井工煤矿5G通信系统的组网架构与高可靠性初探

2020-09-02王鲁宁

山东煤炭科技 2020年8期

王鲁宁董亮陈莉

（兖矿集团信息化中心，山东邹城 273500）

5G移动通信技术以3GPP R15标准为基础版本，具有高可靠、高带宽、低时延的特点，设计初就针对性地提出了未来应用“三大场景”：增强型移动宽带（eMBB），主要用于超高清视频、高频传感器、虚拟现实/增强现实等需要超高带宽的应用；超高可靠与低延迟的通信（uRLLC），主要用于无人驾驶、智能感知、敏捷控制等时敏性应用；大规模（海量）机器类通信（mMTC），主要用于物联网等数以百万计的大规模终端接入。

近年来，国家先后出台绿色矿山政策以及能源安全新战略，要求推进智能化技术与煤炭产业融合发展，提升煤矿智能化水平。煤矿智能化开采是煤矿工业高质量发展的必由之路。[1]一方面，煤炭行业智能装备的大规模应用以及智能化进程的推进，对数据传输网络的可靠性、实时性、移动性以及带宽能力均提出更高要求；另一方面，目前井下采用的有线传输网络以及基于WiFi技术、4G LTE技术、ZigBee、LoRa等技术的无线传输网络均存在速率低、延时大、可靠性低、误码率高等状况，无法满足煤矿生产智能化对信息传输的需求。而5G系统技术标准体系提出场景解决方案完全契合煤矿生产智能化业务场景的需求，因此5G系统是煤矿井下无线传输网络的必然选择。

井工煤矿井下空间狭小，环境复杂，温度高，湿度大，粉尘多，光线不足，瓦斯等易燃易爆气体积聚，生产条件恶劣。开采井工煤矿需要对矿井进行通风，存在水、火、煤尘、顶板、瓦斯等灾害。煤矿开采为常态化移动性地下作业，生产环节多，地质条件经常发生变化。井工煤矿的特点决定了其对井下通信系统及设备的可靠性要求非常高。

1 井工煤矿5G通信系统组网架构设计

5G通信系统典型组网架构为星型组网，即煤矿地面部署核心网，矿用基站控制器通过线缆分别与核心网连接，矿用基站也通过线缆分别接入所属矿用基站控制器。但是由于煤矿井下环境复杂、条件恶劣，线缆极其容易出现断裂、接触不良等状况，当线缆出现单点故障时，就会造成部分设备离线。由此可看出典型组网架构的5G通信系统可靠性不高。

1.1 井上下组网架构

为了解决线缆单点故障问题，应采用环型组网方式来提高5G通信系统可靠性。地面部署的核心网通过线缆与部署在井下的任意2台矿用基站控制器连接，如图1所示。

图1 核心网与基站控制器环型组网示意图

部署在井下的矿用基站控制器以首尾相连的方式组网环型网络，如图2所示。井下各矿用5G基站控制器之间组成环型网络，井下矿用5G基站控制器与地面矿用5G核心网之间也组成环型网络，通过这种“双环网”结构可避免单点故障，大幅度提高系统骨干节点的可靠性。

图2 井下基站控制器环型组网示意图

1.2 工作面组网架构

矿用基站按用途来讲大体可分为两种，一种是部署于普通巷道用于通话、传输图像等，一种是部署于工作面主要用于传输控制信息。由于工作面环境更为复杂，大型设备更多，链路的可靠性就更低。在兼顾可靠性要求、成本和施工难易度的情况下，第一种矿用基站采用星型结构接入矿用基站控制器，第二种矿用基站采用环型结构与矿用基站控制器组网。

综上所述，井工煤矿5G通信系统组网架构如图3所示。这种环型组网架构，不仅可以很好地解决链路单点故障问题，提高网络可靠性，还可以更好地兼顾成本和施工难易程度。

图3 煤矿5G通信系统组网架构示意图

2 井工煤矿5G通信系统高可靠性设计

通信系统的可靠性是指在一定的时间内，数据从其发送端到接收端传输成功的概率。5G系统的可靠性针对不同的场景，可靠性的期望值略有不同。对于工业企业自动化应用来讲，其可靠性的期望值可达99.999%。用户面层在1ms时延内，32字节的发送可靠性达到1～10-5。矿用5G系统布属在环境复杂、条件恶劣的煤矿井下，系统整体可靠性受到外界环境影响，因此应对矿用5G系统功能及设备进行优化以提高其可靠性。

