أصبح اعتماد التقنيات المبتكرة في أنظمة النقل البحري واللوجستيات في السنوات الأخيرة جانبًا أساسيًا لتطويرها ونموها، لا سيما بسبب الطبيعة المعقدة وغير المتجانسة للبيئة البحرية. وتكتسب حلول إنترنت الأشياء (IoT) أهمية متزايدة في صناعة الشحن بفضل العدد الهائل من الكاميرات والمستشعرات الموزعة على السفن الحديثة والبضائع والموانئ البحرية، والتي يمكن استغلالها لتحسين السلامة والتكاليف والإنتاجية.
تعرض هذه الورقة تقييمًا تجريبيًا لمنصة بحرية تمكّن طيفًا واسعًا من الخدمات القائمة على الجيل الخامس (5G) في سياق اللوجستيات والنقل البحري. ويتمثل جوهرها في إطار عمل للاتصالات ضيقة النطاق (NB-IoT) يُستخدم لتشغيل خدمات إنترنت الأشياء واسعة النطاق فوق شبكة هجينة أرضية–فضائية، وتغذية منصة OneM2M ببيانات النقل البحري لتطوير تطبيقات لوجستية عالية المستوى ذات قيمة مضافة [9]. وبالتركيز على تتبع حاويات سفن الشحن عبر نظام التتبع العالمي 5G (5GT)، الذي يتيح المراقبة المستمرة للحاويات في سيناريو خدمة من ميناء إلى ميناء، توضح نتائج التجارب قدرة المنصة على إدارة العدد الكبير من الرسائل المرسلة من أجهزة تتبع الحاويات (أي أكثر من 3000 رسالة) وكفاءتها في إبقاء متوسط الحد الأقصى لزمن الاستجابة وفقد الحزم دون 5.5 ثانية و0.9% على التوالي.
في عصر العولمة، اكتسب النقل البحري أبعادًا عالمية وأهمية استراتيجية، وأصبحت السفن أصولًا لوجستية أكبر وأكثر تطورًا في ظل نمو تدفقات البضائع المعبأة في حاويات [1،2]. وقد أدت الحاويات النمطية [3] إلى تحسين مناولة الشحن متعدد الوسائط، لكن القيمة المضافة الإضافية لا يمكن أن تأتي إلا من التقدم التكنولوجي الذي يدعم معدلات نقل بيانات أعلى وقدرة أكبر على مشاركة البيانات لخدمات مبتكرة مثل المراقبة الآنية للبضائع أثناء العبور وفي الموانئ، والمعلومات الآنية لنشاط السفن [4].
يُعد الجيل الخامس (5G) التقنية التمكينية لنقل اللوجستيات نحو إنترنت الأشياء، إذ يدعم مليون جهاز استشعار لكل كيلومتر مربع (مقابل 100,000 للجيل الرابع) لزيادة وضوح رؤية البضائع أثناء العبور وفي الموانئ [5]. وثمة توافق متزايد على أن الشبكات الفضائية يمكن أن توسع قدرات الشبكات الأرضية من حيث التغطية والموثوقية والتوافر [6]، وتوفر الوصلات الخلفية حيث يصعب تركيب البنية التحتية المادية [7]. وبذلك تعزز خدمات NB-IoT المقترنة بالجيل الخامس والشبكات الفضائية الاتصال على متن السفن وتمهد الطريق لعمليات شحن أكثر كفاءة وخدمات مبتكرة، مثل ربط السفن بالبر بسلاسة في عرض البحر للنقل المستمر لبيانات البضائع المراقبة [8].
نصمم في هذه الورقة منصة بحرية مفتوحة ومرنة ونقيّمها تجريبيًا، وهي مبنية على شبكة NB-IoT على متن السفينة مدمجة مع شبكات هجينة أرضية–فضائية ومنصة خدمات نمطية OneM2M [9]. وتتمثل المساهمة في ثلاثة جوانب: أولًا، تصميم المنصة ضمن مشروع ممول من وكالة الفضاء الأوروبية [10] لتقييم مجموعة واسعة من حالات استخدام 5G؛ وثانيًا، تنفيذ منصة اختبار تعيد إنتاج جميع مكوناتها لحالة استخدام تتبع الحاويات؛ وثالثًا، عرض حملة تجريبية موسعة لتقييم نظام 5GT عبر اختبارات أداء شاملة من الطرف إلى الطرف في ظروف واقعية.
