5G技術在煤礦井下應用架構探討

孟慶勇

(1.煤炭科學技術研究院有限公司， 北京 100013； 2.煤礦應急避險技術裝備工程研究中心， 北京 100013； 3.北京市煤礦安全工程技術研究中心， 北京 100013)

0 引言

5G無線通信技術是4G的升級和延伸。與4G相比，5G采用大規(guī)模MIMO(Multi-Input Multi-Output，多輸入多輸出)、上下行解耦、波束成形、密集網絡等技術，實現(xiàn)了更快網速和更大網絡容量[1]；具備高速率、超寬帶、低功耗、低時延等優(yōu)勢，成為特殊行業(yè)機器人、無人駕駛、VR(Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實)、超清視頻、設備遠程操控、全礦井安全監(jiān)測信息采集等應用的技術基礎[2]。

目前，國內對于5G技術在煤炭行業(yè)的應用還處于探討和試驗階段，未見成熟應用案例的報道。王國法等[3]論述了5G技術在煤礦智能化中的應用展望，分析了煤礦智能化應用5G的可行性、必要性；孫繼平等[4]研究了智慧礦山與5G和WiFi6，對礦用5G與WiFi6技術應用進行了比較?；粽颀埖萚5]研究了礦用5G無線通信系統(tǒng)的組成及組網方式，并提出了5G技術在煤礦的應用場景。筆者認為礦用5G應用主要圍繞井下機器人、井下車輛無人駕駛、環(huán)境監(jiān)控與安全防護、VR/AR(Augmented Reality，增強現(xiàn)實)智能培訓、物聯(lián)網數(shù)據傳輸、智能工作面等煤礦井下智能化場景展開研究。

本文著重探討了適合煤礦井下應用的5G組網架構、5G網絡傳輸方式、行業(yè)小型核心網切片技術應用等，以期為5G在煤礦井下應用提供技術思路及方法。

1 礦井5G組網架構分析

公網5G分為非獨立組網(Non-Standalone，NSA)和獨立組網(Standalone，SA)2種架構。NSA架構是通過整合5G基站和4G核心網、基站的方式組網，投入小、部署快，能夠快速推進5G網絡覆蓋；SA架構為在新建5G基站基礎上建設獨立的5G核心網，初期建設成本高。2種5G組網架構對比見表1[6]。

目前國內公網運營商先行采用NSA架構[7]，在此基礎上逐步過渡到NSA/SA架構。SA架構尚處于推進階段。礦用5G專網建設技術尚在探討和論證階段。

1.1 NSA架構

基于NSA架構的5G網絡部署如圖1所示。其是在已有4G核心網基礎上，將5G作為4G副載波傳輸用戶數(shù)據，5G無線空口RRC(Radio Resource Control, 無線資源控制)、廣播等信令可由4G傳遞，數(shù)據通過5G NR(New Radio，新無線)和 4G LTE(Long-Term Evolution,長期演進)傳遞，終端連接方式為5G與4G雙連接。該架構下只能發(fā)揮5G的 eMBB (Enhanced Mobile Broadband，增強移動寬帶)優(yōu)勢，不能發(fā)揮其uRLLC(Ultra-Reliable and Low Latency Communications，高可靠和低延遲通信) 及mMTC(Massive Machine Type Communication，大規(guī)模機器類型通信)優(yōu)勢[8-9]。

表1 NSA，SA架構對比Table 1 Comparison between NSA and SA architecture

圖1 基于NSA架構的5G網絡部署Fig.1 5G network deployment based on NSA architecture

SA架構下5G組網進程分為3個階段：① 4G基站(eNB)和5G基站(gNB)共用4G核心網(EPC)，eNB為主站，gNB為從站，控制信號經eNB至EPC。② eNB和gNB共用5G核心網(NGCN)，eNB為主站，gNB為從站，控制信號經eNB至NGCN。③ eNB和gNB共用NGCN，gNB為主站，eNB為從站。

1.2 SA架構

SA為新建5G核心網、回程鏈路、基站等獨立組網架構，采用NFV(Network Functions Virtualization，網絡功能虛擬化)、SDN(Software Defined Network，軟件定義網絡)等技術，實現(xiàn)全新網元與接口技術，支持5G網絡引入的所有新功能和新業(yè)務。基于SA架構的5G網絡部署如圖2所示。該架構下終端與5G基站直接連接。5G頻點較4G高，初期部署難以實現(xiàn)連續(xù)覆蓋，會存在大量5G與4G系統(tǒng)間切換[10]，用戶體驗有待提高。

