5G 專網(wǎng)在平朔東露天智能化礦山建設(shè)中的應(yīng)用

何鵬宇

（中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西 朔州 036006）

近年來，無人駕駛、遠(yuǎn)程遙控、智能傳感等技術(shù)在露天礦的逐步推廣和應(yīng)用，原有的4G、Wi－Fi、Mesh 等無線通信技術(shù)，對于智能化礦山數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸?、實時性和可靠性等的要求已逐步產(chǎn)生制約[1]。5G 作為新一代移動通信技術(shù)，通過一系列重大技術(shù)革新，在各項關(guān)鍵性能指標(biāo)方面均有質(zhì)的提升，已成為引領(lǐng)礦山轉(zhuǎn)型升級的新型基礎(chǔ)設(shè)施[2]。平朔東露天礦通過搭建5G 無線網(wǎng)絡(luò)，利用大帶寬、低時延以及廣連接的特性，支撐豐富的業(yè)務(wù)場景和應(yīng)用，促進(jìn)礦山數(shù)字化和智能化的融合，實現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 5G 賦能智能化礦山的關(guān)鍵技術(shù)及性能優(yōu)勢

智能化礦山所涉及的諸多新技術(shù)的落地，均依托于5G 網(wǎng)絡(luò)所具備的卓越的性能和特點。5G 網(wǎng)絡(luò)性能的提升不是依靠單一技術(shù)的進(jìn)步，而是在多種技術(shù)共同發(fā)展和相互配合下實現(xiàn)的。

1）網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。第3 代合作伙伴計劃（3GPP）定義了增強(qiáng)型移動寬帶（eMBB）、高可靠低延遲通信（mMTC）、海量機(jī)器類通信（uRLLC）3 大典型5G 應(yīng)用場景。5G 采用了網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行動態(tài)分配和相互隔離，從而滿足多樣化的業(yè)務(wù)需求。在東露天智能化礦山5G 應(yīng)用場景中，無人駕駛卡車和無人值守鉆機(jī)中的多路高清視頻回傳，要求網(wǎng)絡(luò)具備超高速率的傳輸性能；遠(yuǎn)程控制和無人駕駛則對網(wǎng)絡(luò)的時延性提出了極高的要求。因此，采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)能夠為智能化礦山的不同的業(yè)務(wù)場景提供相對獨立、安全的無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)由核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和無線網(wǎng)子切片技術(shù)構(gòu)成，共同組成了整個網(wǎng)絡(luò)的切片功能[3]。核心網(wǎng)的切片技術(shù)支持媒體面和控制面完全獨立或半獨立等多種靈活切片方式。其中，完全獨立模式具備隔離性高，安全性好等優(yōu)點，適用于遠(yuǎn)程控制等應(yīng)用場景；半獨立模式的實現(xiàn)則較為經(jīng)濟(jì)，適用于視頻監(jiān)控等應(yīng)用場景。傳輸網(wǎng)切片技術(shù)兼具軟硬切片能力，可面向不同業(yè)務(wù)類型靈活配置。常用的FlexE 接口綁定技術(shù)，滿足靈活帶寬和通道硬隔離的需求，面向高可靠性、低時延的業(yè)務(wù)使用需求。5G 無線網(wǎng)切片技術(shù)根據(jù)不同區(qū)域業(yè)務(wù)差異，可對無線網(wǎng)功能進(jìn)行靈活切分。

2）超大帶寬技術(shù)。超大的帶寬技術(shù)是5G 通信技術(shù)的突出性能之一，是支撐智能化礦山建設(shè)中大帶寬應(yīng)用如多路高清視頻傳輸?shù)幕A(chǔ)保障。在空口側(cè)，采用了全新的信道調(diào)制編碼技術(shù)和大規(guī)模天線陣列技術(shù)（Massive MIMO）等，峰值速率理論上達(dá)到20 Gb/s，較上一代通信技術(shù)提升40 倍左右，滿足智能化礦山中多路高清視頻上傳以及海量無線傳感器接入的帶寬需求。在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，前傳網(wǎng)絡(luò)接口由cPRI 接口重構(gòu)為ecPRI 接口，接口速率由10 Gb/s提升至25 Gb/s。對于5G 回傳網(wǎng)絡(luò)，接入層、匯聚層和核心層的帶寬也相比4G 網(wǎng)絡(luò)有了大幅提升[4]。

