基于5G的礦用裝備遠(yuǎn)程控制技術(shù)研究

李晨鑫

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

0 引言

在國(guó)家發(fā)展改革委、能源局、應(yīng)急部、煤監(jiān)局、工信部、財(cái)政部、科技部、教育部8部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》后，煤礦智能化建設(shè)不斷推進(jìn)，礦用5G系統(tǒng)建設(shè)不斷加速，在智能礦山建設(shè)中構(gòu)建了高速信息傳輸通道，業(yè)界學(xué)者也針對(duì)礦用5G技術(shù)開(kāi)展了廣泛研究[1-3]。礦用5G依托其大帶寬、低時(shí)延、高可靠的傳輸能力，將為實(shí)現(xiàn)智能礦山信息基礎(chǔ)設(shè)施融合，打造透明礦山、萬(wàn)物互聯(lián)、裝備遠(yuǎn)程控制等應(yīng)用構(gòu)建基礎(chǔ)。其中，裝備遠(yuǎn)程控制是煤礦智能化的重要應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)少人化、無(wú)人化礦井生產(chǎn)的關(guān)鍵手段。

礦用5G通信技術(shù)及系統(tǒng)方面，霍振龍[4]研究了包括5G在內(nèi)的主要礦用通信技術(shù)，指出依托5G 低時(shí)延特性開(kāi)展智能綜采工作面集中控制、智能掘進(jìn)工作面集中控制和無(wú)人駕駛等遠(yuǎn)程控制是礦用5G關(guān)鍵應(yīng)用；李晨鑫[5]研究了礦用5G通信演進(jìn)技術(shù)，指出了3GPP Release 17適用于礦井通信及應(yīng)用場(chǎng)景的關(guān)鍵技術(shù)。智能化開(kāi)采方面，王國(guó)法等[6]全面研究了煤礦無(wú)人化智能開(kāi)采系統(tǒng)理論與技術(shù)研發(fā)進(jìn)展，指出利用5G等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，使控制系統(tǒng)融合有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，能夠滿(mǎn)足智能控制及感知設(shè)備的無(wú)線(xiàn)接入需求，緩解井下空間壓力；范京道等[7]針對(duì)基于5G的煤礦智能化開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了探索研究，分析了基于5G技術(shù)的煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用環(huán)節(jié)；張凱隆[8]研究了智能化綜采工作面全景視頻遠(yuǎn)控技術(shù)，詳細(xì)闡述了井下綜采工作面5G網(wǎng)絡(luò)部署、全景視頻實(shí)時(shí)拼接算法等關(guān)鍵技術(shù)。智能化掘進(jìn)方面，顧義東[9]研究了5G 技術(shù)在煤礦掘進(jìn)工作面運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出5G可用于掘進(jìn)工作面的各類(lèi)感知設(shè)備接入、高清視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程集中控制。智能化輔運(yùn)方面，孫繼平等[10]研究了礦井車(chē)輛無(wú)人駕駛關(guān)鍵技術(shù)，指出基于5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的礦井車(chē)輛無(wú)人駕駛地面遠(yuǎn)程控制技術(shù)是首選方案；李晨鑫等[11]研究了煤礦井下網(wǎng)聯(lián)式自動(dòng)駕駛技術(shù)，提出了基于5G蜂窩通信與直連通信構(gòu)建井下人車(chē)巷云協(xié)同的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)架構(gòu)。

目前，主要研究聚焦于5G技術(shù)優(yōu)勢(shì)及其對(duì)采掘運(yùn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制的匹配性和支撐度，缺少針對(duì)采掘運(yùn)具體過(guò)程和參數(shù)與5G信道的映射研究，需要針對(duì)采掘運(yùn)等設(shè)備遠(yuǎn)程控制的功能需求、物理設(shè)備連接關(guān)系及通信鏈路信息流開(kāi)展詳細(xì)梳理和定義。另外，礦用裝備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用需要構(gòu)建點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸通道，但當(dāng)前的5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)組網(wǎng)方式為廣域網(wǎng)架構(gòu)，需要開(kāi)展傳輸通道構(gòu)建研究。再者，礦用5G裝備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用中，監(jiān)測(cè)監(jiān)視數(shù)據(jù)具有大帶寬傳輸需求，遠(yuǎn)程控制信息具有低時(shí)延傳輸需求，需要研究空口信道的資源分配機(jī)制，從而確?；?G的礦用裝備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用的可靠性和穩(wěn)定性。

