shù)據(jù)安全可控。

4 結(jié)束語

本文提出的基于5G邊緣云的港口統(tǒng)一通信方案，充分考慮了當(dāng)前港口高遮擋、高電磁環(huán)境干擾等復(fù)雜情況對全連接網(wǎng)絡(luò)覆蓋的限制，通過將港口各類碼頭現(xiàn)存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)包括以太網(wǎng)、RFID、RTK定位、4G、IoT專網(wǎng)等統(tǒng)一接入5G邊緣云內(nèi)，將邊緣側(cè)的網(wǎng)絡(luò)資源充分統(tǒng)一調(diào)度與管理，實現(xiàn)面向港口數(shù)據(jù)邊緣匯聚的有線無線融合網(wǎng)絡(luò)，為港口向自動化、智能化發(fā)展提供了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施支撐?；诜植际降倪吘壴撇渴鸷凸芾?，靈活彈性的組件配置提供了網(wǎng)絡(luò)快速部署，每個邊緣云既可以獨立管理下掛的各類大型機械作業(yè)設(shè)備、通信終端，又可以實現(xiàn)邊緣云間的信息交互?；赟DN的動態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)接入策略，實現(xiàn)港口海量生產(chǎn)作業(yè)等數(shù)據(jù)的本地分流與處置優(yōu)化?；赒oS機制的港口網(wǎng)絡(luò)切片策略將港口生產(chǎn)、辦公、視頻等多類型業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)分與安全隔離，結(jié)合多點備份和多鏈路連接策略，實現(xiàn)基于切片網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)安全運行和多模多網(wǎng)冗余。接下來，5G邊緣云的港口統(tǒng)一通信方案一方面將在差異化性能、多類型業(yè)務(wù)承載、基于AI的智能分析等方向做進(jìn)一步的研究探索，另一方面將在數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建、超大型綜合智能管理平臺等方面做融合演進(jìn)研究。

[1] NOWAK T W, SEPCZUK M, KOTULSKI Z, et al. Verticals in 5G MEC-use cases and security challenges[J]. IEEE Access, 2021(9): 87251-87298.

[2] ROSTAMI A. Private 5G networks for vertical industries: deployment and operation models[C]//Proceedings of 2019 IEEE 2nd 5G World Forum (5GWF). Piscataway: IEEE Press, 2019: 433-439.

[3] IMT-2020(5G)推進(jìn)組. 智慧港口5G專網(wǎng)應(yīng)用白皮書[R]. 2020.

IMT-2020 (5G) Promotion Group. White paper on smart port 5G private network application[R]. 2020.

[4] 董石磊, 趙婧博, 黃鵬. 物流智能倉儲的5G專網(wǎng)性能[J]. 電信科學(xué), 2021, 37(9): 153-158.

DONG S L, ZHAO J B, HUANG P. Performance of logistics intelligent storage scene in 5G private network[J]. Telecommunications Science, 2021, 37(9): 153-158.

[5] 陳俊明, 王岱, 封鐳, 等. 港口5G專網(wǎng)方案探討[J]. 信息通信技術(shù), 2021, 15(5): 71-78.

CHEN J M, WANG D, FENG L, et al. Discussion on 5G NPN solution for port[J]. Information and Communications Technologies, 2021, 15(5): 71-78.

[6] DATTA S K, BONNET C. MEC and IoT based automatic agent reconfiguration in industry 4.0[C]//Proceedings of 2018 IEEE International Conference on Advanced Networks and Telecommunications Systems. Piscataway: IEEE Press, 2018: 1-5.

[7] KHERANI A A, SHUKLA G, SANADHYA S, et al. Development of MEC system for indigenous 5G test-bed[C]//Proceedings of 2021 International Conference on Communication Systems & Networks (COMSNETS). Piscataway: IEEE Press, 2021: 131-133.

[8] 楊術(shù), 陳子騰, 崔來中, 等. 功能分發(fā)網(wǎng)絡(luò): 基于容器的智能邊緣計算平臺[J]. 軟件學(xué)報, 2021, 32(12): 3945-3959.

YANG S, CHEN Z T, CUI L Z, et al. Function delivery network: container-based smart edge computing platform[J]. Journal of Software, 2021, 32(12): 3945-3959.

[9] 李克武. 面向數(shù)字未來的智慧港口建設(shè)方案[J]. 港口科技, 2020(12): 7-9.

LI K W. Smart port construction scheme for the digital future[J]. Port Science & Technology, 2020(12): 7-9.

[10] MLIKA Z, CHERKAOUI S. Network slicing for vehicular communications: a multi-agent deep reinforcement learning approach[J]. Annals of Telecommunications, 2021, 76(9/10): 665-683.