3）超低時延技術(shù)。無人值守鉆機(jī)和無人駕駛卡車等智能化礦山應(yīng)用場景，對網(wǎng)絡(luò)的超低時延性能提出了非常嚴(yán)苛的要求。采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以為超低時延業(yè)務(wù)提供切片通道，但該切片通道自身首先應(yīng)滿足低時延的要求。5G 網(wǎng)絡(luò)在無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)方面均提出了一系列超低時延新技術(shù)[5]。在無線網(wǎng)方面，通過對幀結(jié)構(gòu)技術(shù)全面革新，縮短子幀的長度，空口時延得到降低；在傳輸網(wǎng)方面，通過對傳輸設(shè)備技術(shù)升級，采用時隙硬管道、減少封裝層級等技術(shù)，大幅度降低傳輸時延；在核心網(wǎng)方面，將MEC 服務(wù)器下沉至無線接入網(wǎng)邊緣，使業(yè)務(wù)在本地得到處理，從而縮短了用戶端至服務(wù)器的時延。

5G 多項關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，使其各項性能大幅提高。與4G 技術(shù)相比，5G 技術(shù)在傳輸速率、連接密度、時延和頻譜效率等方面均有突出優(yōu)勢，4G 和5G 通信技術(shù)性能指標(biāo)對比見表1。

表1 4G 和5G 通信技術(shù)性能指標(biāo)對比

2 平朔東露天礦5G 專網(wǎng)方案

2.1 5G 網(wǎng)絡(luò)需求

以服務(wù)平朔東露天礦的生產(chǎn)為核心，以滿足智能化礦山應(yīng)用為重點，通過5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，為平朔東露天礦1 臺套無人駕駛卡車和1 臺無人值守鉆機(jī)提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋，用以上傳車載攝像頭監(jiān)控圖像和傳感器采集信息等數(shù)據(jù)，并下發(fā)控制信息數(shù)據(jù)。其中，1臺套卡車無人駕駛設(shè)備包括：卡車7 臺，輔助車輛5臺。各類車輛均安裝有5G 工業(yè)終端。1 臺套卡車自動駕駛的5G 性能技術(shù)要求見表2，1 臺無人值守鉆機(jī)的5G 性能技術(shù)要求見表3。

表2 1 臺套卡車自動駕駛的5G 性能技術(shù)要求

表3 1 臺無人值守鉆機(jī)的5G 性能技術(shù)要求

5G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍是平朔東露天礦南幫1260平盤至西向東的采裝、運(yùn)輸和排土等作業(yè)區(qū)域，該區(qū)域東西運(yùn)輸距離長約1 800 m，采裝和排棄2 個區(qū)域南北長度各約600 m。

2.2 整體方案

1）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。按照網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合東露天礦5G 網(wǎng)絡(luò)需求情況，采用5G 核心網(wǎng)＋邊緣計算服務(wù)器（5GC＋MEC）的整體方案。礦區(qū)核心網(wǎng)基于5G公網(wǎng)的核心網(wǎng)架構(gòu)，將5G UPF 和MEC 下沉礦區(qū)，既可滿足業(yè)務(wù)及安全需求，保證數(shù)據(jù)不出礦區(qū)，又可大幅降低業(yè)務(wù)端到端時延。主干傳輸采用切片分組網(wǎng)（SPN）架構(gòu)，滿足10～100 Gb/s 傳輸帶寬，支持切片帶寬動態(tài)調(diào)整及路徑保護(hù)。

2）容災(zāi)方案。在礦區(qū)部署應(yīng)急控制面，與中心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)同步，以應(yīng)對極端情況下，在礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)與中心網(wǎng)絡(luò)連接中斷以后，礦區(qū)本地網(wǎng)絡(luò)能夠無縫接管業(yè)務(wù)，保證企業(yè)關(guān)鍵生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。東露天礦MEC 容災(zāi)方案采用“共享式UPF Bypass 容災(zāi)方案”，共享UPF 基于入駐UPF 的容量做軟硬件容災(zāi)冗余，預(yù)留容量用于礦區(qū)UPF 的容災(zāi)，發(fā)生故障時，礦區(qū)UPF 故障后業(yè)務(wù)通過地市共享UPF 迂回到礦區(qū)，保障礦區(qū)業(yè)務(wù)不中斷。

3）組網(wǎng)方式。關(guān)于5G 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式，分為非獨立組網(wǎng)（NSA）和獨立組網(wǎng)（SA）2 種方式[6]。非獨立組網(wǎng)是對4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，在融合4G 核心網(wǎng)的基礎(chǔ)上部署5G 網(wǎng)絡(luò)，所有信令流程與4G 基本一致，5G 網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于原有4G 網(wǎng)絡(luò)的1 個輔載波。優(yōu)點是核心網(wǎng)通過簡單的改造就可以享受5G 無線的大帶寬能力，網(wǎng)絡(luò)投資較低；缺點是上下行速率和時延性能方面均無法達(dá)到5G 網(wǎng)絡(luò)在獨立組網(wǎng)下的特性。獨立組網(wǎng)所用基站和基礎(chǔ)設(shè)施均重新部署和建設(shè)，其核心網(wǎng)架構(gòu)以及信令格式等都是重新定義的。能支持更多4G 無法支持的性能，實現(xiàn)“專網(wǎng)專用”，滿足高帶寬、低時延的需求。由于東露天智能化礦山建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)需求對于時延特性要求極高，且礦區(qū)無現(xiàn)有4G 專網(wǎng)，因此東露天礦5G 網(wǎng)絡(luò)選用獨立組網(wǎng)模式。