تناولت أعمال عديدة اعتماد الحوسبة السحابية وإنترنت الأشياء والذكاء الاصطناعي والحوسبة الطرفية في منصات النقل البحري [11،12]. فيحلل المرجع [13] التحول الرقمي في شحن الحاويات، بينما يمسح المرجع [14] التقنيات التمكينية لشبكات الاتصالات البحرية بما فيها الشبكات الهجينة الفضائية–الأرضية وجمع بيانات إنترنت الأشياء البحرية، وهي التقنيات نفسها المعتمدة هنا. ولا تزال تحديات مفتوحة قائمة لجمع البيانات ومعالجتها بكفاءة عبر إنترنت الأشياء [15]: فالكميات الكبيرة من البيانات غير المتجانسة صعبة المعالجة [16–19]، ويواجه أصحاب المصلحة الذين يعتمدون عليها انخفاض الموثوقية وارتفاع زمن المعالجة وضرورة حماية البيانات المجموعة من المستخدمين غير المصرح لهم. وتجلب أجهزة إنترنت الأشياء مخاطر جديدة مثل ارتفاع تكلفة التنفيذ ودقة تحليل البيانات [20] وتهديدات الأمن السيبراني [21].
أما التتبع، فتستخدم تقنيات التعرف بالترددات الراديوية (RFID) لاستجواب الوسوم المثبتة على الحاويات بالموجات الراديوية [22]، فلا يتحقق تتبع آني وتُلاحظ الحاويات عند نقاط ثابتة فقط في سلسلة الإمداد. وتطور شركات الشحن أنظمة تتبع آنية مملوكة ومعزولة [23،24] لا يمكنها التوسع مع التطورات المستقبلية — على عكس الطبقة المفتوحة النمطية للمنصة البحرية: إذ يوفر OneM2M طبقة خدمات إنترنت أشياء مستقلة عن البائعين بواجهات مفتوحة، ويمكن الوصول إلى شبكة NB-IoT بغض النظر عن الشركة المصنعة متى وُجدت اتفاقيات التجوال.
وقلائل هم من أجروا تقييمًا تجريبيًا لإدارة حركة إنترنت الأشياء في النقل البحري. فيوفر مشروع VITAL-5G بيئة 5G افتراضية لمرافق النقل واللوجستيات [25]، لكنه يركز على تطبيقات الشبكة دون شبكة فضائية. وينفذ مشروع 5GENESIS الأوروبي منصة اختبار شاملة لخدمات 5G الفضائية/الأرضية المتكاملة [26]، لكن منصاته الخمس الموزعة تجعل التكامل معقدًا مقارنة بالنموذج الأولي المقترح هنا. ويلخص الجدول 1 الأعمال ذات الصلة مع نقاط قوتها وقيودها.
يتضمن السيناريو سفينة مجهزة بما يلي: (1) مجموعة أجهزة NB-IoT مثبتة على الحاويات ترسل تقارير التموضع والحالة من المستشعرات المحلية؛ (2) شبكة خلوية 5G على متن السفينة تدعم NB-IoT، وتتكون من المحطة eNodeB (النفاذ الراديوي وإدارة الأجسام الذكية والإشارات الهوائية) والنواة المجمعة المتطورة EPC التي توثّق الأجسام الذكية؛ (3) بوابة mIoT الذكية التي توفر اتصالًا متعدد المسارات من السفينة إلى البر عبر الأقمار الصناعية، بوظائف التحويل (الضغط/التوجيه) والمراقبة والأمن؛ (4) طرفية فضائية متخصصة 5G (5ST) تضمن الاتصال في عرض البحر عبر وصلة فضائية في نطاق Ku — وهو جذاب لأن نطاق Ku أرخص تقليديًا من نطاق L المستخدم عادة، مما يخفض تكلفة عرض النطاق الفضائي.
ويشمل الجانب الأرضي: (5) الشبكة الأرضية الفضائية بمحطات الاتصال الفضائي الأرضية (teleport) (5.a) مترابطة بعمود فقري مخصص، تدعم حركة إنترنت الأشياء ثنائية الاتجاه، وبوابة فضائية متخصصة 5G (5SG) (5.b) وهي موجه IP كامل المزايا ينقل البيانات إلى الشبكات الخارجية مثل شبكة مشغل الاتصالات والإنترنت؛ (6) شبكة مشغل الاتصالات بقطاعات أمامية/خلفية تستضيف نظام OneM2M (6.a) مع مكونات تطبيقية (6.b) لخدمات لوجستية متطورة؛ (7) شبكة خلوية أرضية 5G اختيارية في محطة الميناء (8) يمكنها أيضًا جمع البيانات من السفينة.
