煤礦5G 通信系統(tǒng)安全應(yīng)用技術(shù)分析

張建明

（西山煤電（集團）有限責(zé)任公司大數(shù)據(jù)中心，山西 太原 030053）

引言

現(xiàn)階段的煤礦生產(chǎn)作業(yè)已經(jīng)逐步實現(xiàn)智能化生產(chǎn)以及遠程控制生產(chǎn)，有效降低了人工成本投入，同時提升了井下作業(yè)的安全性，對于規(guī)范井下工作面的作業(yè)行為也具有積極作用。但在智能化生產(chǎn)以及遠程控制過程中，對于通信系統(tǒng)產(chǎn)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(tǒng)的調(diào)度效果。5G 通信技術(shù)因具備通信穩(wěn)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(tǒng)的首選通信技術(shù)。通過合理建設(shè)5G 基站和采取合理的安全應(yīng)用技術(shù)來保障井下通信效果。

1 煤礦5G 通信系統(tǒng)安全應(yīng)用技術(shù)的必要性

在當(dāng)前的煤礦生產(chǎn)作業(yè)中，部分煤礦生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)逐步實現(xiàn)了智能化生產(chǎn)，在煤礦開采過程中應(yīng)用了大量的智能化控制技術(shù)，使得綜采作業(yè)面的自動化程度更高，作業(yè)效率也得到了有效的保障。但同時對于井下通信系統(tǒng)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(xiàn)遠程控制目標(biāo)，確保井下綜采作業(yè)面各項綜采作業(yè)的高效開展。而5G 通信技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)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(yè)環(huán)境的影響，致使5G 通信安全難以保障。在5G 通信系統(tǒng)安全受到威脅的情況下，必定會影響煤礦智能技術(shù)的應(yīng)用，致使煤礦開采作業(yè)效率和開采作業(yè)安全受到威脅，嚴重的情況下，甚至?xí)?dǎo)致部分作業(yè)面停工的狀況?；诖祟悊栴}，需要加強對煤礦5G 通信系統(tǒng)安全應(yīng)用技術(shù)的研究力度，找出可靠的安全應(yīng)用技術(shù)措施提高5G 通信系統(tǒng)的運行可靠性，為煤礦智能化技術(shù)的應(yīng)用以及自動控制技術(shù)的應(yīng)用提供保障。

2 煤礦5G 通信系統(tǒng)的技術(shù)要求

在《有關(guān)煤礦5G 通信系統(tǒng)安全技術(shù)的管理方案》中明確指出，5G 通信系統(tǒng)需要具備獨立穩(wěn)定運行的特性，即在外網(wǎng)環(huán)境安全受到威脅，且外部網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障問題時，5G 通信系統(tǒng)也可獨立運行保障通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч?。因此，在建立通信系統(tǒng)框架時，需要考慮到5G 通信系統(tǒng)的安全問題，并在其中增加本安網(wǎng)關(guān)。基于上述內(nèi)容，進行5G 通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。

3 煤礦5G 通信系統(tǒng)安全設(shè)計方案

根據(jù)上文所提出的通信系統(tǒng)安全應(yīng)用需求，在進行5G 核心網(wǎng)安全設(shè)計時，需要優(yōu)先選取獨立組網(wǎng)架構(gòu)，確保對各通信服務(wù)系統(tǒng)的集中控，5G 通信系統(tǒng)的專網(wǎng)核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖2。

如圖2 所示，對核心網(wǎng)絡(luò)采取的是標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)型架構(gòu)，在控制面中集合了多種技術(shù)功能，是對多系統(tǒng)功能的有效融合。主要包括網(wǎng)絡(luò)切片功能、會話管理功能、認證管理功能、數(shù)據(jù)管理功能、策略控制功能、鑒權(quán)服務(wù)功能和網(wǎng)元存儲功能等，用戶界面則為用戶管理功能。每個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)單元均服務(wù)于不同的接口，用戶可根據(jù)自身的服務(wù)需求選擇特定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。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(jù)煤礦開采以及通信服務(wù)需求的不同，對各類功能進行優(yōu)化和組合，以提高通信服務(wù)效果。除此之外，考慮到通信安全問題，還在其中應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)安全策略，主要是借助網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)以及軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，實現(xiàn)對軟硬件的結(jié)耦、控制與轉(zhuǎn)發(fā)。這其中切片網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有效提升了系統(tǒng)運行的靈活性，且能夠?qū)⒏黝愅ㄐ艛?shù)據(jù)控制在安全范圍內(nèi)，有效隔絕了外部環(huán)境的威脅影響，能夠達成提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行安全的目標(biāo)[1]。

3.1 軟件方案

在該通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，借助網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隔離服務(wù)目標(biāo)，主要作用是使通信網(wǎng)絡(luò)滿足不同作業(yè)場景的服務(wù)需求。在煤礦通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流向存在一定的特殊性，在搭建5G 通信網(wǎng)絡(luò)時，需要先使終端設(shè)備與基站連接，再由核心交換機對終端設(shè)備的數(shù)據(jù)進行分流處理，使其分別流向不同的業(yè)務(wù)環(huán)境，滿足不同作業(yè)面和工作面的通信服務(wù)需求，確保整個數(shù)據(jù)流能夠在業(yè)務(wù)內(nèi)完成本地閉環(huán)。這種與外部網(wǎng)絡(luò)隔離開來，相對獨立的數(shù)據(jù)傳輸方式可在一定程度上降低外網(wǎng)對5G 通信網(wǎng)絡(luò)安全的影響，有助于提升通信系統(tǒng)運行的安全性。

煤礦通信業(yè)務(wù)中網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的應(yīng)用可以增強通信系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使其適合不同業(yè)務(wù)場景的通信需求。同時，可以根據(jù)井下作業(yè)特點和資源分配需求對特定資源進行優(yōu)先配置。具體來說，將智能通信終端、生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)、傳感數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等進行等級劃分，并且根據(jù)特定場景下的數(shù)據(jù)傳輸需求對傳輸帶寬和速率進行優(yōu)先等級的調(diào)整，這樣既可實現(xiàn)對通信技術(shù)資源的合理分配，也能保障各類通信效率要求較高的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)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(shè)計

5G 基站與4G 基站技術(shù)的差異在于5G 的功率以及射頻指標(biāo)均優(yōu)于4G 技術(shù)。但在爆炸環(huán)境設(shè)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(xiàn)階段需要關(guān)注的重點問題?；诖耍谶M行硬件方案設(shè)計時需要重點關(guān)注5G 基站硬件的設(shè)置，在本次研究中優(yōu)先選用5G NR 技術(shù)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(shù)據(jù)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(wǎng)設(shè)備接口，能夠?qū)崿F(xiàn)通信一體化的目標(biāo)。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(shè)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(zhuǎn)變?yōu)檩^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(huán)境的射頻功率要求。

為使5G 基站射頻功率符合爆炸環(huán)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(jīng)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(fā)生變化。當(dāng)基站前端發(fā)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(fā)射功率應(yīng)為24 dBm。而單路射頻發(fā)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(huán)境的射頻功率[2]。

4 結(jié)語

5G 通信系統(tǒng)的建設(shè)能夠提升煤礦智能化發(fā)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(shù)的軟件方案和硬件方案進行闡述，借助網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)以及天線隔離技術(shù)可在一定程度上提升5G 基站運行可靠性以及5G 通信系統(tǒng)的運行安全性，降低環(huán)境因素對通信效果的影響。