本文分析了礦用5G相比4G、WiFi6技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提出了基于5G的遠(yuǎn)程控制應(yīng)用系統(tǒng)參考架構(gòu)，以采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制為例，梳理了遠(yuǎn)程監(jiān)視監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)的信息流，研究了礦用裝備遠(yuǎn)程控制鏈路構(gòu)建及空口資源靈活調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)智能礦山5G+裝備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用落地提供了方向。

1 礦用通信技術(shù)在裝備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用中的適用性

礦用通信技術(shù)經(jīng)歷了有線(xiàn)通信、漏泄通信、小靈通、2G、3G等有線(xiàn)通信或窄帶無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)后，從4G時(shí)代開(kāi)始進(jìn)入寬帶無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展階段，目前主流的寬帶無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)為4G、WiFi6和5G。

構(gòu)建采煤、掘進(jìn)、主運(yùn)、輔運(yùn)等設(shè)備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)少人則安、無(wú)人則安的煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵手段。有線(xiàn)通信能夠提供低時(shí)延、高可靠和大帶寬的信息傳輸通道。然而，一方面，在采掘工作面，由于大型移動(dòng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)過(guò)程中光纖等有線(xiàn)通信介質(zhì)易損壞，無(wú)法確保長(zhǎng)期穩(wěn)定布設(shè)。另一方面，車(chē)輛等輔運(yùn)設(shè)備運(yùn)行范圍大，無(wú)法通過(guò)有線(xiàn)方式進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。因此，無(wú)線(xiàn)通信適合作為采煤、掘進(jìn)和主運(yùn)設(shè)備有線(xiàn)遠(yuǎn)程控制之外的冗余通信方式，適合作為無(wú)人駕駛車(chē)輛進(jìn)行車(chē)巷云協(xié)同遠(yuǎn)程控制的必要技術(shù)手段。

4G技術(shù)最大載波帶寬為20 MHz，不支持高階調(diào)制，傳輸速率有限。礦用4G上行傳輸峰值傳輸速率一般在50 Mbit/s以下，帶寬無(wú)法滿(mǎn)足礦用裝備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)視的上行傳輸帶寬需求。4G空口時(shí)域幀結(jié)構(gòu)單位為1 ms的子幀，1個(gè)無(wú)線(xiàn)幀周期為10 ms，加之核心網(wǎng)的傳輸設(shè)計(jì)，一般時(shí)延在100 ms以上，也難以滿(mǎn)足礦用裝備遠(yuǎn)程控制的低時(shí)延需求。

WiFi6技術(shù)能夠提供大帶寬傳輸能力，但作為非授權(quán)頻段的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，按照無(wú)線(xiàn)電管理規(guī)定的要求，需要與藍(lán)牙、ZigBee及其他WiFi技術(shù)共享無(wú)線(xiàn)信道資源，無(wú)法全時(shí)占用信道，每次接入信道前需要執(zhí)行LBT（Listen Before Talk，對(duì)話(huà)前偵聽(tīng)）機(jī)制，且信道占用時(shí)間達(dá)到無(wú)線(xiàn)電管理規(guī)定的時(shí)間門(mén)限時(shí)，必須釋放無(wú)線(xiàn)信道資源[12]。因此，WiFi6技術(shù)在時(shí)延和可靠性方面存在固有的瓶頸，也不適用于礦用裝備遠(yuǎn)程控制類(lèi)應(yīng)用。

