青龍煤礦5G專網研究與設計

閆啟宏，黃友勝

(1.貴州黔西能源開發有限公司，貴州省畢節市，551500；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市九龍坡區，400039)

貴州省地質條件較為復雜，煤礦智能化建設[1]難度較高。青龍煤礦是國家首批智能化示范建設礦井，屬于貴州省4個智能示范煤礦之一。2021年10月，青龍煤礦承擔了貴州省科學技術廳《井下5G應用研究及示范》重點項目，該項目主要完成青龍煤礦5G專網[2]基礎設施建設，一是研究青龍煤礦5G專網語音通信技術，形成5G專網與外網的語音通信方法，滿足煤礦員工專網內和專網外語音通話的需要；二是研究青龍煤礦5G專網數據傳輸技術、形成5G專網與公網數據傳輸的組網方法，滿足企業內部專網與公網的數據互通；三是研究青龍煤礦有線無線一網承載技術，形成青龍煤礦工業互聯“一張網”的建設方法，實現礦井內5G無線網、信息網、控制網、辦公網等各種系統一網承載，既要滿足5G專網基本的語音數據傳輸要求，又要滿足煤礦5G+高清視頻監控、5G+AI圖像識別分析[3]、5G+巡檢機器人[4]等智能應用，為青龍煤礦井下運輸巷、綜采工作面、地面廣場、選煤廠等應用場所提供低時延、高可靠、高帶寬的無線接入。

1 青龍煤礦5G專網組成

青龍煤礦5G專網主要由井上和井下兩部分組成。井上主要由地面5G基站、5G核心網[5]服務器、萬兆交換機、地面50 Gbps環網交換機[6]、時鐘服務器、調度臺等組成；井下主要由井下50 Gbps環網交換機、基站控制器、5G基站、移動終端等組成。青龍煤礦5G專網拓撲圖如圖1所示。

圖1 青龍煤礦5G專網拓撲圖

傳統的礦用工業以太網難以承載5G無線信號，因此，本項目研究了硬切片[7]分組網技術，基于硬切片分組網技術構建青龍煤礦50 Gbps承載網。

50 Gbps承載網不僅主要承載工業控制、視頻監控、電力監控等信息的傳輸，同時也承載5G無線信號的傳輸，實現有線無線一網承載，解決5G承載網在吞吐量、傳輸時延、網絡切片等方面的問題。

2 5G專網核心網設計

青龍煤礦5G專網最主要的部分為5G核心網，主要由UDM、AUSF、NSSF、AMF、SMF、PCF等網元[8]組成。根據5G核心網部署方式的不同，可以分為共享專網、混合專網[9]、獨享專網3種方式。

2.1 共享專網

共享專網為復用運營商網絡為企業構建虛擬專網[10]的方式建設。共享專網是運營商5G信號在井下的延伸，組網方式簡單，建設成本經濟。數據和語音基于運營商網絡一體化管理，并通過運營商的5G核心網轉發處理。當外部光纜發生故障或斷開時，專網系統不能正常運行。因此，共享專網不能滿足煤礦企業獨立組網、獨立運行、數據不出礦的要求。

2.2 混合專網

混合專網是在共享專網情況下使用UPF(統一數據管理)、MEC(邊緣計算技術)下沉礦區，UPF主要負責5G核心網中用戶數據包的路由和轉發相關功能，并在5G的邊緣計算和網絡切片技術中發揮著低延遲和大帶寬的重要作用。混合專網通過UPF數據分流達到數據不出礦的目的，然而，混合專網的用戶管理、呼叫建立都需要核心網的參與，因此不能滿足《煤礦5G通信系統安全技術要求(試行)》[11]獨立組網、獨立運行的要求，在外部網絡出現故障或斷開時，系統能安全、獨立、穩定運行，保證無線通信及數據傳輸可靠、穩定的要求。

