5G 特性在智慧礦山中的應用研究

劉昕，付元，李晨鑫

（1.北京天地融創(chuàng)科技股份有限公司，北京 100013；2.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、邊緣計算等技術(shù)的發(fā)展和逐步成熟，智慧礦山的建設開始進入快車道。先進的信息化技術(shù)是礦山實現(xiàn)數(shù)字化、智能化的基礎(chǔ)，5G 低時延、大帶寬和廣覆蓋的特點，可有效解決礦山智能化過程中面臨的大量傳感信息回傳、遠程控制等問題。然而，礦山環(huán)境與公網(wǎng)的5G 建設部署場景存在顯著差異，礦井現(xiàn)場設備回傳的上行帶寬需求顯著、大帶寬需求與低時延高可靠需求共存，井工礦井下無線信號衰減嚴重、覆蓋受限等，都對智慧礦山5G 建設提出了更高需求。

近年來，業(yè)界學者聚焦礦山5G 技術(shù)展開了研究。孫繼平[1]系統(tǒng)研究了礦用5G 技術(shù)特性、適用范圍和智能化應用場景，提出了礦用5G 的總體要求和建設方向。鄭小磊等[2]研究了煤礦5G 通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求和檢驗方法，對煤礦5G 安標技術(shù)的具體要求和測試方法進行了系統(tǒng)介紹。張立亞[3]研究了礦山場景中基于5G 的可視化智能監(jiān)控技術(shù)，分析了5G 用于視頻監(jiān)控的傳輸需求。劉雨燕等[4]研究了5G 通信對智慧礦山建設的主要支撐作用。顧義東[5]研究了5G 技術(shù)在煤礦掘進工作面運輸系統(tǒng)中的應用，提出了5G 用于智能掘進的傳輸需求。上述成果主要針對礦用5G 的宏觀技術(shù)發(fā)展方向、測試方法和特定應用場景展開研究，缺乏對智慧礦山5G 各類應用場景特點的全面梳理。

本文針對智慧礦山建設的主要業(yè)務需求進行全面梳理，分析智慧礦山應用場景對通信網(wǎng)絡的指標要求，結(jié)合礦山5G 建設的環(huán)境特點，研究智慧礦山5G 網(wǎng)絡架構(gòu)、智慧礦山5G 關(guān)鍵技術(shù)及5G 網(wǎng)絡資源優(yōu)化配置方法，確保5G 網(wǎng)絡對智慧礦山應用場景的全面支撐。

1 智慧礦山5G 應用場景及應用環(huán)境特點

1.1 智慧礦山5G 應用場景

智慧礦山5G 主要承載傳感器監(jiān)測、視頻監(jiān)控、遠程控制及自動駕駛等高等級智能化應用的信息傳輸。

（1）傳感器信息回傳需求。利用5G 技術(shù)的廣覆蓋特性，對實時監(jiān)測礦山井下瓦斯、溫度、濕度等環(huán)境類傳感器[6-8]的數(shù)據(jù)進行采集，并通過5G 網(wǎng)絡回傳至地面數(shù)據(jù)中心進行實時分析。

（2）視頻信息采集和回傳需求?；?G 技術(shù)大帶寬特性，對部署在井下采、掘、運及機電硐室等關(guān)鍵地點的視頻監(jiān)視數(shù)據(jù)進行采集和匯聚[9-11]，并通過5G 網(wǎng)絡實時回傳至地面監(jiān)控中心或井下集控中心進行實時分析。

（3）實時控制信息交互需求。利用5G 技術(shù)低時延特性，保證礦山通風、排水、電力等控制信息實時交互，以實現(xiàn)精準及時的控制和調(diào)整[12-14]。對部分大型設備進行智能化改造，逐步實現(xiàn)遠程控制。

（4）自動駕駛信息采集和回傳需求。井下無人駕駛對礦井無線網(wǎng)絡的需求極高，5G 技術(shù)為井下通信網(wǎng)絡提供充足的帶寬、低時延及精確定位能力。在正常行駛過程中，5G 技術(shù)將傳感器數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)進行實時回傳，當自動駕駛出現(xiàn)問題時，能隨時通過遠程人工方式進行接管[15-16]。