5G技術(shù)能夠提供大帶寬、低時(shí)延、高可靠的傳輸能力，最大帶寬為100 MHz，支持256QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅調(diào)制）的高階調(diào)制[13-15]。為了滿(mǎn)足礦井上行大帶寬傳輸?shù)男枨螅ㄟ^(guò)調(diào)整上下行幀結(jié)構(gòu)配比，能夠支持上行500 Mbit/s以上的峰值傳輸能力，通過(guò)配置更高的子載波間隔，獲得時(shí)間更短的時(shí)域資源單元，能夠在礦用專(zhuān)網(wǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)最低10 ms的端到端時(shí)延。5G通過(guò)物理層混合自適應(yīng)重傳等方式，能夠確保傳輸?shù)母呖煽啃?，成為礦用裝備遠(yuǎn)程控制適用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。

2 基于5G的礦用裝備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用系統(tǒng)參考架構(gòu)

礦用裝備遠(yuǎn)程控制主要面向采煤、掘進(jìn)、主運(yùn)、輔運(yùn)等生產(chǎn)相關(guān)的環(huán)節(jié)和場(chǎng)景。按照信息物理系統(tǒng)架構(gòu)研究方法[16-17]，構(gòu)建基于5G的礦用裝備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用系統(tǒng)的功能視圖、物理視圖和通信視圖，如圖1所示。

圖1 基于5G的礦用裝備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用系統(tǒng)參考架構(gòu)研究方法Fig. 1 Research method of reference architecture of 5G based mine equipment remote control application system

功能視圖：面向系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程控制的技術(shù)要求，以采煤、掘進(jìn)、主運(yùn)、輔運(yùn)等生產(chǎn)過(guò)程作為依據(jù)，設(shè)計(jì)礦用裝備遠(yuǎn)程控制的功能架構(gòu)，定義需要進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的功能對(duì)象，梳理功能對(duì)象之間的數(shù)據(jù)流。物理視圖：將功能視圖的功能對(duì)象映射至采煤、掘進(jìn)、主運(yùn)、輔運(yùn)的生產(chǎn)設(shè)備，通過(guò)數(shù)據(jù)流映射，結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備連接關(guān)系，建立生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)、控制的信息流，構(gòu)建礦用裝備遠(yuǎn)程控制的部署架構(gòu)。通信視圖：采用礦用5G通信的終端設(shè)備、基站設(shè)備、承載設(shè)備和核心網(wǎng)設(shè)備，建立基于5G的礦用裝備遠(yuǎn)程控制傳輸鏈路，用于承載信息流，將生產(chǎn)設(shè)備的部署架構(gòu)轉(zhuǎn)換為礦用5G通信的傳輸鏈路，從而形成基于5G的礦用裝備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用系統(tǒng)參考架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 基于5G的礦用裝備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用系統(tǒng)參考架構(gòu)Fig. 2 Reference architecture of 5G based mine equipment remote control application system

5G+采煤設(shè)備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用中，需要對(duì)采煤機(jī)和電液控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程的設(shè)備參數(shù)監(jiān)測(cè)、環(huán)境工況監(jiān)視和裝備遠(yuǎn)程控制。設(shè)備參數(shù)包括采煤機(jī)的搖臂高度、實(shí)時(shí)位置、行進(jìn)速度等，支架的高度信息、行程信息、頂梁傾角、底座傾角等。監(jiān)測(cè)監(jiān)視數(shù)據(jù)通過(guò)匯聚接入礦用5G本安型網(wǎng)關(guān)CPE（Customer Premise Equipment，客戶(hù)前置設(shè)備），經(jīng)5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至集控中心。集控中心根據(jù)5G傳輸?shù)膶?shí)時(shí)設(shè)備參數(shù)監(jiān)測(cè)和環(huán)境工況監(jiān)視信息，下發(fā)控制指令，同時(shí)對(duì)刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)視。

5G+掘進(jìn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用中，需要監(jiān)測(cè)掘錨一體機(jī)、錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)、自移機(jī)尾的設(shè)備參數(shù)、運(yùn)行速度、設(shè)備位置等信息，進(jìn)行環(huán)境工況監(jiān)視。監(jiān)測(cè)監(jiān)視數(shù)據(jù)通過(guò)匯聚接入礦用5G CPE，經(jīng)5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至集控中心。集控中心根據(jù)5G傳輸?shù)膶?shí)時(shí)設(shè)備參數(shù)監(jiān)測(cè)和環(huán)境工況監(jiān)視信息，下發(fā)控制指令，對(duì)頂板支護(hù)的錨桿（索）壓力、頂板壓力、礦壓、位移、測(cè)距信息等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)物料運(yùn)輸車(chē)、帶式輸送機(jī)的設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