圖2 基于SA架構的5G網絡部署Fig.2 5G network deployment based on SA architecture

1.3 煤礦井下5G網絡架構

煤礦井下4G“一網一站”已普遍推廣應用，安裝了礦井4G核心網，可與公網無縫對接，實現(xiàn)了視頻監(jiān)控及調度、寬帶接入、語音集群、人員定位、應急指揮調度等功能的數(shù)據集成，以及全礦井信息流的無線高速傳輸。針對5G技術的特點，煤礦井下5G應用場景預測為井下機器人數(shù)據傳輸、VR/AR增強應用、環(huán)境監(jiān)測與安全防護、高清視頻、井下車輛無人駕駛等?；贜SA架構，構建如圖3所示的煤礦井下4G與5G融合網絡架構。該架構利用原來的4G網絡實現(xiàn)語音、調度功能，新建5G網絡拓展其他智能化應用，最大程度地節(jié)省建設投資，推進智慧礦山建設。

2 煤礦井下5G網絡傳輸方式分析

5G網絡主要包括接入網、承載網、核心網、空口等。5G接入網由BBU (Base Band Unit，基帶處理單元)、RRU (Remote Radio Unit，遠端射頻單元)、天線等組成。其中BBU包括CU (CentralizedUnit，集中單元)、DU (Distribute Unit，分布單元)。CU為BBU非實時部分，負責處理非實時協(xié)議和服務； DU負責處理物理層協(xié)議和實時服務。BBU提供與傳輸設備、射頻模塊、外部時鐘源、LMT(Local Maintenance Terminal，本地維護終端)或U2020連接的外部接口，實現(xiàn)信號傳輸、時鐘接收及BBU在LMT或U2020上的維護；RRU將基帶信號調制到發(fā)射頻段，經濾波放大后，通過天線發(fā)射。5G承載網為OTN(Optical Transport Network，光傳送網)?；贠TN的5G網絡傳輸方式如圖4所示。

圖3 基于NSA的煤礦井下5G網絡架構Fig.3 5G network architecture in coal mine underground based on NSA

圖4 5G網絡傳輸方式Fig.4 5G network transmission mode

煤礦井下5G業(yè)務需求、網絡架構直接影響承載網的帶寬、時延、時鐘精度和可靠性等指標，研究5G承載網功能劃分，網元下沉，不同模式的前傳、中傳、回傳組網方案，適應煤礦井下應用場景、狹長巷道特殊環(huán)境下的傳輸方式是5G技術在煤礦井下應用的關鍵。本文重點探討5G承載網前傳組網方案，具體如下。

(1) 光纖直連方案，如圖5所示。節(jié)點的每個RRU與DU全部采用光纖點到點直連組網。該方案布設簡單，最大的問題是占用光纖資源較多。隨著5G基站、載頻數(shù)量急劇增加，對光纖的使用量激增。對于煤礦井下集中場景(如水泵房、變電所等場所的機器人巡檢，VR/AR培訓，無人值守工作面等)的熱點覆蓋，可以采用該方案，以最大化滿足大帶寬、低時延、高可靠信息傳送需求。

圖5 光纖直連方案Fig.5 Optical-fiber direct connection scheme

(2) 無源WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分復用)方案，如圖6所示。將WDM安裝到RRU和DU上，實現(xiàn)波分復用。多個RRU通過1根光纖與DU連接，不同中心波長的光信號在同一根光纖中傳輸且互不干擾。該方案通過WDM將不同波長的光信號合成1路傳輸，減少了鏈路成本，但存在運維困難、不易管理、故障定位較難等問題，適用于煤礦井下網絡部署簡單、獨立維護性強的場景。但目前支持該方案的RRU設備體積較大，需要實現(xiàn)設備小型化后才可大規(guī)模應用于井下。

圖6 無源WDM方案Fig.6 Passive WDM scheme

(3) 有源OTN方案，如圖7所示。在RRU和DU中配置相應的OTN，多個前傳信號通過WDM共享光纖資源。與無源WDM方案相比，有源OTN方案支持點對點和組環(huán)，可靈活適應不同場景，無需增加光纖資源，同時提供環(huán)網保護，支持綜合承載和業(yè)務收斂環(huán)。該方案目前只有少數(shù)廠家的設備通過在RRU和OTN之間增加RHUB來實現(xiàn)。在設備小型化后，也可將DU和RRU放置到井下，DU通過OTN將數(shù)據傳輸?shù)降孛?，實現(xiàn)全礦井5G覆蓋。

