煤礦5G無線通信系統建設構想

顧義東， 孟瑋

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

煤礦智能化建設是煤礦發展的目標，也是煤礦高效、安全、高質量發展的基礎支撐。5G無線通信技術具備高帶寬、低時延、廣連接等特征，是煤礦智能化建設的關鍵支撐技術[1]。王國法等[2-3]分析了5G關鍵技術及特征，指出了5G技術在井下應用的必要性、應用場景的不成熟性，提出了5G在煤礦智能化建設中的實施要點。孫繼平等[4-7]對5G技術在煤礦智能化建設中的實施進行了探索?；粽颀埖萚8]對礦用5G無線通信系統的組成、組網方式及應用場景進行了研究。孟慶勇[9]提出了5G網絡架構及承載網的3種前傳組網方案。李藝等[10]、毛馨凱等[11]研究了5G技術在智能礦山、智能采煤工作面方面的應用。韓利強[12]設計了基于5G技術遠程控制的煤礦救援機器人。楊海鵬[13]進行了基于5G網絡的智能礦山建設研究。

2021年6月，國家發展改革委、國家能源局、中央網信辦、工業和信息化部聯合印發《能源領域5G應用實施方案》(發改能源〔2021〕807號)，提出了圍繞智能煤礦等方面，研制一批滿足能源領域5G應用特定需求的專用技術和配套產品，拓展一批5G典型應用場景，建設一批5G行業專網或虛擬專網，為智能煤礦的建設指明了方向。但是，目前5G技術在煤礦的應用還處于起步階段，尚未形成成熟的煤礦5G無線通信系統建設及應用方案。本文提出了煤礦5G無線通信系統架構、建設、應用等構想，以期推進煤礦智能化建設。

1 煤礦5G無線通信系統架構

煤礦5G無線通信系統主要由5G核心網、基帶處理單元(Base Band Unit，BBU)、遠端匯聚站(Remote Radio Unit Hub，RHUB)、5G基站、信號轉換器、本安型5G終端及5G承載網等構成，如圖1所示。5G核心網、BBU、RHUB及5G基站之間由5G承載網連接，實現各網元之間信令傳輸；井下采用5G基站及天線實現井下無線信號覆蓋，基站通過RHUB進行匯聚后，與BBU相連并接入5G核心網；RHUB支持鏈型、星型、混合型組網，并可以級聯2級，RHUB與BBU之間拉遠距離達10 km。

2 煤礦5G無線通信系統建設

2.1 5G核心網

5G核心網建設方案分為用戶面功能(User Plane Function，UPF)/移動邊緣計算(Mobile Edge Computing，MEC)下沉和獨立專網2種，其優缺點見表1。

2.1.1 UPF/MEC下沉

UPF是3GPP 5G核心網的重要組成部分，主要負責5G核心網用戶面業務數據包的路由和轉發、數據和業務識別、動作和策略執行等相關功能。UPF/MEC下沉是依托于運營商的通信網絡，將運營商UPF下沉到礦區或礦區移動邊緣節點部署，實現數據不出園區、低時延報文轉發的5G虛擬專網，滿足智能煤礦建設所需的帶寬高、時延敏感、數據機密性強等業務需求。UPF/MEC下沉方式5G核心網組網架構如圖2所示。

5G核心網控制面使用運營商公網部署的5G核心網網元，在礦區建設UPF/MEC。采用UPF/MEC下沉方式部署的5G虛擬專網使用運營商網絡的公共陸地移動網絡(Public Lands Mobile Network，PLMN)，礦區基站通過切片信息選擇5G核心網控制面，終端發起注冊信令流程，基站選擇運營商的5G核心網控制面，會話管理功能(Session Management Function，SMF)根據終端簽約的切片和數據網絡名稱(Data Network Name，DNN)信息選擇礦區部署的UPF/MEC。礦區和運營商網絡使用同一個PLMN，終端基于切片和DNN選擇運營商網絡和礦區虛擬專網，對需要本地處理的數據流進行專網內部轉發和路由，降低數據轉發時延。

圖1 煤礦5G無線通信系統架構Fig.1 Architecture of coal mine 5G wireless communication system

表1 UPF/MEC下沉和獨立專網優缺點Table 1 Advantages and disadvantages of UPF/MEC sinking and independent private network

圖2 UPF/MEC下沉方式5G核心網組網架構Fig.2 Architecture of 5G core network with UPF/MEC sinking mode