5G+主運(yùn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用中，帶式輸送機(jī)的運(yùn)行參數(shù)通過(guò)PLC接入5G CPE，經(jīng)5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至主運(yùn)控制中心，采用5G攝像儀和智能視頻分析平臺(tái)進(jìn)行故障分析、違章告警和煤流監(jiān)測(cè)，控制中心根據(jù)監(jiān)測(cè)監(jiān)視情況下發(fā)控制指令，調(diào)控帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

5G+無(wú)人駕駛遠(yuǎn)程控制應(yīng)用中，通過(guò)5G車(chē)載終端將車(chē)輛周邊的環(huán)境視頻、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、UWB定位、規(guī)劃路徑和車(chē)輛參數(shù)等信息上傳至遠(yuǎn)程控制平臺(tái)，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)視情況，進(jìn)行無(wú)人駕駛車(chē)輛的遠(yuǎn)程控制和接管。

采用統(tǒng)一的礦用5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)承載采、掘、主運(yùn)、輔運(yùn)裝備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用傳輸業(yè)務(wù)，通過(guò)不同模態(tài)的礦用5G終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接入和收發(fā)。采煤、掘進(jìn)設(shè)備主要通過(guò)CPE匯聚接入監(jiān)測(cè)監(jiān)視數(shù)據(jù)并接收控制指令，頂板支護(hù)監(jiān)測(cè)通過(guò)5G監(jiān)測(cè)分站和無(wú)線(xiàn)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，主運(yùn)設(shè)備通過(guò)PLC接入5G CPE，上傳帶式輸送機(jī)數(shù)據(jù)并接收控制指令，通過(guò)5G攝像儀上傳視頻并分析故障、違章和煤流信息，無(wú)人駕駛車(chē)輛則通過(guò)礦用5G車(chē)載終端進(jìn)行監(jiān)視、規(guī)劃和控制信息收發(fā)。

3 基于5G的礦用裝備遠(yuǎn)程控制關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)基于5G的礦用裝備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用系統(tǒng)參考架構(gòu)，以5G+采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制為例，通過(guò)梳理監(jiān)視鏈路與控制鏈路傳輸?shù)木唧w路徑和信息流，分析并研究5G傳輸鏈路的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 基于5G的礦用裝備遠(yuǎn)程控制信息流

基于5G的采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制信息流如圖3所示，采煤機(jī)向集控中心傳輸設(shè)備監(jiān)測(cè)和工況監(jiān)視信息，集控中心向采煤機(jī)傳輸動(dòng)作控制信號(hào)。

圖3 基于5G的采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制信息流Fig. 3 Information flow of 5G based shearer remote control

采煤機(jī)對(duì)設(shè)備參數(shù)和環(huán)境工況數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過(guò)有線(xiàn)-無(wú)線(xiàn)冗余模塊，將無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)輸入礦用5G CPE中，經(jīng)5G基站、5G基站匯集器、5G基站控制器，由5G承載網(wǎng)傳輸至5G專(zhuān)網(wǎng)核心網(wǎng)，之后按照集控中心節(jié)點(diǎn)尋址信息，經(jīng)5G網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至集控中心的CPE，最終到達(dá)集控中心。集控中心形成集控信號(hào)后，經(jīng)過(guò)與前述監(jiān)測(cè)監(jiān)視數(shù)據(jù)傳輸反向的鏈路，將控制數(shù)據(jù)發(fā)送至采煤機(jī)的控制器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

根據(jù)基于5G的采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制信息流的雙向走向，目前5G支持采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制需要解決2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：

1） 傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)以有線(xiàn)傳輸為主（包括采煤機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)），大量使用層二傳輸協(xié)議。當(dāng)前常規(guī)5G網(wǎng)絡(luò)則依靠IP尋址的層三傳輸協(xié)議進(jìn)行通信，需要額外構(gòu)建層二協(xié)議路由，方可支持采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制過(guò)程中集控中心控制器和受控采煤機(jī)的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。