وقد تكون السفينة في عرض البحر أو قربه أو راسية، مما يحدد نطاقي تشغيل: النطاق الأرضي — عندما تكون السفينة قرب البحر أو راسية، تصل بيانات NB-IoT إلى شبكة الاتصالات عبر الشبكة الخلوية الأرضية 5G (ويُقصد بقرب البحر، وفق التنظيم الإيطالي، البحر ضمن ميلين بحريين من الساحل)؛ والنطاق البحري — عندما تكون السفينة في عرض البحر، تنتقل البيانات عبر شبكة 5G المثبتة على متنها والشبكة الفضائية إلى شبكة مشغل الاتصالات ونظام OneM2M.
يمكن للمنصة البحرية تمكين تطبيقات لوجستية عديدة تعتمد على إنترنت الأشياء واسع النطاق ومنصة OneM2M والشبكات الفضائية؛ إذ لا يتغير بحسب التطبيق سوى تصميم الجسم الذكي NB-IoT بينما تبقى المكونات الأخرى غير مرتبطة بتطبيق معين. وكمثال تطبيقي نأخذ المراقبة الآنية لحالة الشحن، حيث تعمل المنصة كمنصة تتبع حاويات — أي نظام 5GT — ويتكون الجسم الذكي NB-IoT من: مستشعرات بارامترات الحاويات (مثل الحرارة الداخلية) وتسمى أجهزة تتبع الحاويات (CTDs)؛ ولوحة اقتناء بيانات؛ ومرسل–مستقبل NB-IoT؛ ووحدة GPS؛ ومرسل–مستقبل Bluetooth 5.0 يؤسس شبكة معشقة بين الأجهزة داخل الحاويات.
والشبكة المعشقة ضرورية: فعندما يتعذر على الجهاز الارتباط بالشبكة الخلوية عبر NB-IoT بسبب التوهين الذي تُحدثه رُصّات الحاويات، تُحوَّل البيانات إلى جهاز مجاور عبر الشبكة المعشقة فيحاول إرسالها عبر NB-IoT — ويعيد تحويلها إلى جاره عند الفشل، وهكذا. وبذلك يستهدف نظام 5GT التتبع المستمر من ميناء إلى ميناء (ومن محطة إلى محطة) لأحجام كبيرة من البضائع التي تحملها السفن، حتى أثناء الرحلات في أعماق البحار، عبر تكامل إنترنت الأشياء والشبكات الخلوية والفضائية.
وينقسم التشغيل إلى ثلاثة سيناريوهات (الجدول 2). ينتمي الأولان إلى النطاق الأرضي: (1) الحاويات المخزنة في محطة الميناء — ترتبط الأجسام الذكية بالخلية الأرضية التي توجه البيانات عبر شبكة مشغل الاتصالات إلى المنصة البحرية (الخطوات 1a–1c)؛ (2) سفينة الشحن قرب البحر — تبقى الأجسام متصلة بالخلية الأرضية بالتوجيه نفسه (الخطوات 2a–2c). أما السيناريو الثالث فهو النطاق البحري: (3) السفينة في عرض البحر تحت تغطية فضائية فقط — تبقى الأجسام متصلة بالخلية المثبتة على متنها، التي توجه البيانات إلى بوابة mIoT الذكية ومنها عبر الطرفية 5ST والوصلة الفضائية والبوابة 5SG إلى شبكة الاتصالات والمنصة (الخطوات 3a–3f).
نُفذت منصة اختبار شاملة من الطرف إلى الطرف للتحقق من التشغيل البيني لجميع الأنظمة الفرعية لنظام 5GT وتقييم أدائها. رُكبت جميع مكونات السلسلة المثبتة على متن السفينة (أجهزة CTD والخلية الذكية وبوابة mIoT الذكية والطرفية 5ST) في المختبر نفسه لإعادة إنتاج التقارب المادي كما في بيئة سفينة الشحن، بينما عملت القناة الراديوية بين 5ST و5SG عبر وصلة حلقية محلية بدل الوصلة الفضائية. وُضع هوائي الخلية الذكية وأجهزة CTD داخل غرفة عديمة الصدى؛ وبدّلت البوابة تشغيل الخلية الذكية لمحاكاة الانتقال بين قرب البحر وعرضه؛ وتواصلت بعض الأجهزة مباشرة مع الخلية الذكية عبر NB-IoT بينما استخدمت أخرى الشبكة المعشقة؛ وزِيد التوهين تدريجيًا لمحاكاة مشكلات الانتشار الراديوي في سفينة الشحن.