2.1.2 獨立專網

獨立專網是在煤礦獨立建設的支持4G和5G終端接入的礦區專用獨立核心網，為礦區專網用戶和終端設備提供網絡接入服務。獨立專網方式5G核心網組網架構如圖3所示。

在礦區核心機房建設1套獨立5G核心網，包含5G核心網控制面和5G核心網用戶面，支持窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)/4G/5G多種接入方式。礦區基站(包括地面基站及井下基站)設置礦區專屬的PLMN，終端選擇該PLMN后發起注冊信令流程，基站通過該PLMN選擇礦區獨立部署的專用5G核心網。

圖3 獨立專網方式5G核心網組網架構Fig.3 Architecture of 5G core network with independent private network mode

2.2 5G承載網

承載網是連接無線網絡、核心網的端到端網絡，是移動網絡通信的基礎。礦用5G承載網與地面5G承載網前傳、中傳、后傳類似，主要分為5G核心網與BBU之間、BBU與RHUB之間、RHUB與5G基站之間的承載網。

2.2.1 5G核心網與BBU之間承載網

5G核心網與BBU之間承載網是礦用5G通信網絡的核心。1臺BBU通?？蛇B接多臺RHUB及幾十臺Pico RRU(Remote Radio Unit，射頻拉遠單元)，因此，其數據量非常大，承載網接入層帶寬需求將達30 Gbit/s左右，這需要10GE以上的接口[14]，行業內目前通常采用10GE或50GE接入設備來完成礦用5G核心網與BBU之間連接。

目前5G核心網與BBU之間的承載網主要采用光纖直連、切片分組網(Slicing Packet Network，SPN)和第五代固定網絡(The 5th generation Fixed networks，F5G)3種承載方式。

(1) 光纖直連適用于巷道較簡單的礦井，網絡規模較小，一般只需1臺BBU及幾十臺5G基站即可滿足應用需求。5G核心網安裝于地面機房，BBU根據現場需要安裝于地面機房或井下硐室中。

(2) SPN是5G網絡切片中的關鍵技術，是中國移動在分組傳送網(Packet Transport Network，PTN)技術基礎上，面向5G和政企專線等業務承載需求，融合創新提出的新一代網絡技術方案。SPN采用ITU-T層網絡模型，以以太網技術為基礎，引入新的基于66B碼塊的時分復用(Time Division Multiplexing，TDM)交叉技術，實現了分組和TDM的有效融合。SPN通過IP、以太網和光學技術的融合，將多層網絡功能融為一體，能夠滿足5G高帶寬、低時延、超高精度時間同步等網絡需求。同時，SPN支持FlexE分片技術，可根據業務對網絡的需求進行切片，將帶寬需求大、流量抖動大的視頻類業務和生產控制類業務、數據采集類業務放在不同的切片，滿足高帶寬、低時延等不同業務的承載要求。

井下SPN傳輸帶寬達50/100 Gbit/s，故障保護倒換時間小于30 ms，SPN在吞吐量、故障保護倒換時間、切片支持等方面較傳統工業環網具備一定的優勢，可替代現有傳統工業環網及地面辦公系統環網，將成為近階段煤礦5G無線通信系統承載網的主流建設方案。但SPN存在以下缺點：設備整體功耗較高，通常在400 W以上，設備安裝于礦用隔爆外殼中熱量較高，散熱設計要求高；由于SPN是新技術，目前設備成本較高。

(3) F5G具備確定性高帶寬、海量連接、低時延和零丟包的特點，其由無源分光器和光纜組成，采用Type C型環網結構，支持多點斷纖保護，對網絡中光纖及設備具備端到端保護，網絡更可靠。F5G是純介質網絡，避免了電磁干擾和雷電影響，極適合在煤礦井下之類自然條件惡劣、電磁干擾大的場所使用。目前F5G具備10 Gbit/s的傳輸速率及30 ms以內的故障保護倒換時間，基本可滿足5G應用需要。

F5G建設成本相對SPN低，網絡可擴展性好、可靠性高，性能指標達到5G承載網的基本要求，但該技術尚未有礦井成功應用案例，仍需進一步測試。

2.2.2 BBU與RHUB之間承載網

RHUB是射頻單元集中控制器單元，實現BBU與Pico RRU之間的橋接。RHUB與BBU及RHUB與Pico RRU之間采用通用公共無線接口(Common Public Radio Interface，CPRI)協議，用戶層數據流、控制管理層數據流、同步數據流均通過CPRI接口傳輸。每臺RHUB通?？蛇B接8臺Pico RRU，為保證每臺Pico RRU的傳輸帶寬，必須保證BBU與RHUB之間傳輸具有足夠的帶寬。目前BBU與RHUB之間采用大于10 Gbit/s的接口，且只能通過光纖連接，尚無法接入礦用工業以太網。