2） 設(shè)備監(jiān)測(cè)和工況監(jiān)視信息的傳輸涉及多路監(jiān)測(cè)參數(shù)和視頻數(shù)據(jù)，一般采煤機(jī)兩側(cè)分別部署CPE，每側(cè)CPE匯聚輸入不少于10路1 080P視頻。左傳感網(wǎng)絡(luò)控制器輸入CPE的參數(shù)包括左搖臂采高傳感器參數(shù)、行走位置傳感器參數(shù)、左搖臂溫度傳感器參數(shù)、左牽引箱溫度傳感器參數(shù)、電纜張力傳感器參數(shù)、水路壓力傳感器參數(shù)、水路流量傳感器參數(shù)。右傳感網(wǎng)絡(luò)控制器輸入CPE的參數(shù)包括右搖臂采高傳感器參數(shù)、右搖臂溫度傳感器參數(shù)、右牽引箱溫度傳感器參數(shù)、泵箱溫度傳感器參數(shù)、泵箱油位傳感器參數(shù)、背壓壓力傳感器參數(shù)、防撞傳感器參數(shù)。

設(shè)備監(jiān)測(cè)和工況監(jiān)視信息的傳輸為典型的大帶寬業(yè)務(wù)，因此，接入數(shù)據(jù)的單CPE應(yīng)至少具備200 Mbit/s的上行峰值傳輸速率。集控中心向采煤機(jī)傳輸動(dòng)作控制信號(hào)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)采煤機(jī)控制設(shè)備傳輸業(yè)務(wù)包的規(guī)律，業(yè)務(wù)模型為均值在300 byte左右、頻率為50 Hz的頻發(fā)小包，總傳輸速率在2 Mbit/s左右，但對(duì)于端到端時(shí)延要求較高，一般需要達(dá)到40 ms以?xún)?nèi)。因此，基于5G的采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制，需要5G空口信道同時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)監(jiān)視的大帶寬數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程控制的頻發(fā)低時(shí)延數(shù)據(jù)。本文針對(duì)礦用5G的層二傳輸鏈路構(gòu)建和空口差異化資源調(diào)度開(kāi)展研究。

3.2 基于5G的礦用裝備遠(yuǎn)程控制傳輸鏈路構(gòu)建

構(gòu)建采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制應(yīng)用的礦用5G層二傳輸鏈路，主要可采用2種技術(shù)手段。

1） 不改變當(dāng)前5G常規(guī)的層三傳輸架構(gòu)，額外構(gòu)建層二隧道。采用層二隧道協(xié)議，將采煤機(jī)側(cè)的CPE和集控中心側(cè)的CPE的LAN（Local Area Network，本地網(wǎng)）IP地址配置為相同網(wǎng)段，并設(shè)置層二隧道協(xié)議的本段設(shè)備參數(shù)和對(duì)端設(shè)備參數(shù)，將本端設(shè)備的IP地址、WAN（Wide Area Network，廣域網(wǎng)）的IP地址、端口ID、會(huì)話(huà)ID、隧道名稱(chēng)，與對(duì)端設(shè)備的IP地址、WAN的IP地址、端口ID、會(huì)話(huà)ID、隧道名稱(chēng)，全部配置一致，建立層二隧道，提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸鏈路，確保交互穩(wěn)定準(zhǔn)確。

2） 采用5G LAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。3GPP Release 16啟動(dòng)了5G LAN研究[18-19]，目標(biāo)是使5G網(wǎng)絡(luò)能夠支持工業(yè)網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)通信及局域網(wǎng)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)的深度融合。5G LAN能夠支持LAN和VPN（Virtual Private Network, 虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)），通過(guò)支持以太網(wǎng)PDU（Protocol Data Unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元）會(huì)話(huà)協(xié)議，可直接基于層二傳輸協(xié)議進(jìn)行傳輸。具體是將CPE在5G LAN的DNN（Data Network Name，數(shù)據(jù)網(wǎng)路名稱(chēng)）和5G LAN組中簽約，通過(guò)UPF（User Plane Function，用戶(hù)面功能）單元對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)控制器的MAC地址列表進(jìn)行自學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)層二通信，不再需要為CPE分配網(wǎng)絡(luò)IP地址。使用本地交換機(jī)的5G LAN鏈路如圖4所示。