2.1 核心网控制平面下沉保持业务不中断

由于井工煤矿自身生产环境的特殊性及安全生产规程规定，5G通信系统的故障不仅出现单点故障，很多时候还会有多点故障。这样环型组网不能完全保证5G系统的可靠性，特别是煤矿智能化重中之重的工作面智能开采。在诸如工作面等通信高可靠需求的区域，在矿用5G基站与矿用5G基站控制器组成环网的基础上，部署一台矿用服务器，配置5G核心网AMF、SMP等功能网元。当通信高可靠需求区域5G系统与地面核心网通信中断时，可以实现现场系统已有业务不中断，从而提高其可靠性。

核心网控制平面下沉后，为实现数据就地转发，还需要将用户面也下沉，即UPF网元。将矿用边缘计算控制器与现场实际业务整合在一起，业务系统直接从内存读取数据，可以进一步提高业务系统的可靠性。

2.2 使用网络切片进行业务隔离

网络切片是一种按需求组网的方式，是在统一的基础设施上利用虚拟化技术根据业务需求分离出多个专用的虚拟网络。每个切片都能根据不同的场景定制相应的网络功能并配置相应的资源。目前业内形成共识，网络切片应具备4个特征，即虚拟化、按需定制、端到端、隔离性。隔离性是可靠性的一个重要保障，切片之间是相互隔离的，任意某切片出现故障或错误，不会影响到其他切片的网络功能。在矿用5G系统[2]中使用网络切片根据井工煤矿井下各场景对网络进行分离，实现业务隔离，各业务相互独立、互不影响。因此在5G系统中使用网络切片功能可以保障各业务的可靠性。

2.3 多基站部署实现信号冗余覆盖

在核心网控制平面、边缘计算控制器下沉至现场层后，工作面等区域的矿用基站可能会出现各种故障。为了进一步提高该区域5G系统的可靠性，可以考虑在该区域进行基站冗余覆盖，即在同一地点安装多台基站。在同一地点安装多台基站会存在同频段干扰的问题，为了解决这个问题，可以采用异频组网方式进行组网。异频组网是将基站工作频段按照基站的数量进行平均划分，每台基站工作在其中一个频段，来实现信号的冗余交叉覆盖，当其中某些基站出现故障时，其他正常工作的基站仍能提供信号覆盖。多基站异频冗余组网能够解决部分基站故障网络中断的问题，从而提高通信高可靠需求区域5G系统的可靠性。

2.4 提高散热效率增强设备可靠性

目前5G基站等设备工作功率都较大，发热量较高，而且工作面等区域本身温度也较高，对基站的散热技术提出了更高的要求。散热技术主要有热传导、风冷却、液冷却、蒸汽冷却等技术。从成本、可靠性、维护难易度、冷却装置体积以及结合井工煤矿井下现场情况几个方面对比，矿用5G基站宜采用热传导技术来散热。在矿用5G基站外壳装配多个铜制导热槽，通过热量传导对其散热，以保证其安全、稳定、长时间运行。

3 验证测试

如图4所示，在兖矿集团东滩煤矿部署5G装备，并进行环形组网。

图4 测试组网示意图

如图4所示，测试中对系统线路制造单点断线故障，故障发生后系统中基站控制器和基站均运行正常，且均与核心网通信正常。在系统两个环路分别制造单点断线故障，故障发生后，系统中基站控制器和基站均运行正常，且均与核心网通信正常。最后，在系统运行正常时，模拟高可靠性需求区域与核心网通信终端故障，故障发生后该区域基站承载的业务保持运行状态。

煤矿5G通信系统环型组网架构以及系统高可靠性设计，可以有效提高系统的整体可靠性。

井工煤矿5G通信系统整体架构如图5所示。对井工煤矿5G通信系统组网方式的设计优化，提高了系统架构的可靠性，网络切片的使用、核心网控制平面下沉保障了业务的可靠性，基站的异频冗余组网以及散热效率的提高进一步提升了通信高可靠需求区域系统的可靠性，从而有效提高5G通信系统的可靠性，尤其是在工作面等通信高可靠需求区域更是加上了“双保险”。