2.3 獨享專網

獨享專網采用獨立運營商核心網的方式建設。獨享專網擁有一個完整的5G核心網，所以完全滿足《煤礦5G通信系統安全技術要求(試行)》中5G系統應能實現獨立組網、獨立運行的要求，當外部網絡發生故障或斷開時，系統能夠安全、獨立、穩定運行。然而，獨享專網運營商級的核心網過于龐大，不適合煤礦部署。因此，本項目采用小型化的5G核心網，小型化的5G核心網采用核心網網元全下沉部署，為用戶提供極低的時延和專屬的核心網服務。通過物理設備隔離，滿足特殊場景下的物理、數據安全隔離需求。

3 50 Gbps承載網設計

傳統的工業以太網多為千兆或者萬兆以太網技術，不具備硬切片功能，不能滿足5G無線承載需求。本項目研究FlexE硬切片技術，結合環網冗余技術，形成50 Gbps承載網。FlexE硬切片技術基于高速以太網接口，通過以太網MAC(以太網物理地址)速率和PHY(以太網端口物理層)速率的解耦，靈活控制接口速度、時延。同時將不同的業務進行切片劃分，當不同的業務信道發生擁塞和丟包時，也不會影響其他業務信道，從而滿足不同的網絡傳輸。通過FlexE硬切技術，青龍煤礦已經將不同業務的數據進行物理隔離，建成工業控制、視頻監控、電力監控、5G無線傳輸于一體的超融合高質量通信網絡，實現有線無線一網承載。

利用FlexE硬切片技術，還可以將煤礦安全監控、人員定位、車輛定位、設備定位、輔助運輸、掘進、采煤等不同業務對帶寬、時延和可靠性的需求分配不同的信道、帶寬、時延，從而將煤礦監控、定位、視頻、音頻等多網合一，最終實現煤礦智能化信息一網綜合承載，滿足地面遠程控制、人員定位、安全監控等不同業務對帶寬、時延和可靠性的需求，同時又可以降低維護難度，減少工作量。

本次青龍煤礦50 Gbps承載網采用“云網融合”[12]技術，按照有線無線“一張網”的要求進行網絡規劃，井下各業務子系統通過50 Gbps承載網進行統一承載。煤礦原子系統井上部分直接接入地面50 Gbps環網交換機，井下部分直接接入井下50 Gbps環網交換機。通過50 Gbps環網交換機FlexE硬切片技術保證煤礦原子系統的物理隔離。同時劃分視頻大帶寬和5G低時延信道，保證5G專網無線數據和時延要求，實現5G專網數據不出園區，網絡管控本地化等需求。青龍煤礦50 Gbps承載網示意如圖2所示。

圖2 青龍煤礦50 Gbps承載網示意

4 5G專網語音通信

青龍煤礦5G專網不僅要解決5G專網內部語音通信問題，還要和煤礦企業內部的其它語音子系統實現互聯互通。5G專網內語音通信采用VoNR[13]技術，具有更強的抗丟幀、抗延時、抗抖動和高保真能力。

VoNR通過IMS[14]進行高清語音管理，IMS是全IP的多媒體子系統簡稱，它支持語音及多媒體服務的連接管理，提供標準的SIP協議[15]，可以接入標準的E1中繼網關[16]，通過E1中繼接口，可以和煤礦企業內部的調度系統、行政電話網實現互聯互通。通過行政電話網，可以實現煤礦5G專網與運營商電話網的語音通信，從而實現青龍煤礦5G專網與外網的語音通信。煤礦企業內部語音互通都在礦區內部，不產生通話費用。此外，5G專網語音通信和外網語音通信共享行政電話與外網的語音通信。5G專網語音通信示意如圖3所示。