圖4 采用本地交換機(jī)的5G LAN鏈路Fig. 4 5G LAN link using local switch

采煤機(jī)側(cè)的CPE和集控中心的CPE在5G LAN的DNN和5G LAN組中簽約后，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，通過(guò)核心網(wǎng)的I-UPF（Initial-UPF，初始UPF）接入后，在PSA（PDU Session Anchor，PDU會(huì)話(huà)錨點(diǎn)）利用簽約信息，從CPE所在的5G LAN組中尋址，實(shí)現(xiàn)本地轉(zhuǎn)發(fā)和本地層二通信。

采用構(gòu)建層二隧道的方式，能夠在當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)架構(gòu)下，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制傳輸鏈路的搭建，目前已有穩(wěn)定傳輸?shù)膶?shí)際應(yīng)用案例，傳輸時(shí)延等性能在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試部分給出。但層二隧道維護(hù)過(guò)程中，隧道數(shù)據(jù)包封裝時(shí)會(huì)在原有信令基礎(chǔ)上額外增加IP報(bào)頭、隧道協(xié)議報(bào)頭，傳輸過(guò)程中隧道維護(hù)參數(shù)需要在數(shù)據(jù)包中攜帶進(jìn)行傳輸，需要增加大量信令開(kāi)銷(xiāo)，將造成額外的無(wú)線(xiàn)信道資源占用，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，該類(lèi)開(kāi)銷(xiāo)將占用20%～25%的信道資源。

采用5G LAN方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備本地轉(zhuǎn)發(fā)，則不需要額外提供無(wú)線(xiàn)資源進(jìn)行鏈路維護(hù)。3GPP Release 16制定5G LAN技術(shù)規(guī)范的主要目的之一就是按照用戶(hù)需求實(shí)現(xiàn)特定終端組的層三或?qū)佣?wù)能力，符合基于5G的礦用裝備遠(yuǎn)程控制層二通信的需求，在國(guó)內(nèi)面向工業(yè)領(lǐng)域的5G LAN通信標(biāo)準(zhǔn)研究制定完成并具備推廣條件后，可通過(guò)升級(jí)核心網(wǎng)版本實(shí)現(xiàn)5G LAN在礦用裝備遠(yuǎn)程控制中的應(yīng)用。

3.3 基于5G的礦用裝備遠(yuǎn)程控制空口資源調(diào)度

針對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)視的大帶寬傳輸和遠(yuǎn)程控制信息的頻發(fā)性低時(shí)延傳輸需求，需要研究構(gòu)建差異化的礦用5G空口信道無(wú)線(xiàn)資源調(diào)度機(jī)制。

5G常規(guī)的資源調(diào)度機(jī)制是終端請(qǐng)求方式[20-21]。當(dāng)終端傳輸業(yè)務(wù)包到達(dá)時(shí)，終端向基站發(fā)出調(diào)度請(qǐng)求或緩沖區(qū)狀態(tài)報(bào)告，將終端傳輸?shù)馁Y源需求告知基站?；靖鶕?jù)資源占用情況和傳輸業(yè)務(wù)參數(shù)，通過(guò)特定的下行控制信令為終端分配上行傳輸資源。除終端請(qǐng)求方式外，5G還支持資源預(yù)調(diào)度方式，即提前將無(wú)線(xiàn)資源的時(shí)頻位置通過(guò)終端標(biāo)志與資源位置進(jìn)行映射，為終端分配對(duì)應(yīng)資源。當(dāng)業(yè)務(wù)包到達(dá)時(shí)，終端使用分配給自己的資源進(jìn)行傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)較低時(shí)延的傳輸。