[11] 羅本成. 從新加坡港看全球智慧港口的發(fā)展趨勢[J]. 中國港口, 2020(11): 5-9.

LUO B C. The development trend of global smart ports from the port of Singapore[J]. China Ports, 2020(11): 5-9.

[12] 陳云斌, 王全, 黃強, 等. 5G MEC UPF選擇及本地分流技術(shù)分析[J]. 移動通信, 2020, 44(1): 48-53.

CHEN Y B, WANG Q, HUANG Q, et al. 5G MEC UPF selection and traffic offloading technology analysis[J]. Mobile Communications, 2020, 44(1): 48-53.

[13] 張力方, 程奧林, 趙雪聰, 等. 5G專網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計部署方案研究[J]. 郵電設(shè)計技術(shù), 2021(10): 1-8.

ZHANG L F, CHENG A L, ZHAO X C, et al. Study on key technology of 5G private network and deployment scheme[J]. Designing Techniques of Posts and Telecommunications, 2021(10): 1-8.

[14] 張艷. 基于5G切片專線的組網(wǎng)技術(shù)和實現(xiàn)方法[J]. 電信科學(xué), 2021, 37(10): 143-151.

ZHANG Y. Networking technology and implementation method based on 5G slice private line[J]. Telecommunications Science, 2021, 37(10): 143-151.

[15] 袁滿, 劉曉燕, 王科. 5G多頻段組網(wǎng)和優(yōu)化策略研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2021, 47(10): 16-21.

YUAN M, LIU X Y, WANG K. Research on 5G multiband networking and optimization strategy[J]. Application of Electronic Technique, 2021, 47(10): 16-21.

[16] 胡煜華, 沈文超, 王振華. 5G網(wǎng)絡(luò)時間同步研究[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化, 2021, 34(8): 82-86.

HU Y H, SHEN W C, WANG Z H. Research on clock synchronization in 5G network[J]. Telecom Engineering Technics and Standardization, 2021, 34(8): 82-86.

[17] 盧建福, 程明, 蔣清宏. 1588v2協(xié)議在PTN中的實現(xiàn)[J]. 光通信技術(shù), 2021, 45(9): 59-62.

LU J F, CHENG M, JIANG Q H. Implementation of 1588v2 protocol in PTN[J]. Optical Communication Technology, 2021, 45(9): 59-62.

[18] 王燕偉, 霍思宇, 張瀾. 智慧港口高精度定位技術(shù)的應(yīng)用討論[J]. 郵電設(shè)計技術(shù), 2021(7): 55-60.

WANG Y W, HUO S Y, ZHANG L. Discussion on application of high-precision positioning technology for smart ports[J]. Designing Techniques of Posts and Telecommunications, 2021(7): 55-60.

Research and practice of 5G edge cloud based port unified communication scheme

NING Yan1, ZHANG Lei2, LU Xiaoyuan1

1. Shanghai Engineering Research Center for Broadband Technologies and Applications, Shanghai 200436, China2. Qingdao Port International Co., Ltd., Qingdao 266011, China

With the advantages of distribution, flexible networking, rapid deployment, and local data offloading, 5G edge cloud has a wide range of application prospects in the vertical industrial field such as ports, and also puts forward certain requirements for the realization of unified communications in ports. On the basis of studying the unified communication architecture of ports based on 5G edge cloud, a functional framework of the 5G edge cloud that realized a comprehensive perception of various elements of the port site and supported the transformation of automated services was proposed. The functional framework could be well applied to the unified hosting of wired and wireless network integration in port scenarios, and could be used as the network infrastructure of unified communication of port networks in the current complex environment. Finally, the scheme was applied to a port terminal for practical verification.

5G edge cloud, heterogeneous network fusion, port network self-operating, unified communication

TP292.5

A

10.11959/j.issn.1000–0801.2022254

2022?01?24；

2022?08?20

國家重點研發(fā)計劃項目（No.2020YFB1710805）

The National Key Research and Development Program of China (No.2020YFB1710805)

寧巖（1987?），女，上海寬帶技術(shù)及應(yīng)用工程中心實驗室技術(shù)負(fù)責(zé)人，主要研究方向為5G/6G關(guān)鍵技術(shù)、AIoT邊緣智能計算、算力網(wǎng)絡(luò)及垂直工業(yè)領(lǐng)域行業(yè)應(yīng)用。

張蕾（1961?），女，青島港國際股份有限公司副總工程師、首席信息官，主要研究方向為港口信息技術(shù)、港口智能化技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)、現(xiàn)代物流技術(shù)。

陸肖元（1975?），男，上海寬帶技術(shù)及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心副主任、教授級高級工程師，主要研究方向為新型通信網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字孿生技術(shù)等。