2.2.3 RHUB與5G基站之間承載網

典型5G低頻單基站峰值帶寬達5 Gbit/s，高頻單基站峰值帶寬達15 Gbit/s。由于我國目前運營的5G網絡均采用5G FR1低頻段(即Sub 6 GHz頻段)，所以現有的礦用5G基站都采用5G低頻段設計。為保證基站無線性能，5G單基站將需要2×10GE/25GE的承載帶寬，如果基站配置的參數提升，帶寬需求還會相應增加。因此，RHUB與5G基站之間一般也采用CPRI接口，接口速率為25 Gbit/s。目前井下應用中RHUB與5G基站通過光纖連接，兩者之間最大拉遠距離通常在2 km以內。

2.3 5G基站

5G基站是5G無線通信系統在井下的主要無線覆蓋設備，目前取得安標認證的礦用5G基站一般由Pico RRU、配套電源、后備電池及配套天線組成，支持1.8/2.3/2.6 GHz或1.8/2.1/3.5 GHz多頻并發工作，既可提供高帶寬5G NR無線接入，也可兼容4G無線接入，還可為礦井物聯網提供廣連接、低速率NB-IoT無線接入。礦用5G基站的多模接入為建立井上下一體化通信網絡提供了技術基礎，井下各類不同應用場景均可通過5G網絡提供可靠的信息傳輸方案。

根據安標國家礦用產品安全標志中心發布的《煤礦5G通信系統安全技術要求(試行)》文件要求，無線設備的發射閾功率應滿足GB 3836.1—2010《爆炸性環境 第1部分：設備 通用要求》中6.6.1條的規定，基站閾功率應不大于6 W。基站閾功率為每路發射端的最大閾功率之和。目前常用的礦用5G基站具有4個射頻端口，每個端口射頻輸出功率為300 mW，為滿足發射閾功率的要求，配套天線增益需在8 dBi以內，在現場使用存在無線覆蓋距離較小的問題，該問題需在以后的礦用5G基站設計中重點考慮并予以解決。

2.4 5G終端及通信模組

5G手機、平板、客戶前置設備(Customer Premise Equipment，CPE)等5G終端設備及5G NR、CAT1、CAT4、CAT M1、NB-IoT等5G無線通信模組通過無線空口接入5G基站，實現語音通信、數據傳輸、視頻傳輸等功能，為充分利用5G網絡高帶寬、低時延、廣連接的特性提供設備支持。

在礦用5G終端方面，目前礦用5G手機、礦用CPE等已取得相關煤安認證，具備了井下應用的條件。礦用5G手機以安卓智能手機為主，具備語音通話、視頻通話、音視頻回傳、信息采集、遠程控制及行業應用軟件安裝應用等功能。礦用CPE實現了5G、WiFi及以太網信號的轉換，滿足井下具備WiFi、以太網接入功能的設備接入5G網絡的需求。

5G通信模組是5G網絡得以充分發揮其性能的關鍵，是井下各類設備、傳感器接入5G網絡的基礎。然而，目前礦用5G通信模組的開發及應用仍處于起步階段，尚未有成熟的應用，積極研究開發各類通信模組，并將其與井下設備、攝像頭、傳感器相結合，形成豐富多彩的5G+無線終端設備，是當前乃至今后一段時間內5G應用開發的重點?；谀壳?G NR通信模組價格仍較高、功耗較大，除高清視頻、增強現實(Augmented Reality，AR)/虛擬現實(Virtual Reality，VR)等應用外，通信速率10 Mbit/s的CAT1、通信速率1 Mbit/s左右的CAT M1及通信速率15.625～250 kbit/s的NB-IoT通信模組由于其技術成熟、價格低、功耗小等優點，應作為目前重點研發方向。

3 煤礦5G無線通信系統典型應用

5G對增強移動寬帶(Enhanced Mobile Broadband，eMBB)場景的技術支撐能力，能夠有效適應煤礦超高清視頻傳輸等高帶寬業務需求；5G對超高可靠低時延通信(Ultra Reliable Low Latency Communications，uRLLC)場景的技術支撐能力，能夠有效滿足無人采礦車、無人挖掘機等無人礦山智能設備間通信需求；5G對海量機器類通信(Massive Machine Type Communications，mMTC)場景的技術支撐能力，能夠更好地支持多種煤礦安全監測等傳感數據采集需求。