وقُيّم الأداء في سيناريو قرب البحر: ولّدت 8 أجهزة تتبع حاويات بشرائح SIM إرسالات NB-IoT إلى الشبكة الخلوية التجارية، نُشرت على منصة OneM2M، عبر 405 فترات إرسال متتالية مدة كل منها 120 ثانية — أي أكثر من 3000 إرسال NB-IoT في ظروف حركة كثيفة. وقاست ثلاثة اختبارات سعة النظام وزمن الاستجابة الأقصى وفقد الحزم الأقصى [27]. ففي السعة (الجدول 3)، تحمل رسائل CTD حالة الحاوية (الحرارة والرطوبة وموضع السفينة ووقت الإرسال والنتيجة مثل SEND OK) مع مؤشري الجودة RSSI/RSRP؛ ووصلت 3100 رسالة إلى منصة OneM2M مؤكدة السعة العالية. فعندما يكون RSRP عند −80 dBm أو أعلى تكون الإشارة ممتازة وتُرسل كل البيانات، بينما دون −100 dBm تنخفض الرسائل المسلَّمة إلى النصف تقريبًا (200 مقابل ~400).
وفي زمن الاستجابة (الجدول 4)، تُظهر القيم الدنيا والقصوى لكل جهاز متوسطًا أدنى 1.1 ثانية ومتوسطًا أقصى 5.5 ثانية. ومع أن NB-IoT مصمم للتطبيقات المتسامحة مع التأخير [27]، فإن بعض التطبيقات (مثل الإنذارات) تحتاج حدًا أقصى 30 ثانية من حدث التفعيل إلى النشر على منصة OneM2M الأرضية — والقيمة المقاسة 5.5 ثانية أدنى بكثير من هذا الحد، مؤكدة الأداء الجيد. وفي فقد الحزم (الجدول 5)، مع حجب هوائيات الأجهزة بالتوهين لأهمية إحصائية، بلغ متوسط فقد الحزم 0.9%. وتتوافق قيم RSSI/RSRP مع قياسات زمن الاستجابة والفقد: فعندما ينخفض RSRP دون −90 dBm يزداد زمن الاستجابة الأقصى وعدد الرسائل غير المستلمة.
وعمومًا، أكملت الحملة في ظروف الحركة الكثيفة أكثر من 3000 إرسال NB-IoT دون أي تعطل في الأجهزة، مظهرة متانة نظام 5GT، وفي معظم التجارب استُلمت البيانات ونُشرت على منصة OneM2M (بفقد 0.9% فقط)، مؤكدة سلامة تصميم جميع المكونات ونشرها.
عرضنا في هذا العمل منصة 5G البحرية، وهي منصة تجريبية تعزز نشر واختبار الخدمات اللوجستية القائمة على 5G في النقل البحري مع استغلال بيانات إنترنت الأشياء واسعة النطاق. وتمكّنت المنصة بتقارب منشورات 5G وNB-IoT والشبكات الفضائية. وإضافة إلى ذلك، تتيح منصة خدمات OneM2M المتكاملة أفقيًا تطوير تطبيقات إنترنت الأشياء بطرق مستقلة عن البائعين والأجهزة، فاتحة فرصًا خدمية وتجارية جديدة لمشغلي الشبكات ومقدمي الخدمات. وقد نُشرت جميع المكونات واختُبرت تجريبيًا في منصة اختبار حقيقية، منتجة نتائج مهمة وواقعية.