上述2種資源分配機(jī)制中，終端請(qǐng)求方式能夠按需分配上行傳輸資源，但對(duì)于頻發(fā)的數(shù)據(jù)量較小的控制信息業(yè)務(wù)包而言，每次業(yè)務(wù)包到達(dá)后進(jìn)行資源請(qǐng)求會(huì)造成不必要的時(shí)延開(kāi)銷(xiāo)。資源預(yù)調(diào)度方式能夠以較低時(shí)延傳輸，但當(dāng)終端需要傳輸較大的業(yè)務(wù)包時(shí)，可能需要進(jìn)行業(yè)務(wù)包分段，通過(guò)多次預(yù)調(diào)度完成數(shù)據(jù)包傳輸，在接收端再進(jìn)行業(yè)務(wù)包合并，才能完成全部信息的接收。因此，對(duì)于較大業(yè)務(wù)包的傳輸，采用預(yù)調(diào)度方式可能導(dǎo)致更大的傳輸時(shí)延。

針對(duì)基于5G的礦用裝備遠(yuǎn)程控制傳輸需求，構(gòu)建了基于傳輸業(yè)務(wù)適配的空口信道靈活資源調(diào)度機(jī)制，如圖5所示。

圖5 基于5G的礦用裝備遠(yuǎn)程控制空口資源調(diào)度機(jī)制Fig. 5 Over the air bandwidth scheduling mechanism of 5G based mine equipment remote control

基站需要為傳輸?shù)V用裝備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用業(yè)務(wù)的5G終端設(shè)備配置預(yù)調(diào)度資源，為了確保能夠滿(mǎn)足遠(yuǎn)程控制的低時(shí)延要求，預(yù)調(diào)度資源重復(fù)周期應(yīng)配置為不大于端到端時(shí)延要求的1/2，確保在滿(mǎn)足時(shí)延要求的時(shí)間范圍內(nèi)將控制信息發(fā)出。

當(dāng)業(yè)務(wù)包在終端設(shè)備中生成后，需要根據(jù)業(yè)務(wù)類(lèi)型判斷是否為控制信息。如果傳輸業(yè)務(wù)為控制信息，直接使用預(yù)調(diào)度資源進(jìn)行業(yè)務(wù)包傳輸，確保低時(shí)延性能；如果傳輸業(yè)務(wù)為非控制類(lèi)的監(jiān)測(cè)監(jiān)視信息，則終端向基站請(qǐng)求資源，并使用基站分配的資源將業(yè)務(wù)包發(fā)送至基站，確保業(yè)務(wù)包能夠在最少的傳輸次數(shù)內(nèi)被發(fā)出，從而在保障大帶寬傳輸需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)盡可能低的傳輸時(shí)延。

通過(guò)業(yè)務(wù)與資源調(diào)度方法的映射、終端與預(yù)調(diào)度資源的映射，滿(mǎn)足礦用5G傳輸大帶寬監(jiān)測(cè)監(jiān)視信息和低時(shí)延控制信息的差異化需求。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

在煤礦現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)礦用5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，在綜采工作面進(jìn)行5G信號(hào)覆蓋，共計(jì)118臺(tái)支架，支架間隔1.5 m，在6號(hào)支架、56號(hào)支架、113號(hào)支架處分別布設(shè)1部礦用5G基站，集控中心布設(shè)1臺(tái)礦用5G基站，在采煤機(jī)機(jī)身和集控中心使用礦用5G網(wǎng)關(guān)接入數(shù)據(jù)，在集控中心與采煤機(jī)之間建立用于遠(yuǎn)程控制的層二隧道，采用資源預(yù)調(diào)度和資源請(qǐng)求調(diào)度條件性適配的資源調(diào)度機(jī)制。

為了驗(yàn)證基于5G的采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)性能，在集控中心及采煤機(jī)兩側(cè)分別采用礦用本安型手機(jī)安裝Sword Max無(wú)線(xiàn)測(cè)試軟件，在數(shù)據(jù)接口做冗余接入，開(kāi)展可靠性、端到端時(shí)延及無(wú)線(xiàn)參數(shù)測(cè)試。

可靠性方面，測(cè)試過(guò)程中通過(guò)層二隧道共傳輸數(shù)據(jù)包13 328個(gè)，通過(guò)收發(fā)兩側(cè)對(duì)比，未出現(xiàn)丟包或接收不成功的現(xiàn)象。端到端傳輸時(shí)延測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6所示?？煽闯龆说蕉藭r(shí)延為11.5～23.8 ms，能夠滿(mǎn)足礦用裝備遠(yuǎn)程控制的傳輸需求。