1.2 智慧礦山5G 應用環(huán)境特點

由于礦山環(huán)境與公網(wǎng)的5G 建設部署環(huán)境存在差異，智慧礦山5G 與公網(wǎng)5G 建設的技術(shù)要求存在明顯不同，具體體現(xiàn)在以下3 個方面：

（1）系統(tǒng)架構(gòu)方面。《煤礦5G 通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求（試行）》規(guī)定，5G 系統(tǒng)應能實現(xiàn)獨立組網(wǎng)、獨立運行，在外部網(wǎng)絡故障或斷開時，系統(tǒng)應能安全、獨立、穩(wěn)定運行，保證無線通信及數(shù)據(jù)傳輸可靠、穩(wěn)定；應滿足井上下安全隔離的相關(guān)規(guī)定。需要有針對性地構(gòu)建礦山5G 專用系統(tǒng)架構(gòu)。

（2）設備接入特點方面。礦井傳感器、視頻監(jiān)控設備部署的覆蓋面廣、設備數(shù)量多、傳輸數(shù)據(jù)量大，導致礦井上行傳輸速率需求顯著、上行無線傳輸資源需求高于下行無線傳輸資源需求，而公眾電信網(wǎng)絡則以下行傳輸為主。因此，針對礦山環(huán)境5G 應用，需要研究上行傳輸能力增強技術(shù)。

（3）傳輸業(yè)務需求方面。智慧礦山5G 承載的業(yè)務類型多，上行傳輸?shù)拇髱捫枨蠛拖滦袀鬏數(shù)牡蜁r延需求共存，多業(yè)務并行傳輸需要同時滿足不同業(yè)務、不同鏈路的差異化傳輸需求，對承載網(wǎng)和無線網(wǎng)的網(wǎng)絡調(diào)度能力均提出更高要求。

2 礦山5G 網(wǎng)絡架構(gòu)

礦山5G 網(wǎng)絡架構(gòu)采用核心網(wǎng)+承載網(wǎng)+接入網(wǎng)的總體架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 礦山5G 網(wǎng)絡架構(gòu)Fig.1 Mine 5G network architecture

礦山5G 核心網(wǎng)利用專網(wǎng)通信平臺進行用戶數(shù)據(jù)計算和管理，將用戶面功能（User Plane Function，UPF）單元和多接入邊緣計算（Multi-acess Edge Computing，MEC）單元下沉至礦區(qū)，實現(xiàn)礦山5G 獨立組網(wǎng)、獨立運行功能，并支持低時延傳輸。核心網(wǎng)的業(yè)務管理功能（Service Management Function，SMF）用于實現(xiàn)傳輸業(yè)務管理。核心網(wǎng)通過與承載網(wǎng)的智能傳輸網(wǎng)（Smart Transport Network，STN）設備對接，控制數(shù)據(jù)在內(nèi)網(wǎng)/外網(wǎng)的流向。礦山5G 終端在5G 網(wǎng)絡注冊后，核心網(wǎng)根據(jù)接入點的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡名稱（Data Network Name，DNN）和無線基站歸屬，確定下沉的UPF，用戶面數(shù)據(jù)經(jīng)過基站和STN 設備，之后回傳到下沉的UPF，進而通往礦山數(shù)據(jù)中心的防火墻，再接入內(nèi)網(wǎng)。礦山5G 承載網(wǎng)用于實現(xiàn)井上下數(shù)據(jù)交換，其核心交換機設備集成信息安全模塊進行數(shù)據(jù)安全審計監(jiān)測和傳輸控制，實現(xiàn)井上下數(shù)據(jù)安全隔離；承載網(wǎng)的STN 設備采用網(wǎng)絡切片和QoS（Quality of Service，服務質(zhì)量）管理模塊，對不同業(yè)務進行信道劃分和隔離，實現(xiàn)多業(yè)務共存信道隔離，保障傳輸性能。礦山5G 接入網(wǎng)采用基站控制器+基站匯集器+基站+終端的方式，實現(xiàn)井下5G 信號分區(qū)、按需覆蓋?；九c終端之間的空中接口通過載波聚合技術(shù)為上行大帶寬傳輸提供更多資源。針對不同傳輸需求指標，采用不同的空口資源調(diào)度機制，同時保障下行低時延傳輸和上行大帶寬傳輸性能。