3 煤礦井下5G網絡應用場景探討

5G網絡切片技術是將物理網絡劃分為多個邏輯虛擬網絡，每一個虛擬網絡根據時延、帶寬、安全性和可靠性等劃分，以靈活應對不同的網絡應用場景[11]。每個虛擬網絡內的設備、接入網、傳輸網和核心網邏輯獨立，任何一個虛擬網絡發(fā)生故障都不會影響其他網絡[12]。網絡切片優(yōu)化網絡資源分配，從而實現(xiàn)最大成本效率，滿足多元化需求，是實現(xiàn)5G多場景、多樣化應用的核心技術之一。隨著5G終端數(shù)量及種類增多，為滿足高帶寬、低時延、高密度需求，采用MEC(Mobile Edge Computing，移動邊緣計算)[13]技術實現(xiàn)網絡切片。

圖7 有源OTN方案Fig.7 Active OTN scheme

礦井5G網絡采用NSA/SA架構，采用無線網、核心網、承載網切片，實現(xiàn)5G業(yè)務端到端切片。針對煤礦井下不同業(yè)務場景或類型，確定無線業(yè)務隔離、時延等屬性來定義承載網切片；選擇業(yè)務端口、VLAN(Virtual Local Area Network,虛擬局域網)、IP的DSCP(Differentiated Services Code Point,差分服務代碼點)等進行無線網業(yè)務和承載網切片之間的映射。結合終端設備、接入網性能、核心網配置、網絡規(guī)模，實現(xiàn)獨立、隔離和集成的5G網絡切片。本文主要探討圖8中4種5G網絡切片應用場景。

圖8 煤礦井下5G網絡切片應用場景Fig.8 Application scenes of 5G network slice in coal mine underground

3.1 智能巡檢機器人

智能巡檢機器人利用5G大帶寬、低時延特性，有效解決實時通信問題；加載紅外熱成像儀、氣體檢測儀、高清攝像機等裝置，代替人對廠區(qū)及生產線巡檢，便于維護人員及時發(fā)現(xiàn)設備問題，提升巡檢質量和效率。智能巡檢機器人應用于水泵房、變電所等固定場所，先期采用NSA架構，主要實現(xiàn)無軌行走、多點自主巡航、可視化識別、實時數(shù)據回傳分析、自主執(zhí)行任務等功能。

針對巡檢機器人應用特性，搭載的傳感器大部分為采集、傳輸靜態(tài)數(shù)據，無需移動性管理，因此應用場景中5G核心網切片任務相對簡單。核心網、承載網協(xié)同通過基于SDN/NFV架構的切片編排器完成[14]：采用SDNO(SDN Openflow，SDN開放協(xié)議)實現(xiàn)承載網切片編排；通過SDNC(SDN Controller，SDN控制器)完成承載網切片部署；采用切片控制器完成無線網和承載網之間跨域的業(yè)務協(xié)調和編排，協(xié)調核心網、無線網和承載網切片管理。無線網切片粒度不易太大，否則無法滿足巡檢數(shù)據實時回傳的低時延需求。

3.2 環(huán)境監(jiān)測與安全防護

5G網絡可以更快的速度和更大的容量實現(xiàn)礦山全環(huán)節(jié)高清視頻監(jiān)控。與目前煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)僅能實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)及人員位置等監(jiān)控不同，5G網絡環(huán)境下采用邊緣計算服務器的影像分析及視頻圖像算法對高清圖像進行實時分析，針對人員、環(huán)境、設備、資產等提供全礦井、全流程智能安全預警。環(huán)境監(jiān)測與安全防護對網絡承載能力要求較高，5G網絡可搭載4G核心網，采用NSA架構，以有源OTN、無源WDM方案接入環(huán)網或點到點網絡，實現(xiàn)高清視頻無死角監(jiān)測預警。