ولا تزال هناك حاجة لمزيد من البحث قبل النشر واسع النطاق. فمعظم شبكات الاتصالات الفضائية لا تزال تعتمد على عتاد مملوك وموارد مقيدة، مما يحد من فوائد التكامل مع 5G [6،7]. وقد يمنع غياب اتفاقيات التجوال العالمية لـNB-IoT بين مشغلي الاتصالات اعتماد حلول مثل نظام 5GT، إذ تجوب أجسامه الذكية أحادية الشريحة العالم — مع وجود خطوات مشجعة مثل توسيع Deutsche Telekom خدمات NB-IoT عبر اتفاقيات تجوال [28]. وأخيرًا، يبقى الأمن السيبراني أساسيًا: إذ يجب أن تتوافق معمارية المنصة مع ISO/IEC 27001:2013 [29] وإرشادات المنظمة البحرية الدولية لإدارة مخاطر الأمن السيبراني البحري [30].
عرضنا في هذا العمل المنصة البحرية، وهي منصة مفتوحة ومرنة لنشر واختبار الخدمات اللوجستية القائمة على 5G في النقل البحري مع استغلال بيانات إنترنت الأشياء واسعة النطاق. وركزنا على نظام 5GT، وهو نظام تتبع عالمي يستند إلى بيانات إنترنت الأشياء الضخمة المجموعة من الحاويات. وتعرض الورقة قياسات أُجريت على نظام 5GT باستخدام منصة اختبار تجريبية لتقييم جدواه.
وتشير النتائج إلى قدرة النموذج الأولي على معالجة عدد كبير من رسائل إنترنت الأشياء وتلبية متطلبات زمن الاستجابة وفقد الحزم: فقد أُجريت الحملة في ظروف حركة كثيفة بأكثر من 3000 إرسال NB-IoT دون أي تعطل في الأجهزة، مظهرة متانة نظام 5GT، ولم يُفقد سوى 0.9% من الرسائل — مؤكدة سلامة تصميم جميع المكونات ونشرها. وكعمل مستقبلي، ستُقيَّم سيناريوهات أكثر تعقيدًا (أي عرض البحر) تشمل الاتصالات الفضائية.
In recent years, the adoption of innovative technologies in maritime transport and logistics systems has become a key aspect of their development and growth, especially due to the complex and heterogeneous nature of the maritime environment. Internet of Things (IoT) solutions are gaining importance in the shipping industry thanks to the huge number of distributed cameras and sensors on modern ships, cargoes and seaports, which can be exploited to improve safety, costs and productivity.
This paper presents an experimental evaluation of a maritime platform that enables a wide range of 5G-based services for logistics and maritime transportation. Its core is a Narrow Band (NB)-IoT framework used to run massive IoT services on top of a hybrid terrestrial–satellite network and feed a OneM2M platform with maritime data to develop high-level, value-added logistic applications [9]. Focusing on cargo-ship container tracking through the 5G Global Tracking System (5GT System), which allows continuous container monitoring in a port-to-port service scenario, the experimental results illustrate the capacity of the platform in managing the high number of messages transmitted by the container tracking devices (i.e., more than 3000) and its efficiency in limiting the average maximum latency and packet loss below 5.5 s and 0.9%, respectively.
In the globalization era, maritime transportation has assumed global dimensions and strategic importance, with ships becoming bigger and more sophisticated logistic assets amid growing containerized cargo flows [1,2]. Standardized containers [3] optimized intermodal freight handling, but further added value can only come from technological advances sustaining higher data transfer rates and data sharing capability for new services such as real-time cargo monitoring in transit and in ports, and real-time intelligence for ship activity [4].
5G is recognized as the enabling technology for moving logistics toward the Internet of Things, supporting a million sensor devices per square kilometer (versus 100,000 for 4G) to increase cargo visibility in transit and in ports [5]. There is growing consensus that satellite networks can extend terrestrial capabilities in coverage, reliability and availability [6], supplying backhaul where physical infrastructure is hard to install [7]. NB-IoT services combined with 5G and satellite networks thus enhance on-board ship connectivity and pave the way to more efficient cargo operations and new services, such as seamlessly connecting vessels to land in open sea for continuous transmission of monitored goods data [8].
In this paper, we design and experimentally evaluate an open and flexible Maritime Platform built on an on-board NB-IoT network integrated with hybrid terrestrial–satellite networks and a standard OneM2M service platform [9]. The contribution is threefold: first, we design the platform within an ESA-funded project [10] to assess a wide set of 5G use cases; second, we realize a testbed reproducing all its components for the container tracking use case; third, we present an extensive experimental campaign evaluating the 5GT System through end-to-end (E2E) performance tests under realistic conditions.
