井工煤礦5G通信系統(tǒng)的組網(wǎng)架構(gòu)與高可靠性初探

王魯寧 董 亮 陳 莉

（兗礦集團(tuán)信息化中心，山東 鄒城 273500）

5G移動(dòng)通信技術(shù)以3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)版本，具有高可靠、高帶寬、低時(shí)延的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)初就針對性地提出了未來應(yīng)用“三大場景”：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB），主要用于超高清視頻、高頻傳感器、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等需要超高帶寬的應(yīng)用；超高可靠與低延遲的通信（uRLLC），主要用于無人駕駛、智能感知、敏捷控制等時(shí)敏性應(yīng)用；大規(guī)模（海量）機(jī)器類通信（mMTC），主要用于物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)以百萬計(jì)的大規(guī)模終端接入。

近年來，國家先后出臺(tái)綠色礦山政策以及能源安全新戰(zhàn)略，要求推進(jìn)智能化技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，提升煤礦智能化水平。煤礦智能化開采是煤礦工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。[1]一方面，煤炭行業(yè)智能裝備的大規(guī)模應(yīng)用以及智能化進(jìn)程的推進(jìn)，對數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性、實(shí)時(shí)性、移動(dòng)性以及帶寬能力均提出更高要求；另一方面，目前井下采用的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)以及基于WiFi技術(shù)、4G LTE技術(shù)、ZigBee、LoRa等技術(shù)的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)均存在速率低、延時(shí)大、可靠性低、誤碼率高等狀況，無法滿足煤礦生產(chǎn)智能化對信息傳輸?shù)男枨蟆６?G系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系提出場景解決方案完全契合煤礦生產(chǎn)智能化業(yè)務(wù)場景的需求，因此5G系統(tǒng)是煤礦井下無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的必然選擇。

井工煤礦井下空間狹小，環(huán)境復(fù)雜，溫度高，濕度大，粉塵多，光線不足，瓦斯等易燃易爆氣體積聚，生產(chǎn)條件惡劣。開采井工煤礦需要對礦井進(jìn)行通風(fēng)，存在水、火、煤塵、頂板、瓦斯等災(zāi)害。煤礦開采為常態(tài)化移動(dòng)性地下作業(yè)，生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，地質(zhì)條件經(jīng)常發(fā)生變化。井工煤礦的特點(diǎn)決定了其對井下通信系統(tǒng)及設(shè)備的可靠性要求非常高。

1 井工煤礦5G通信系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

5G通信系統(tǒng)典型組網(wǎng)架構(gòu)為星型組網(wǎng)，即煤礦地面部署核心網(wǎng)，礦用基站控制器通過線纜分別與核心網(wǎng)連接，礦用基站也通過線纜分別接入所屬礦用基站控制器。但是由于煤礦井下環(huán)境復(fù)雜、條件惡劣，線纜極其容易出現(xiàn)斷裂、接觸不良等狀況，當(dāng)線纜出現(xiàn)單點(diǎn)故障時(shí)，就會(huì)造成部分設(shè)備離線。由此可看出典型組網(wǎng)架構(gòu)的5G通信系統(tǒng)可靠性不高。

1.1 井上下組網(wǎng)架構(gòu)

為了解決線纜單點(diǎn)故障問題，應(yīng)采用環(huán)型組網(wǎng)方式來提高5G通信系統(tǒng)可靠性。地面部署的核心網(wǎng)通過線纜與部署在井下的任意2臺(tái)礦用基站控制器連接，如圖1所示。

圖1 核心網(wǎng)與基站控制器環(huán)型組網(wǎng)示意圖

部署在井下的礦用基站控制器以首尾相連的方式組網(wǎng)環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。井下各礦用5G基站控制器之間組成環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，井下礦用5G基站控制器與地面礦用5G核心網(wǎng)之間也組成環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，通過這種“雙環(huán)網(wǎng)”結(jié)構(gòu)可避免單點(diǎn)故障，大幅度提高系統(tǒng)骨干節(jié)點(diǎn)的可靠性。

圖2 井下基站控制器環(huán)型組網(wǎng)示意圖

1.2 工作面組網(wǎng)架構(gòu)