圖6 端到端時(shí)延測(cè)試數(shù)據(jù)Fig. 6 Test data of end-to-end latency

無(wú)線(xiàn)環(huán)境下的RSRP（Reference Signal Receiving Power，參考信號(hào)接收功率）測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7所示，可看出RSRP分布在-93～-53 dB·m之間。SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信號(hào)與干擾加噪聲比）測(cè)試數(shù)據(jù)如圖8所示，可看出SINR分布在10～38 dB之間，無(wú)線(xiàn)覆蓋情況良好。

圖7 RSRP測(cè)試數(shù)據(jù)Fig. 7 Test data of RSRP

圖8 SINR測(cè)試數(shù)據(jù)Fig. 8 Test data of SINR

測(cè)試過(guò)程中采煤機(jī)控制執(zhí)行穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果表明，礦用5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的可靠性、端到端時(shí)延及無(wú)線(xiàn)覆蓋情況能夠滿(mǎn)足采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制的傳輸需求。

5 結(jié)論

1） 分析了礦用通信技術(shù)在裝備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用中的適用性：礦用4G通信的傳輸帶寬和時(shí)延無(wú)法滿(mǎn)足裝備遠(yuǎn)程控制的傳輸需求；礦用WiFi6是非授權(quán)頻段無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，無(wú)法確保裝備遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延和可靠性；而礦用5G通信具備大帶寬、低時(shí)延、高可靠的傳輸能力，是實(shí)現(xiàn)礦用采煤、掘進(jìn)、主運(yùn)、輔運(yùn)、無(wú)人駕駛等智能化裝備遠(yuǎn)程控制的關(guān)鍵支撐技術(shù)。

2） 運(yùn)用信息物理系統(tǒng)架構(gòu)研究方法構(gòu)建了基于5G的礦用裝備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用系統(tǒng)參考架構(gòu)。礦用5G通信系統(tǒng)可通過(guò)CPE、5G監(jiān)測(cè)分站和無(wú)線(xiàn)傳感器、5G攝像儀、5G車(chē)載終端對(duì)接采煤、掘進(jìn)、主運(yùn)、輔運(yùn)和無(wú)人駕駛車(chē)輛等裝備的數(shù)據(jù)接口，傳輸設(shè)備監(jiān)測(cè)參數(shù)、工況環(huán)境信息和遠(yuǎn)程控制指令。

3） 以5G+采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制為例，研究了5G傳輸鏈路的關(guān)鍵技術(shù)，提出了遠(yuǎn)程控制層二傳輸鏈路構(gòu)建方法和空口資源靈活調(diào)度機(jī)制。在當(dāng)前礦用5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下構(gòu)建層二隧道，或升級(jí)核心網(wǎng)以支持5G LAN，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的層二通信，可支持礦用裝備遠(yuǎn)程控制設(shè)備和受控設(shè)備的穩(wěn)定可靠通信。礦用5G空口信道需要支持靈活的資源調(diào)度機(jī)制，采用預(yù)調(diào)度方式傳輸具有低時(shí)延需求的礦用裝備遠(yuǎn)程控制信息，采用資源請(qǐng)求調(diào)度方式傳輸具有大帶寬需求的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)視數(shù)據(jù)，可支撐礦用裝備遠(yuǎn)程控制不同信息流鏈路的差異化傳輸需求。

4） 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明：通過(guò)層二隧道共傳輸數(shù)據(jù)包13 328個(gè)，未出現(xiàn)丟包或接收不成功的現(xiàn)象；端到端時(shí)延為11.5～23.8 ms，能夠滿(mǎn)足礦用裝備遠(yuǎn)程控制的傳輸需求；RSRP分布在-93～-53 dB·m之間，SINR分布在10～38 dB之間，無(wú)線(xiàn)覆蓋情況良好。礦用5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的可靠性、端到端時(shí)延及無(wú)線(xiàn)覆蓋情況能夠滿(mǎn)足采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制的傳輸需求。