2.3 核心網(wǎng)

平朔東露天礦5G 核心網(wǎng)功能實體為邊緣計算服務(wù)器（MEC）。MEC 是電信技術(shù)（CT）和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（IT）融合的產(chǎn)物。其價值在于通過CT 聯(lián)接和IT 計算承載的業(yè)務(wù)，加上運(yùn)營商的一體化服務(wù)能力，實現(xiàn)最終獨特的價值交付。一方面實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)分流到本地網(wǎng)絡(luò)，不僅保障礦區(qū)數(shù)據(jù)高安全性，而且節(jié)省上行帶寬資源；另一方面MEC 的邊緣部署可以減小數(shù)據(jù)傳輸距離，降低傳輸時延，滿足礦區(qū)工業(yè)控制等低時延業(yè)務(wù)訴求[7]。MEC 在礦方獨立部署、獨立使用，通過內(nèi)置防火墻，可保證網(wǎng)絡(luò)的安全性。

2.4 傳輸網(wǎng)

5G 傳輸采用支持5G 承載新特性的SPN 進(jìn)行組網(wǎng)，滿足5G 業(yè)務(wù)需求，并具備系統(tǒng)擴(kuò)容和升級的能力。配置2 臺接入層SPN 設(shè)備，上行對接城域SPN設(shè)備，并通過城域SPN 設(shè)備傳輸至中心核心網(wǎng)，橫向?qū)拥V區(qū)MEC，2B 業(yè)務(wù)不出礦區(qū)。

承載網(wǎng)均采用雙歸3 點環(huán)的方式連接到地面的2 臺匯聚設(shè)備，提升設(shè)備和鏈路的可靠性[8]。目前部署3 個FlexE 切片，1 個切片承載卡車無人駕駛業(yè)務(wù)，1 個切片承載鉆機(jī)無人值守業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)間硬隔離滿足各自網(wǎng)絡(luò)使用要求，第3 個切片為將來業(yè)務(wù)發(fā)展預(yù)留。

2.5 無線網(wǎng)

1）基站類型選擇?；臼?G 網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，主要用于提供5G 空口協(xié)議功能，為有線通信網(wǎng)絡(luò)與無線終端之間提供無線信號傳輸。按照邏輯功能劃分，5G 基站可分為基帶單元（BBU）和射頻單元（AAU）2 部分[9]。5G 基站根據(jù)覆蓋能力大致分為2 類，即宏基站和微基站。由于平朔東露天礦的網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域為東西1 800 m，南北600 m 的1 個U 形帶狀區(qū)域，統(tǒng)籌考慮東露天礦的地形環(huán)境特征以及網(wǎng)絡(luò)的容量、速率、覆蓋等因素，選擇以宏站覆蓋為主，待宏站建設(shè)完成網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整后，根據(jù)測試結(jié)果和現(xiàn)場實際需求對弱覆蓋區(qū)部位進(jìn)行深度覆蓋。

2）頻段分析。平朔東露天礦5G 網(wǎng)絡(luò)采用中國移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其5G 占用頻段為700 MHz、2.6 GHz、4.9 GHz。其中2.6 GHz 頻段擁有160 M 帶寬，傳輸速率高，支持大規(guī)模天線陣列技術(shù)（Massive MIMO），大幅提高系統(tǒng)的接入量和頻譜利用率；700 MHz 頻段被譽(yù)為“黃金頻段”，擁有2×30 MHz 帶寬，具有傳播損耗低、覆蓋范圍廣等多種優(yōu)勢，但其缺點是帶寬窄，難以實現(xiàn)大規(guī)模天線陣列，速率和容量有限，因此700 MHz 頻段主要用以補(bǔ)充其他高頻段的覆蓋廣度；4.9 GHz 頻段則主要用于一些室內(nèi)或重點區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。東露天礦采用了行業(yè)領(lǐng)先的2.6 GHz 和700 MHz 頻段融合技術(shù)，既滿足了作業(yè)現(xiàn)場對于高速率傳輸?shù)囊?，又兼顧了信號深度覆蓋的需要。