3.1 融合一體化通信

隨著智能煤礦建設的推進，煤礦需要基于5G無線通信系統實現融合調度通信功能，在統一的核心調度平臺上實現有線調度、無線調度融合，提升煤礦通信效率和調度水平。因此，在煤礦5G無線通信系統中設計5G融合調度設備，該設備支持ISUP/TUP/PRI/Q.SIG/SIP/H.323/MGCP/H.248等多種協議，可支持公網手機和固話、有線調度電話、行政電話、IP電話、4G/5G/WiFi終端、SIP廣播終端等設備的接入，使煤礦5G無線通信系統實現有線和無線融合調度通信。同時，上述多種類型終端的接入，形成了井上下語音、數據、視頻等多媒體信息的5G綜合傳輸平臺，避免各系統自成網絡、接口不統一的問題，有效消除信息孤島的產生，提高礦井通信及信息利用能力。

3.2 高帶寬業務應用

借助5G高帶寬、低時延的特性，煤礦5G無線通信系統為煤礦提供全環節的高清視頻監控服務。在此基礎上，通過部署智能圖像及視頻分析服務器進行人臉識別、生產過程行為識別、生產過程管控等，實時給出分析結果，為煤礦環境監測和安全生產提供智能安全預警；同時可實現煤礦AR智能巡檢、AR設備運維、AR生產培訓等需要無線高帶寬支持的應用。

3.3 智能工作面業務應用

煤礦綜采工作面、掘進工作面屬于生產移動性場所，光線不足、溫度高、粉塵多、濕度大、設備多，工作環境差且危險度大。因此，實現智能化無人開采是智能工作面建設關鍵。智能化開采需要大量傳感數據的支持，采集的信息類型多、數據生成速度快、數據量增長快；同時智能化開采需要對采煤機等設備進行遠程實時監測、遙控，對數據傳輸的實時性、可靠性要求高。因此智能工作面對傳輸網絡的帶寬、時延、可靠性等性能要求高。

通過煤礦5G無線通信系統構建的工作面傳輸通道，一方面能夠可靠、準確、實時地滿足工作面各類環境指標、設備工況、作業參數和調度指令等數據的井上下雙向傳輸，實現工作面生產過程自動化、操作遠程化；另一方面可實現工作面自動監測監控，可遠程監測關鍵設備工況，當設備出現故障時，維修人員會及時收到維修指令進行維修，從而實現智能工作面的少人或無人操作，達到“無人則安”的安全生產目的。

3.4 礦山車輛遠程控制或無人駕駛

礦山車輛遠程控制或無人駕駛需要大量傳感器對車輛速度、位置、周邊環境、障礙物等進行識別，將產生大量的車輛數據與云端的實時計算，每小時需要的數據量大概為100 GB，且由于車輛行駛中需要及時應對路徑選擇、障礙物規避等決策規劃，對數據傳輸的及時性、可靠性要求極高。5G支持eMBB及uRLLC典型應用場景，可實現峰值1 Gbit/s傳輸速率、毫秒級時延的傳輸能力，可為礦山車輛遠程控制或無人駕駛提供可靠的通信保障。

4 結語

煤礦5G無線通信系統提供了井上下語音、數據、視頻等信息一體化無線高可靠寬帶傳輸平臺，支持多種通信終端的接入及互通，為礦井各系統融合及信息綜合利用提供了技術支持，為礦井高清視頻監控、VR/AR、智能工作面、實時遠程控制等行業應用提供了可靠的通信保障，滿足井下人-人、人-物、物-物互聯的通信需要。但煤礦5G無線通信系統的應用尚未得到充分發展，存在以下缺點或難點：① 5G基站、RHUB等設備功耗大，只能設計成礦用隔爆型產品，體積大且笨重，安裝使用不方便。② 5G基站及天線射頻總功率需小于6 W，造成覆蓋距離小，基站使用數量上升，系統建設成本高。③ 礦用5G手機終端匱乏。④ 5G通信模組價格高且功耗大，尚不具備大規模行業應用的條件。因此，今后應從以下方面進行系統優化：① 小型化行業5G核心網設計，支持網絡切片功能。② 礦用5G基站等設備的低功耗及本安化設計。③ 700 MHz頻段5G設備的井下應用，提升5G基站覆蓋范圍。④ 礦用5G手機終端的定制及行業APP的開發。⑤ 低功耗5G通信模組的開發。⑥ 結合現場需求更多行業應用場景的深入挖掘。