The adoption of cloud, IoT, artificial intelligence and edge computing in maritime transport platforms has been tackled in several works [11,12]. Ref. [13] analyzes the digital transformation in container shipping, while ref. [14] surveys enabling technologies for maritime communication networks including hybrid satellite–terrestrial networks and maritime IoT data collection, the same technologies adopted here. Open challenges remain for efficient IoT-based data collection and processing [15]: large volumes of heterogeneous data are hard to process [16–19], and stakeholders relying on these data face low reliability, high processing latency and the need to protect collected data from unauthorized users. IoT devices bring novel risks such as high implementation cost, data analysis accuracy [20] and cyber-security threats [21].
For tracking, Radio Frequency Identification (RFID) technologies interrogate container tags with radio waves [22], so no real-time tracking is performed and containers are only observed at fixed supply-chain points. Cargo shipping companies are developing proprietary, siloed real-time tracking systems [23,24] that cannot scale to future evolutions — unlike the open, standard layer of the Maritime Platform: OneM2M provides a vendor-independent IoT Service Layer with open interfaces, and the NB-IoT network can be accessed regardless of device manufacturer once roaming agreements exist.
Few initiatives undertook experimental evaluation of IoT traffic management in maritime transport. The VITAL-5G project offers a virtualized 5G environment for Transport and Logistics facilities [25], but focuses on Network Applications without a satellite network. The EU 5GENESIS project implements an E2E testbed for integrated satellite/terrestrial 5G services [26], but its five distributed platforms make integration complex compared with the prototype proposed here. Table 1 summarizes the related works with their strengths and limitations.
The scenario includes a vessel equipped with: (1) a set of NB-IoT devices installed on containers, transmitting positioning and status reports from local sensors; (2) the on-board 5G cellular network supporting NB-IoT, composed of the eNodeB (radio access, managing smart objects and air signaling) and the Evolved Packet Core (EPC) that authenticates the smart objects; (3) the Smart mIoT gateway providing multi-backhauling ship-to-land connectivity via satellite, with switching (compression/routing), monitoring and security functions; and (4) a 5G-specialized Satellite Terminal (5ST) guaranteeing open-sea connectivity via a Ku-band satellite link — attractive since Ku-band is traditionally less expensive than the L-band usually used, reducing satellite bandwidth cost.
The terrestrial side includes: (5) the satellite ground network with teleports (5.a) interconnected by a dedicated backbone, supporting bidirectional IoT traffic, and the 5G-specialized Satellite Gateway (5SG) (5.b), a full-featured IP router conveying data to external networks such as the Telco Operator Network and the Internet; (6) the Telco Operator Network with front-/back-hauling segments deploying the OneM2M system (6.a) with application components (6.b) for sophisticated logistics services; and (7) an optional 5G terrestrial cellular network at the port terminal (8) that can also collect data from the vessel.
The vessel may be in open sea, near sea or docked, defining two operating domains: the terrestrial domain — when the ship is in near sea or docked, NB-IoT data reach the Telco network via the terrestrial 5G cellular network (near sea being, under Italian regulation, the sea within 2 nautical miles from the coast); and the maritime domain — when the ship is in open sea, data travel via the on-board 5G network and the satellite network to the Telco operator network and the OneM2M IoT system.
The Maritime Platform can enable many logistic applications relying on massive IoT, the OneM2M platform and satellite networks; only the NB-IoT smart object design changes per application while the other components are application-agnostic. As an applicative example we take real-time monitoring of cargo shipping status, where the platform acts as a container tracking platform — the 5GT System — with the NB-IoT smart object composed of: container parameter sensors (e.g., inside temperature), called container tracking devices (CTDs); a data acquisition board; an NB-IoT transceiver; a GPS module; and a Bluetooth 5.0 transceiver establishing a mesh network among devices inside containers.
The mesh network is essential: when a device cannot attach to the cellular network via NB-IoT because of attenuation introduced by the stack of containers, data are forwarded to a neighbor device over the mesh, which tries to transmit them via NB-IoT — and forwards them again to its neighbor on failure, and so on. The 5GT System thus aims at continuous port-to-port (terminal-to-terminal) tracking of large volumes of goods carried by ships, even during deep-sea journeys, through the integration of IoT, cellular and satellite networks.