礦用基站按用途來講大體可分為兩種，一種是部署于普通巷道用于通話、傳輸圖像等，一種是部署于工作面主要用于傳輸控制信息。由于工作面環(huán)境更為復(fù)雜，大型設(shè)備更多，鏈路的可靠性就更低。在兼顧可靠性要求、成本和施工難易度的情況下，第一種礦用基站采用星型結(jié)構(gòu)接入礦用基站控制器，第二種礦用基站采用環(huán)型結(jié)構(gòu)與礦用基站控制器組網(wǎng)。

綜上所述，井工煤礦5G通信系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示。這種環(huán)型組網(wǎng)架構(gòu)，不僅可以很好地解決鏈路單點(diǎn)故障問題，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，還可以更好地兼顧成本和施工難易程度。

圖3 煤礦5G通信系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)示意圖

2 井工煤礦5G通信系統(tǒng)高可靠性設(shè)計(jì)

通信系統(tǒng)的可靠性是指在一定的時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)從其發(fā)送端到接收端傳輸成功的概率。5G系統(tǒng)的可靠性針對不同的場景，可靠性的期望值略有不同。對于工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用來講，其可靠性的期望值可達(dá)99.999%。用戶面層在1ms時(shí)延內(nèi)，32字節(jié)的發(fā)送可靠性達(dá)到1～10-5。礦用5G系統(tǒng)布屬在環(huán)境復(fù)雜、條件惡劣的煤礦井下，系統(tǒng)整體可靠性受到外界環(huán)境影響，因此應(yīng)對礦用5G系統(tǒng)功能及設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化以提高其可靠性。

2.1 核心網(wǎng)控制平面下沉保持業(yè)務(wù)不中斷

由于井工煤礦自身生產(chǎn)環(huán)境的特殊性及安全生產(chǎn)規(guī)程規(guī)定，5G通信系統(tǒng)的故障不僅出現(xiàn)單點(diǎn)故障，很多時(shí)候還會(huì)有多點(diǎn)故障。這樣環(huán)型組網(wǎng)不能完全保證5G系統(tǒng)的可靠性，特別是煤礦智能化重中之重的工作面智能開采。在諸如工作面等通信高可靠需求的區(qū)域，在礦用5G基站與礦用5G基站控制器組成環(huán)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，部署一臺(tái)礦用服務(wù)器，配置5G核心網(wǎng)AMF、SMP等功能網(wǎng)元。當(dāng)通信高可靠需求區(qū)域5G系統(tǒng)與地面核心網(wǎng)通信中斷時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場系統(tǒng)已有業(yè)務(wù)不中斷，從而提高其可靠性。

核心網(wǎng)控制平面下沉后，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)就地轉(zhuǎn)發(fā)，還需要將用戶面也下沉，即UPF網(wǎng)元。將礦用邊緣計(jì)算控制器與現(xiàn)場實(shí)際業(yè)務(wù)整合在一起，業(yè)務(wù)系統(tǒng)直接從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步提高業(yè)務(wù)系統(tǒng)的可靠性。

2.2 使用網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行業(yè)務(wù)隔離

網(wǎng)絡(luò)切片是一種按需求組網(wǎng)的方式，是在統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施上利用虛擬化技術(shù)根據(jù)業(yè)務(wù)需求分離出多個(gè)專用的虛擬網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)切片都能根據(jù)不同的場景定制相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能并配置相應(yīng)的資源。目前業(yè)內(nèi)形成共識(shí)，網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)具備4個(gè)特征，即虛擬化、按需定制、端到端、隔離性。隔離性是可靠性的一個(gè)重要保障，切片之間是相互隔離的，任意某切片出現(xiàn)故障或錯(cuò)誤，不會(huì)影響到其他切片的網(wǎng)絡(luò)功能。在礦用5G系統(tǒng)[2]中使用網(wǎng)絡(luò)切片根據(jù)井工煤礦井下各場景對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)隔離，各業(yè)務(wù)相互獨(dú)立、互不影響。因此在5G系統(tǒng)中使用網(wǎng)絡(luò)切片功能可以保障各業(yè)務(wù)的可靠性。