3 礦山5G 關(guān)鍵技術(shù)與應用

為滿足礦山5G 的多樣化應用場景、上行大帶寬傳輸和增強覆蓋需求，對網(wǎng)絡切片及QoS 機制、靈活空口資源調(diào)度機制和載波聚合等關(guān)鍵技術(shù)進行研究，支持礦山5G 有效應用。礦用5G 關(guān)鍵技術(shù)及承載應用的關(guān)系見表1。

表1 礦用5G 關(guān)鍵技術(shù)與承載應用的關(guān)系Table 1 Relationship between key technologies and carrying application of mine 5G

3.1 網(wǎng)絡切片及QoS 機制

網(wǎng)絡切片技術(shù)及QoS 機制是5G 承載網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，共同實現(xiàn)在同一網(wǎng)絡中不同業(yè)務數(shù)據(jù)需求。QoS 機制為不同業(yè)務定義具體的傳輸參數(shù)指標。網(wǎng)絡切片技術(shù)是將同一物理網(wǎng)絡系統(tǒng)劃分為不同的邏輯單元，多個邏輯單元獨立組成虛擬網(wǎng)絡，即網(wǎng)絡切片。每個網(wǎng)絡切片都可被視為一個獨立的網(wǎng)絡，能夠承載對應的QoS 指標。當傳輸具體業(yè)務時，網(wǎng)絡切片按照傳輸業(yè)務的QoS 指標，將業(yè)務數(shù)據(jù)映射到不同的切片資源上進行傳輸，按照不同業(yè)務需求進行資源配置。根據(jù)對礦山業(yè)務的需求分析，將礦山5G 網(wǎng)絡劃分為傳感器切片、視頻回傳類切片、實時控制類切片、遠程控制類切片4 種。傳感器切片對應瓦斯、溫度、濕度等環(huán)境傳感器，屬于小帶寬、廣覆蓋通用切片。視頻回傳類切片對應礦區(qū)、園區(qū)、巷道、工作面等視頻監(jiān)控信息回傳場景，屬于大帶寬通用切片。實時控制類切片對應通風、排水、機電控制及其他實時控制類場景，屬于低時延、小帶寬切片。遠程控制類切片對應自動駕駛、遠程駕駛、遠程控制類場景，屬于大帶寬、低時延切片。其中，低時延切片的數(shù)據(jù)必須通過下沉UPF，從而保障信息傳送和控制時延。對于非低時延類切片，可通過公網(wǎng)回傳至園區(qū)數(shù)據(jù)中心。對于各類切片的具體實現(xiàn)，需要在承載網(wǎng)中設計網(wǎng)絡切片和QoS 指標管理模塊，實現(xiàn)切片資源與QoS 指標映射，保障業(yè)務傳輸性能。

3.2 靈活空口資源調(diào)度機制

針對接入網(wǎng)空口無線傳輸需求，設計靈活的空口資源調(diào)度機制。靈活的空口資源調(diào)度機制能夠根據(jù)不同業(yè)務傳輸數(shù)據(jù)包的特點，靈活使用不同的空口資源調(diào)度方法，確保礦山5G 多樣化業(yè)務傳輸需求得到全面滿足。

根據(jù)典型業(yè)務傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包特點，大帶寬業(yè)務以大包傳輸為主，時延要求不高，適合采用資源請求-業(yè)務緩存報告資源分配-業(yè)務緩存-數(shù)據(jù)傳輸資源分配的空口資源調(diào)度方式，該方式流程較為復雜，但能夠?qū)崿F(xiàn)空口資源按需調(diào)度，保證帶寬。而低時延高可靠業(yè)務則主要傳輸控制類信息，數(shù)據(jù)包以小包為主，數(shù)據(jù)量較小但時延要求極高，適合采用無線資源塊資源預留方式，即針對低時延業(yè)務（如礦山遠程控制類切片和實時控制類業(yè)務），直接采用預留的專用空口資源（如30%的空口資源）進行傳輸，達到降低時延的效果。

3.3 載波聚合技術(shù)

