張勤貴，張翠霞，張明哲

（1.國家計算機網(wǎng)絡(luò)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(shù)的商用，山東省工業(yè)和信息化廳審批通過棗礦集團為首批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、長遠(yuǎn)性、先進性、可持續(xù)性”，以“整體規(guī)劃，高起點布局，全方位設(shè)計，分階段實現(xiàn)”為基本的指導(dǎo)思想，結(jié)合新興5G技術(shù)，立足把棗礦集團打造成全國安全、高效、綠色、智能化的標(biāo)桿示范化礦區(qū)。棗礦集團屬于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，棗礦集團還屬于燈塔客戶，即全國行業(yè)有影響力（全國行業(yè)市場份額前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)市場份額前5）的客戶。

本文以棗礦集團付村煤業(yè)引入AGV小車為例，介紹如何通過新建5G基站實現(xiàn)智能配送等應(yīng)用。5G技術(shù)的一個優(yōu)勢eMBB即增強型移動寬帶，使得移動性在500 km/h用戶速率達(dá)到100 Mb/s。5G技術(shù)的另一個優(yōu)勢URLLC即低時延、高可靠性，達(dá)到單項空口時延在1 ms，可靠性達(dá)到99.999%，為實現(xiàn)AGV小車系統(tǒng)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(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)將引用無人搬運車（Automated Guided Vehicles，AGV）實現(xiàn)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(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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行集中控制和調(diào)度，在廠區(qū)內(nèi)鋪設(shè)了磁釘定位系統(tǒng)的通道內(nèi)全自動化運行。AGV無人駕駛行走控制均由網(wǎng)絡(luò)調(diào)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(chǎn)事故，對無線控制網(wǎng)絡(luò)提出了高可靠、低時延的嚴(yán)格要求。

在AGV小車作業(yè)調(diào)度的情況下，會出現(xiàn)多臺小區(qū)相對集中在一個作業(yè)區(qū)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(yè)務(wù)生產(chǎn)和調(diào)度需求。

單個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(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AGV車帶寬規(guī)劃為100 kb/s。

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

另外，單臺AGV將會有4個業(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單機電控PLC（維護級應(yīng)用）、HMI單機故障屏（維護級應(yīng)用）以及AGV遠(yuǎn)程喚醒（輔助控制應(yīng)用）[2]。由于該4個業(yè)務(wù)的IP地址不同，因此可以考慮在承載網(wǎng)上通過QoS策略對該核心控制業(yè)務(wù)提升其報文轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)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(rèn)識我的人把我推薦給短裙子女孩或者是劉偉的，這個認(rèn)識我的人那天也一定跟蹤了我。我甚至認(rèn)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(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個站點——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，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修理處。新增3 m配重抱桿的樓頂應(yīng)該核實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(yè)水塔，位于煤礦南側(cè)邊緣位置?？紤]付村煤業(yè)的需求只做廠區(qū)內(nèi)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(yè)主辦公樓，位于煤礦東側(cè)邊緣位置。樓宇高度相對合適，配置選擇為S11。主覆蓋一扇區(qū)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(qū)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(yè)采掘樓屬于調(diào)度樓，位置相對核心。但是，考慮現(xiàn)場南側(cè)覆蓋視野較差，配置選擇為S11，作為對北側(cè)鐵路輸送線路和生產(chǎn)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(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

此站點計劃在水塔頂部東側(cè)、西側(cè)各新增1副3 m扶墻抱桿，新增2臺AAU，新增2臺交直流轉(zhuǎn)換模塊（交直流轉(zhuǎn)換模塊在AAU下方位置抱桿安裝），每臺AAU分別從1臺交直流轉(zhuǎn)換模塊取電。新增的2臺交轉(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(zhuǎn)換模塊（交直流轉(zhuǎn)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(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

此站點計劃在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AAU，新增2臺交直流轉(zhuǎn)換模塊（交直流轉(zhuǎn)換模塊在AAU下方位置抱桿安裝），每臺AAU分別從1臺交直流轉(zhuǎn)換模塊取電。新增的2臺交轉(zhuǎn)直模塊從3F南側(cè)機房交流配電柜內(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

此站點計劃在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AAU，新增4臺交直流轉(zhuǎn)換模塊（新增的4臺交轉(zhuǎn)直模塊兩兩集中在北側(cè)2付抱桿下方位置安裝），每臺AAU分別從1臺交直流轉(zhuǎn)換模塊取電。新增的4臺交轉(zhuǎn)直模塊需從4路32 A交流空開取電。

3.5 BBU機房側(cè)建設(shè)方案

本期工程新增3臺5G BBU設(shè)備，煤礦內(nèi)機房均為交流電，使用交直流轉(zhuǎn)換模塊給BBU取電。考慮到單個5G物理站的小區(qū)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(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，5G BBU功耗隨5G基帶板數(shù)量增加，因此需新增2臺交直流轉(zhuǎn)換模塊給3臺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，NSA在移動移動連續(xù)性方面具有優(yōu)勢。SA組網(wǎng)通過4G和5G網(wǎng)間互操作實現(xiàn)移動連續(xù)性，切換時延大，易造成掉線。

在語音方案方面，NSA組網(wǎng)方案簡單，通過終端雙連接，直接采用VoLTE，SA組網(wǎng)語音方案相對復(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)改動較多，X2/Xn接口、PDCP和MAC層均需部分改動，SA組網(wǎng)僅需RRC層新增鄰區(qū)測量和配置，核心網(wǎng)需升級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，最終演進至SA，需增加4G基站分流改造、EPC升級等成本，SA組網(wǎng)需同時建設(shè)5G無線網(wǎng)和核心網(wǎng)。

棗礦集團付村煤業(yè)規(guī)劃初期考慮使用NSA組網(wǎng)方式，同時需要新增AAU設(shè)備和4G板狀天線，傳輸側(cè)需新增1臺4G傳輸分組和1臺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。

與以往的移動通信系統(tǒng)主要強調(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速率、連接數(shù)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(biāo)，真正體現(xiàn)了用戶可獲得的真實數(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

通過在棗礦集團付村煤業(yè)首批建設(shè)的4個5G基站，完成井上5G信號全覆蓋，實現(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會議現(xiàn)場直播；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無人機巡航。