圖3 5G專網語音通信示意

5 5G專網數據傳輸

青龍煤礦5G專網采用獨立核心網的方式，所有數據在專網內傳輸，滿足青龍煤礦礦區生產控制數據不出礦的設計要求。煤礦原子系統數據采用FlexE硬切片分組的方式，分別獨享各自信道的方式工作。5G無線數據通過FlexE硬切片分組到5G核心網，再通過萬兆交換機和煤礦原子系統進行通信，同時通過上網防火墻實現公網數據上傳的要求。5G專網數據傳輸示意如圖4所示。

圖4 5G專網數據傳輸示意

6 地面無線覆蓋

由于青龍煤礦地面存在運營商5G信號，所以建設5G專網需要考慮5G信號沖突問題。本項目研究了地面5G基站雙注冊方法，即和運營商共建共享[17]的方式進行建設，滿足煤礦5G專網和運營商5G對礦區地面同時覆蓋的要求。

地面5G基站直接和青龍煤礦5G核心網相聯，并劃分為2個獨立的物理信道，一個信道為運營商專用，通過青龍煤礦5G核心網切片運營商專線實現移動終端在礦區的正常通信。礦用5G專網信息通過另一個信道切片到青龍煤礦5G核心網，和煤礦5G專網通信，實現青龍煤礦移動終端在井上下都可接入煤礦5G專網進行語音數據通信的目的，滿足煤礦5G專網獨立組網、獨立運行的要求。地面無線覆蓋示意如圖5所示。

圖5 地面無線覆蓋示意

7 青龍煤礦5G專網應用效果

青龍煤礦5G專網項目于2021年10月開始啟動，于2022年8月建成并投入使用。在青龍煤礦機房部署5G核心網、萬兆交換機、地面50 Gbps環網交換機、時鐘服務器、E1中繼網關、企業路由器各一套，實現5G核心網功能。在水泵房、辦公樓頂各部署地面5G基站一套，實現地面生活區、工作區5G專網覆蓋。在井下中央變電所、絞車房、運輸巷、21601智能化工作面、21603智能化掘進工作面部署了井下5G基站，實現了重點區域、綜采工作面5G無線信號覆蓋，滿足井上下重點區域5G無線通信要求。專網內移動終端已經和礦區調度電話、行政電話、外網電話互聯互通，具有內部短號互通、外部號碼互通、自動轉接等功能，極大地方便了礦區的生產調度。移動終端下井的通話方式改變了井下遠距離作業人員只能通過固話溝通的傳統通訊方式，減少了井下作業人員的溝通時間，提高了煤礦的生產效率。同時原視頻監控子系統、電力監控子系統通過硬切片的方式就近接入新建的50 Gbps承載網。青龍煤礦5G專網解決了原視頻監控網帶寬不足、視頻卡頓和影響電力監控子系統難題。

搭載5G通信模組，青龍煤礦實現了“5G+高清視頻監控、5G+AI圖像識別分析、5G+帶式輸送機巡檢機器人”等智能應用，實現了將帶式輸送機沿線的高清視頻、監測數據、控制指令與調度中心進行實時高效交互和自動分析，有效解決了數據上報緩慢、人為分析困難等問題。

本次青龍煤礦5G專網的建設使井下網絡基礎條件得以改善，承載網帶寬提高，可支持更多智能化設備的接入。有線無線“一張網”建設有效減少煤礦井下光纜電纜設備數量，所有新建系統的數據傳輸可以就近接入50 Gbps承載網，使新建系統的投資成本降低。同時還可支持5G無線接入，傳感器、視頻監控等設備的無線化可減少此類巡檢人員的投入，達到減人增效的效果。

8 結語

基于5G專網平臺，青龍煤礦將進一步加大5G運用場景，打造工業互聯網，實現巡檢機器人、智能采煤工作面、智能生產輔助系統、智能AI視頻分析系統及安全風險智能監控系統的提檔升級。利用5G專網實現井上下高速率、大帶寬、低時延通訊，實現萬物互聯和多系統智能協同控制，達到便捷調度指揮、提升快速應急管理能力目標，助推智慧礦山建設向更高層次發展。