為了滿足海量高清視頻數(shù)據承載需求，采用NFV技術對網絡功能進行虛擬化，建立無線網部分的邊緣云、核心網部分的核心云。邊緣云和核心云中的VMs(Virtual Machines，虛擬主機)通過SDN互聯(lián)互通[15]。將核心網中的MME(Mobility Management Entity，移動性管理實體)、S/P-GW(Serving/PDN Gateway，服務/PDN網關)和PCRF(Policy and Charging Rules Function，策略與計費規(guī)則功能單元)，無線網中BBU的DU轉移到VMs，與存儲服務器一起放入邊緣云，將部分虛擬化的核心網功能放入核心云。

3.3 VR/AR智慧煤礦

基于5G技術大帶寬、低時延特性，AR技術在煤礦井下應用成為可能。網絡云化可將AR終端的大量計算、存儲任務轉移到邊緣云，減輕AR終端的前端負擔。非現(xiàn)場實時的VR/AR智慧煤礦對網絡的帶寬要求較高，在SA獨立組網尚未完成的情況下，采用NSA架構、光纖直連或無源WDM傳輸方案，實現(xiàn)煤礦AR智能巡檢、設備運維、生產培訓等應用。SA方案成形后，可實現(xiàn)現(xiàn)場實時巡檢、運維、預警等功能。

因VR/AR智慧煤礦對于網絡時延要求較低，核心網可同時接入多個切片，為每個切片分配獨立地址，提高VR/AR獨立運行的流暢性。承載網切片粒度不易太細，否則會增加VR/AR編排及演示復雜度。無線網根據VR/AR單個數(shù)據端QoS(Quality of Service，服務質量)需求、通信負載或接口類型等，采用符合煤炭行業(yè)標準的服務器、存儲和網絡設備取代5G網絡中的專用網元設備。無線網體系結構對于每個切片做實時調整[16]。每個切片使用不同類型的無線網配置，以滿足不同運行需求。

3.4 井下車輛無人駕駛

井下車輛無人駕駛應用對5G網絡的低時延、高可靠、高覆蓋性要求很高，NSA架構無法滿足5G網絡的uRLLC及mMTC需求，因此采用SA架構，根據不同運輸車型選擇不同傳輸方式，實現(xiàn)井下無人駕駛。該應用受限于公網SA技術發(fā)展，短時間內難以實施。無人駕駛需要海量機端數(shù)據與云端實時計算，每小時處理約100 GB數(shù)據，時延為毫秒級。

井下無人駕駛屬于復雜應用場景，無線網采用獨立切片技術，獨立部署各種端到端切片。每個獨立切片包含完整的控制面和用戶面功能，形成不同無人駕駛群專有網絡，如CIoT(Cellular Internet of Things,蜂窩物聯(lián)網)、eMBB等。井下車輛無人駕駛5G網絡需突破切片隔離機制、配置等技術，以滿足無人駕駛車輛同時接入多個無線網切片、實時鑒權、用戶識別功能配置等需求?？紤]到井下無人駕駛的低時延要求，切片需最小化端到端時延，核心網功能和相關服務器均需下沉到邊緣云。

4 結論

(1) 提出的基于煤礦井下4G“一網一站”核心網的煤礦井下5G網絡架構能夠最大程度地節(jié)省投資并有效利用現(xiàn)有設備，具備4G基站的連續(xù)覆蓋、全礦井無線高速傳輸功能，同時充分利用了5G網絡優(yōu)勢，可實現(xiàn)煤礦井下5G智能化應用，推進智慧礦山建設。

(2) 針對煤礦井下5G業(yè)務需求，分析了5G承載網3種前傳組網方案：適用于井下水泵房、變電所等場所的機器人巡檢，VR/AR培訓，無人值守工作面等場景的光纖直連方案；適用于井下網絡部署簡單、獨立維護性強場景的無源WDM方案；可靈活適應不同場景的有源OTN方案。

(3) 探討了煤礦井下智能巡檢機器人、環(huán)境監(jiān)測與安全防護、VR/AR智慧煤礦3種5G網絡切片應用場景中的NSA架構應用模式，以及井下車輛無人駕駛場景中的SA架構應用模式。

(4) 5G技術為實現(xiàn)煤礦智能化提供支撐，是煤礦井下無線通信技術的發(fā)展趨勢。但5G技術在煤礦大規(guī)模應用還有很多方面需要研究及相關產業(yè)鏈廠商支持，包括配套的本質安全型CPE(Customer Premise Equipment,客戶前置設備)開發(fā)、基站及接入終端上下行速率優(yōu)化等。