Operation splits into three scenarios (Table 2). The first two belong to the terrestrial domain: (1) containers stored in the port terminal — smart objects attach to the terrestrial cell, which routes data via the Telco Operator Network to the maritime platform (steps 1a–1c); (2) the cargo ship in near sea — objects stay connected to the terrestrial cell with the same routing (steps 2a–2c). The third scenario is the maritime domain: (3) the ship in open sea under only satellite coverage — objects remain connected to the on-board cell, which routes data to the Smart mIoT Gateway and onward via the 5ST, the satellite link and the 5SG to the Telco network and the platform (steps 3a–3f).
An end-to-end testbed was implemented to verify the interoperability of all 5GT System sub-systems and assess their performance. All on-board chain components (CTDs, Smart cell, Smart mIoT gateway and 5ST) were installed in the same laboratory to reproduce physical proximity as in the cargo-ship environment, while the RF channel between 5ST and 5SG ran over a local loop link instead of a satellite link. The Smart cell antenna and CTDs sat inside an anechoic chamber; the gateway switched the Smart cell on/off to simulate near-sea/open-sea transitions; some CTDs communicated directly with the Smart Cell via NB-IoT while others used the mesh network; and attenuation was gradually increased to emulate cargo-ship radio propagation issues.
Performance was evaluated in the near-sea scenario: 8 container tracking devices with SIM cards generated NB-IoT transmissions to the commercial cellular network, published to the OneM2M platform, over 405 consecutive 120 s transmission intervals — more than 3000 NB-IoT transmissions under high-traffic conditions. Three tests assessed system capacity, maximum latency and maximum packet loss [27]. For capacity (Table 3), CTD messages carry container status (temperature, humidity, ship position, sending time, outcome such as SEND OK) together with RSSI/RSRP quality indicators; 3100 messages reached the OneM2M platform, confirming high capacity. When RSRP is at or above −80 dBm the signal is excellent and all data are transmitted, while below −100 dBm the delivered messages almost halved (200 versus ~400).
For latency (Table 4), minimum and maximum values per CTD show an average minimum of 1.1 s and an average maximum of 5.5 s. Although NB-IoT targets delay-tolerant applications [27], some applications (e.g., alarms) need a maximum delay of 30 s from trigger event to publication on the terrestrial OneM2M platform — the measured 5.5 s is far below this bound, confirming good performance. For packet loss (Table 5), with attenuation shielding the CTD antennas for statistical significance, the average packet loss is 0.9%. RSSI/RSRP values track the latency and loss measurements: when RSRP falls below −90 dBm, maximum latency and the number of unreceived messages increase.
Overall, the campaign under high traffic completed more than 3000 NB-IoT transmissions without any CTD breakdown, showing the robustness of the 5GT System, and in most experiments data were correctly received and published on the OneM2M platform with only 0.9% loss — confirming proper design and deployment of all components.
In this work, we presented the 5G Maritime Platform, an experimental platform fostering the deployment and testing of 5G-based logistic services in maritime transport while exploiting massive IoT data. The platform is enabled by the convergence of 5G, NB-IoT and satellite network deployments. In addition, the horizontally-integrated OneM2M service platform lets IoT applications be developed in vendor- and device-independent ways, opening new service and business opportunities for network operators and service providers. All components were deployed and experimentally tested in a real testbed, producing significant and realistic results.
Further research is still needed for large-scale deployments. Most satellite communication networks still rely on proprietary hardware and constrained resources, limiting the benefits of 5G integration [6,7]. The lack of worldwide NB-IoT roaming agreements between telecom operators may prevent adoption of solutions like the 5GT System, whose single-SIM smart objects travel around the world — though encouraging steps exist, such as Deutsche Telekom extending NB-IoT via roaming agreements [28]. Finally, cybersecurity is essential: the platform architecture must comply with ISO/IEC 27001:2013 [29] and the IMO maritime cyber risk management guidelines [30].
In this work, we presented the Maritime Platform, an open and flexible platform for deploying and testing 5G-based logistic services in maritime transport while exploiting massive IoT data. We focused on the 5GT System, a global tracking system based on massive IoT data collected from containers. The paper reports measurements performed on the 5GT System using an experimental testbed to assess its feasibility.
The results indicate the capacity of the implemented prototype to handle a large number of IoT messages and to meet latency and packet-loss requirements: the campaign ran under high-traffic conditions with more than 3000 NB-IoT transmissions accomplished without any CTD breakdown, showing the robustness of the 5GT System, and only 0.9% of messages were lost — confirming proper design and deployment of all components. As future work, more complex scenarios (i.e., open sea) including satellite communication will be evaluated.