由于礦山業(yè)務的種類和需求較多，且存在大量的視頻類大帶寬數(shù)據(jù)需要上傳，當單一頻段無法滿足上行傳輸需求時，通過載波聚合技術(shù)，將多個連續(xù)或非連續(xù)的載波聚合成更大的帶寬，為礦用5G 傳輸引入更多的傳輸資源，有效支撐礦山5G 的大帶寬傳輸需求。

3.5 GHz 頻段是目前全球5G 部署的主流頻段，單載波最大帶寬為100 MHz，能夠提供較高的傳輸速率。但智慧礦山5G 應用場景對上行傳輸帶寬需求顯著，3.5 GHz 單頻段難以確保傳輸需求得到全面滿足。采用載波聚合技術(shù)可在使用3.5 GHz 載波進行傳輸?shù)耐瑫r，額外聚合2.1 GHz 的載波（載波帶寬可為20，50 MHz），從而擁有更多傳輸資源，同時根據(jù)頻率越低則覆蓋距離越大的基本原理，可實現(xiàn)增強覆蓋。載波聚合技術(shù)下2.1，3.5 GHz 頻段的主要配置參數(shù)見表2 和表3。

表2 載波聚合頻段上行主要配置參數(shù)Table 2 Main uplink configuration parameters of the carrier aggregation frequency band

表3 載波聚合頻段下行主要配置參數(shù)Table 3 Main downlink configuration parameters of the carrier aggregation frequency band

載波聚合終端支持主載波（3.5 GHz）和輔載波，基站通過配置主載波上的MAC（Media Access Control，媒體接入控制層）和RRC（Radio Resource Control，無線資源控制層）參數(shù)，實現(xiàn)SCell（Secondary Cell，輔小區(qū)）狀態(tài)配置，從而實現(xiàn)輔載波激活或釋放。SCell 的狀態(tài)包含SCell 配置未激活、SCell 配置且激活、SCell 未配置3 種狀態(tài)。終端初始接入、切換入或重建入小區(qū)時會觸發(fā)SCell 的配置，如果需要使用輔載波，則申請激活SCell，進入配置且激活狀態(tài)，否則SCell 處于配置未激活狀態(tài)。當不再需要SCell 或測量到信號質(zhì)量更好的SCell，則申請激活當前的SCell，從而釋放輔載波或變更到信號質(zhì)量更好的輔載波。SCell 狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2 所示。

圖2 載波聚合機制SCell 狀態(tài)轉(zhuǎn)換Fig.2 Secondary cell state transition in carrier aggregation mechanism

4 結(jié)論

（1）歸納了智慧礦山5G 應用場景類型，梳理了主要應用場景的通信需求，指出傳感器信息回傳類應用具有廣覆蓋需求、視頻信息采集和回傳類應用具有上行大帶寬傳輸需求、實時控制信息交互類應用具有下行低時延傳輸需求、自動駕駛信息采集和回傳類應用具有上行大帶寬和下行低時延共存的差異化傳輸需求。

（2）分析了智慧礦山5G 應用的環(huán)境特點和技術(shù)要求，提出了核心網(wǎng)+承接網(wǎng)+接入網(wǎng)的礦用5G 網(wǎng)絡總體架構(gòu)。該5G 網(wǎng)絡總體架構(gòu)的核心網(wǎng)通過UPF和MEC 下沉，支持礦山5G 需要獨立組網(wǎng)、獨立運行的建設要求，井下部署基站控制器+基站匯集器+基站+終端，實現(xiàn)5G 信號分區(qū)、按需覆蓋。

（3）研究了礦山5G 關(guān)鍵技術(shù)方案。①網(wǎng)絡切片與QoS 機制，能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸網(wǎng)不同應用的按需資源分配，滿足差異化傳輸需求。② 靈活的空口資源調(diào)度機制能夠根據(jù)不同業(yè)務傳輸數(shù)據(jù)包的特點，靈活使用不同的空口資源調(diào)度方法，確保礦山5G 多樣化業(yè)務傳輸需求得到全面滿足。③載波聚合技術(shù)可在單一頻段無法滿足上行傳輸需求時，將多個連續(xù)或非連續(xù)的載波聚合成更大的帶寬，為礦用5G 傳輸引入更多的傳輸資源，有效支撐礦山5G 的大帶寬傳輸需求。