3）基站數(shù)量確定。平朔東露天礦網(wǎng)絡(luò)覆蓋場景近似為視距傳輸（LOS）場景，按照上行邊緣速率75 Mbps 計算，2.6 GHz 的覆蓋半徑約為1 000 m，700 MHz 的覆蓋半徑約為1 500 m。因此，結(jié)合東露天礦的網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域地形，坡面相對平緩易覆蓋，經(jīng)現(xiàn)場電測，在1260 平盤規(guī)劃新建2 個基站塔，利用2.6 GHz ＋700 MHz 頻段融合技術(shù)即可完成1260 平盤南幫至西向東的采裝、運(yùn)輸、排土等作業(yè)區(qū)域覆蓋。

礦坑的推進(jìn)方向為至東向西。平盤道路西側(cè)為采裝區(qū)域，無人值守鉆機(jī)位于該區(qū)域，且該區(qū)域可能出現(xiàn)多臺無人駕駛卡車排隊等待電鏟裝載的情況，因此，在西側(cè)鐵塔安裝3 套2.6 G BBU 設(shè)備和2 套700 M BBU 設(shè)備，用以覆蓋采裝區(qū)域和運(yùn)輸?shù)缆?。道路東側(cè)為排土區(qū)域，該區(qū)域出現(xiàn)無人駕駛卡車排隊的可能性較小，因此在東側(cè)鐵塔安裝2 套2.6 G BBU 設(shè)備，主要用以覆蓋運(yùn)輸?shù)缆泛团磐羺^(qū)。

站點部署完成后，對1260 平盤全程拉網(wǎng)電測。在2.6 Hz 網(wǎng)絡(luò)下，單臺終端設(shè)備的最大上行速率195.65 Mb/s，平均上行速率112.85 Mb/s，時延小于10 ms；700 MHz 網(wǎng)絡(luò)下，西側(cè)作業(yè)區(qū)域單臺終端設(shè)備最大上行速率106.44 Mb/s，平均上行速率40.22 Mb/s，時延小于10 ms。從測試結(jié)果來看，完全滿足鉆機(jī)無人值守和卡車無人駕駛對網(wǎng)絡(luò)性能的要求。

3 基于5G 的東露天智能化礦山應(yīng)用場景

平朔東露天礦目前基于5G 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景主要是卡車無人駕駛和鉆機(jī)無人值守。卡車無人駕駛系統(tǒng)具備單車自動行駛以及成套設(shè)備（電鏟、卡車、推土機(jī)等設(shè)備）編組運(yùn)行功能，并能夠感知周圍環(huán)境以及障礙物等信息，做出相應(yīng)的決策命令，具備自動控制和緊急避障能力。鉆機(jī)無人值守系統(tǒng)指在無人值守的情況下完成鉆機(jī)的運(yùn)行、自動布孔和水平找正等。以上2 個系統(tǒng)均可在包括在遠(yuǎn)程控制和自動駕駛狀態(tài)下完成以上功能。平朔東露天礦5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景如圖1。

圖1 平朔東露天礦5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)分為車載終端和控制終端2 個部分。車載終端安裝在礦用卡車或鉆機(jī)車體上，接收并執(zhí)行控制終端的指令，通過高清攝像頭采集并上傳作業(yè)視頻，并回傳車輛動作信息和狀態(tài)信息等?？刂平K端分布在礦坑邊幫附近或調(diào)度室，接收礦用卡車或鉆機(jī)發(fā)送的各類信息，并發(fā)出控制指令。車載終端和控制終端的雙向的數(shù)據(jù)信息以及單向的圖像信息通過5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸。實踐證明，5G 網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低延時特點可滿足該方案對網(wǎng)絡(luò)實時性、視頻傳輸高帶寬的要求。

4 結(jié)語

基于智能化露天礦建設(shè)對高性能無線通信網(wǎng)絡(luò)需求的問題，探討了5G 通信技術(shù)在賦能智能化露天礦中的關(guān)鍵技術(shù)及性能優(yōu)勢。目前，平朔東露天礦5G 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建設(shè)完畢并進(jìn)入了試運(yùn)行階段，開創(chuàng)了國內(nèi)露天礦行業(yè)5G 2.6 GHz 和700 MHz 頻段的融合組網(wǎng)應(yīng)用的先河。隨著5G 技術(shù)的逐步成熟和應(yīng)用經(jīng)驗的日漸積累，5G 專網(wǎng)已成為打造智能化露天礦的必要條件。利用5G 專網(wǎng)的大帶寬、低時延等特性，礦山智能化系統(tǒng)和設(shè)備的信息交互變得前所未有的高效和穩(wěn)定。