2.3 多基站部署實(shí)現(xiàn)信號冗余覆蓋

在核心網(wǎng)控制平面、邊緣計(jì)算控制器下沉至現(xiàn)場層后，工作面等區(qū)域的礦用基站可能會(huì)出現(xiàn)各種故障。為了進(jìn)一步提高該區(qū)域5G系統(tǒng)的可靠性，可以考慮在該區(qū)域進(jìn)行基站冗余覆蓋，即在同一地點(diǎn)安裝多臺(tái)基站。在同一地點(diǎn)安裝多臺(tái)基站會(huì)存在同頻段干擾的問題，為了解決這個(gè)問題，可以采用異頻組網(wǎng)方式進(jìn)行組網(wǎng)。異頻組網(wǎng)是將基站工作頻段按照基站的數(shù)量進(jìn)行平均劃分，每臺(tái)基站工作在其中一個(gè)頻段，來實(shí)現(xiàn)信號的冗余交叉覆蓋，當(dāng)其中某些基站出現(xiàn)故障時(shí)，其他正常工作的基站仍能提供信號覆蓋。多基站異頻冗余組網(wǎng)能夠解決部分基站故障網(wǎng)絡(luò)中斷的問題，從而提高通信高可靠需求區(qū)域5G系統(tǒng)的可靠性。

2.4 提高散熱效率增強(qiáng)設(shè)備可靠性

目前5G基站等設(shè)備工作功率都較大，發(fā)熱量較高，而且工作面等區(qū)域本身溫度也較高，對基站的散熱技術(shù)提出了更高的要求。散熱技術(shù)主要有熱傳導(dǎo)、風(fēng)冷卻、液冷卻、蒸汽冷卻等技術(shù)。從成本、可靠性、維護(hù)難易度、冷卻裝置體積以及結(jié)合井工煤礦井下現(xiàn)場情況幾個(gè)方面對比，礦用5G基站宜采用熱傳導(dǎo)技術(shù)來散熱。在礦用5G基站外殼裝配多個(gè)銅制導(dǎo)熱槽，通過熱量傳導(dǎo)對其散熱，以保證其安全、穩(wěn)定、長時(shí)間運(yùn)行。

3 驗(yàn)證測試

如圖4所示，在兗礦集團(tuán)東灘煤礦部署5G裝備，并進(jìn)行環(huán)形組網(wǎng)。

圖4 測試組網(wǎng)示意圖

如圖4所示，測試中對系統(tǒng)線路制造單點(diǎn)斷線故障，故障發(fā)生后系統(tǒng)中基站控制器和基站均運(yùn)行正常，且均與核心網(wǎng)通信正常。在系統(tǒng)兩個(gè)環(huán)路分別制造單點(diǎn)斷線故障，故障發(fā)生后，系統(tǒng)中基站控制器和基站均運(yùn)行正常，且均與核心網(wǎng)通信正常。最后，在系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)，模擬高可靠性需求區(qū)域與核心網(wǎng)通信終端故障，故障發(fā)生后該區(qū)域基站承載的業(yè)務(wù)保持運(yùn)行狀態(tài)。

煤礦5G通信系統(tǒng)環(huán)型組網(wǎng)架構(gòu)以及系統(tǒng)高可靠性設(shè)計(jì)，可以有效提高系統(tǒng)的整體可靠性。

井工煤礦5G通信系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖5所示。對井工煤礦5G通信系統(tǒng)組網(wǎng)方式的設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高了系統(tǒng)架構(gòu)的可靠性，網(wǎng)絡(luò)切片的使用、核心網(wǎng)控制平面下沉保障了業(yè)務(wù)的可靠性，基站的異頻冗余組網(wǎng)以及散熱效率的提高進(jìn)一步提升了通信高可靠需求區(qū)域系統(tǒng)的可靠性，從而有效提高5G通信系統(tǒng)的可靠性，尤其是在工作面等通信高可靠需求區(qū)域更是加上了“雙保險(xiǎn)”。

圖5 煤礦5G通信系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

4 結(jié) 語

礦用5G通信系統(tǒng)在井工煤礦的應(yīng)用為煤礦智能化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，是關(guān)鍵技術(shù)支撐。通過對井工煤礦5G通信系統(tǒng)整體可靠性的提高，可以大大推進(jìn)礦用5G通信系統(tǒng)在井工煤礦的應(yīng)用進(jìn)程。隨著應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)以及技術(shù)的進(jìn)步，礦用5G通信系統(tǒng)的可靠性還將得到進(jìn)一步提升，從而更好地服務(wù)于煤炭行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。