煤礦5G 通信系統安全應用技術分析

張建明

（西山煤電（集團）有限責任公司大數據中心，山西 太原 030053）

引言

現階段的煤礦生產作業已經逐步實現智能化生產以及遠程控制生產，有效降低了人工成本投入，同時提升了井下作業的安全性，對于規范井下工作面的作業行為也具有積極作用。但在智能化生產以及遠程控制過程中，對于通信系統產生了較大的依賴，只有保障通信可靠，才能提高遠程控制效果以及各個工作面系統的調度效果。5G 通信技術因具備通信穩定和射頻功率高的特性可保障通信可靠性，可以被作為煤礦通信系統的首選通信技術。通過合理建設5G 基站和采取合理的安全應用技術來保障井下通信效果。

1 煤礦5G 通信系統安全應用技術的必要性

在當前的煤礦生產作業中，部分煤礦生產企業已經逐步實現了智能化生產，在煤礦開采過程中應用了大量的智能化控制技術，使得綜采作業面的自動化程度更高，作業效率也得到了有效的保障。但同時對于井下通信系統的可靠性也提出了更高的要求，只有保障井下通信效果才能實現遠程控制目標，確保井下綜采作業面各項綜采作業的高效開展。而5G 通信技術的應用優勢較為突出，基本可以滿足井下通信需求。但同時還會受到井下作業環境的影響，致使5G 通信安全難以保障。在5G 通信系統安全受到威脅的情況下，必定會影響煤礦智能技術的應用，致使煤礦開采作業效率和開采作業安全受到威脅，嚴重的情況下，甚至會導致部分作業面停工的狀況?；诖祟悊栴}，需要加強對煤礦5G 通信系統安全應用技術的研究力度，找出可靠的安全應用技術措施提高5G 通信系統的運行可靠性，為煤礦智能化技術的應用以及自動控制技術的應用提供保障。

2 煤礦5G 通信系統的技術要求

在《有關煤礦5G 通信系統安全技術的管理方案》中明確指出，5G 通信系統需要具備獨立穩定運行的特性，即在外網環境安全受到威脅，且外部網絡出現故障問題時，5G 通信系統也可獨立運行保障通信和數據傳輸的效果。因此，在建立通信系統框架時，需要考慮到5G 通信系統的安全問題，并在其中增加本安網關?；谏鲜鰞热?，進行5G 通信系統架構設計，其系統架構圖如圖1 所示。

3 煤礦5G 通信系統安全設計方案

根據上文所提出的通信系統安全應用需求，在進行5G 核心網安全設計時，需要優先選取獨立組網架構，確保對各通信服務系統的集中控，5G 通信系統的專網核心網絡架構見圖2。

如圖2 所示，對核心網絡采取的是標準服務型架構，在控制面中集合了多種技術功能，是對多系統功能的有效融合。主要包括網絡切片功能、會話管理功能、認證管理功能、數據管理功能、策略控制功能、鑒權服務功能和網元存儲功能等，用戶界面則為用戶管理功能。每個網絡服務單元均服務于不同的接口，用戶可根據自身的服務需求選擇特定的網絡服務。此外，控制層中的各功能單元也存在相對獨立的特征，在實際運用中，可根據煤礦開采以及通信服務需求的不同，對各類功能進行優化和組合，以提高通信服務效果。除此之外，考慮到通信安全問題，還在其中應用了網絡安全策略，主要是借助網絡功能虛擬化技術以及軟件定義網絡技術等，實現對軟硬件的結耦、控制與轉發。這其中切片網絡技術有效提升了系統運行的靈活性，且能夠將各類通信數據控制在安全范圍內，有效隔絕了外部環境的威脅影響，能夠達成提高網絡系統運行安全的目標[1]。

3.1 軟件方案

在該通信網絡系統中，借助網絡切片技術實現網絡隔離服務目標，主要作用是使通信網絡滿足不同作業場景的服務需求。在煤礦通信系統中的數據流向存在一定的特殊性，在搭建5G 通信網絡時，需要先使終端設備與基站連接，再由核心交換機對終端設備的數據進行分流處理，使其分別流向不同的業務環境，滿足不同作業面和工作面的通信服務需求，確保整個數據流能夠在業務內完成本地閉環。這種與外部網絡隔離開來，相對獨立的數據傳輸方式可在一定程度上降低外網對5G 通信網絡安全的影響，有助于提升通信系統運行的安全性。

煤礦通信業務中網絡切片技術的應用可以增強通信系統的適應能力，使其適合不同業務場景的通信需求。同時，可以根據井下作業特點和資源分配需求對特定資源進行優先配置。具體來說，將智能通信終端、生產控制數據、傳感數據、監測數據等進行等級劃分，并且根據特定場景下的數據傳輸需求對傳輸帶寬和速率進行優先等級的調整，這樣既可實現對通信技術資源的合理分配，也能保障各類通信效率要求較高的業務數據的高效交互，為井下智能控制和遠程控制提供可靠的保障。

3.2 硬件設計

5G 基站與4G 基站技術的差異在于5G 的功率以及射頻指標均優于4G 技術。但在爆炸環境設備的通用要求中明確指出，射頻功率要控制在6 W 以下。為此，如何控制射頻功率并保障基站通信效率，提高基站運行安全性,成為現階段需要關注的重點問題?；诖?，在進行硬件方案設計時需要重點關注5G 基站硬件的設置，在本次研究中優先選用5G NR 技術既可保障高清視頻以及語音通信的有效傳輸，還能在一定程度上提高數據傳輸過程的安全性與可靠性，且該基站還支持多種無線組網設備接口，能夠實現通信一體化的目標。基站硬件組成見圖3 所示：

5G 基站的硬件需要在特定位置中裝設天線隔離板，主要作用為對于射頻信號進行安全隔離，并且將部分高頻能量信號進行過濾處理，確保將超出范圍的射頻能量能夠成功轉變為較為安全的本安能量，以提升通信基站運行的安全，使其滿足爆破環境的射頻功率要求。

為使5G 基站射頻功率符合爆炸環境的射頻功率要求，需要采取合理的基站射頻功率控制措施。主要方法為，借助天線隔離板對基站射頻信號進行隔離和過濾處理。此時，由天線隔離板所輸出的射頻信號會經由天線饋線被接入到外置天線中，在整個過程中存在部分損耗問題，致使基站射頻功率發生變化。當基站前端發射功率為26 dBm 時，在信號傳輸過程中的損耗為2 dBm。此時，其實際發射功率應為24 dBm。而單路射頻發射功率為32 dBm，換算之后為1.6 W，即整體射頻功率為3.2 W，符合爆炸環境的射頻功率[2]。

4 結語

5G 通信系統的建設能夠提升煤礦智能化發展水平，且能夠顯著提升遠程控制效果。但同時也對5G通信的可靠性提出了更高的要求。在本次研究中，分別針對5G 通信安全技術的軟件方案和硬件方案進行闡述，借助網絡切片技術以及天線隔離技術可在一定程度上提升5G 基站運行可靠性以及5G 通信系統的運行安全性，降低環境因素對通信效果的影響。