煤矿5G无线通信系统建设构想

顾义东， 孟玮

(1.中煤科工集团常州研究院有限公司， 江苏 常州 213015；2.天地(常州)自动化股份有限公司， 江苏 常州 213015)

0 引言

煤矿智能化建设是煤矿发展的目标，也是煤矿高效、安全、高质量发展的基础支撑。5G无线通信技术具备高带宽、低时延、广连接等特征，是煤矿智能化建设的关键支撑技术[1]。王国法等[2-3]分析了5G关键技术及特征，指出了5G技术在井下应用的必要性、应用场景的不成熟性，提出了5G在煤矿智能化建设中的实施要点。孙继平等[4-7]对5G技术在煤矿智能化建设中的实施进行了探索。霍振龙等[8]对矿用5G无线通信系统的组成、组网方式及应用场景进行了研究。孟庆勇[9]提出了5G网络架构及承载网的3种前传组网方案。李艺等[10]、毛馨凯等[11]研究了5G技术在智能矿山、智能采煤工作面方面的应用。韩利强[12]设计了基于5G技术远程控制的煤矿救援机器人。杨海鹏[13]进行了基于5G网络的智能矿山建设研究。

2021年6月，国家发展改革委、国家能源局、中央网信办、工业和信息化部联合印发《能源领域5G应用实施方案》(发改能源〔2021〕807号)，提出了围绕智能煤矿等方面，研制一批满足能源领域5G应用特定需求的专用技术和配套产品，拓展一批5G典型应用场景，建设一批5G行业专网或虚拟专网，为智能煤矿的建设指明了方向。但是，目前5G技术在煤矿的应用还处于起步阶段，尚未形成成熟的煤矿5G无线通信系统建设及应用方案。本文提出了煤矿5G无线通信系统架构、建设、应用等构想，以期推进煤矿智能化建设。

1 煤矿5G无线通信系统架构

煤矿5G无线通信系统主要由5G核心网、基带处理单元(Base Band Unit，BBU)、远端汇聚站(Remote Radio Unit Hub，RHUB)、5G基站、信号转换器、本安型5G终端及5G承载网等构成，如图1所示。5G核心网、BBU、RHUB及5G基站之间由5G承载网连接，实现各网元之间信令传输；井下采用5G基站及天线实现井下无线信号覆盖，基站通过RHUB进行汇聚后，与BBU相连并接入5G核心网；RHUB支持链型、星型、混合型组网，并可以级联2级，RHUB与BBU之间拉远距离达10 km。

2 煤矿5G无线通信系统建设

2.1 5G核心网

5G核心网建设方案分为用户面功能(User Plane Function，UPF)/移动边缘计算(Mobile Edge Computing，MEC)下沉和独立专网2种，其优缺点见表1。

2.1.1 UPF/MEC下沉

UPF是3GPP 5G核心网的重要组成部分，主要负责5G核心网用户面业务数据包的路由和转发、数据和业务识别、动作和策略执行等相关功能。UPF/MEC下沉是依托于运营商的通信网络，将运营商UPF下沉到矿区或矿区移动边缘节点部署，实现数据不出园区、低时延报文转发的5G虚拟专网，满足智能煤矿建设所需的带宽高、时延敏感、数据机密性强等业务需求。UPF/MEC下沉方式5G核心网组网架构如图2所示。

5G核心网控制面使用运营商公网部署的5G核心网网元，在矿区建设UPF/MEC。采用UPF/MEC下沉方式部署的5G虚拟专网使用运营商网络的公共陆地移动网络(Public Lands Mobile Network，PLMN)，矿区基站通过切片信息选择5G核心网控制面，终端发起注册信令流程，基站选择运营商的5G核心网控制面，会话管理功能(Session Management Function，SMF)根据终端签约的切片和数据网络名称(Data Network Name，DNN)信息选择矿区部署的UPF/MEC。矿区和运营商网络使用同一个PLMN，终端基于切片和DNN选择运营商网络和矿区虚拟专网，对需要本地处理的数据流进行专网内部转发和路由，降低数据转发时延。

图1 煤矿5G无线通信系统架构Fig.1 Architecture of coal mine 5G wireless communication system

表1 UPF/MEC下沉和独立专网优缺点Table 1 Advantages and disadvantages of UPF/MEC sinking and independent private network

图2 UPF/MEC下沉方式5G核心网组网架构Fig.2 Architecture of 5G core network with UPF/MEC sinking mode

2.1.2 独立专网

独立专网是在煤矿独立建设的支持4G和5G终端接入的矿区专用独立核心网，为矿区专网用户和终端设备提供网络接入服务。独立专网方式5G核心网组网架构如图3所示。

在矿区核心机房建设1套独立5G核心网，包含5G核心网控制面和5G核心网用户面，支持窄带物联网(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)/4G/5G多种接入方式。矿区基站(包括地面基站及井下基站)设置矿区专属的PLMN，终端选择该PLMN后发起注册信令流程，基站通过该PLMN选择矿区独立部署的专用5G核心网。

图3 独立专网方式5G核心网组网架构Fig.3 Architecture of 5G core network with independent private network mode

2.2 5G承载网

承载网是连接无线网络、核心网的端到端网络，是移动网络通信的基础。矿用5G承载网与地面5G承载网前传、中传、后传类似，主要分为5G核心网与BBU之间、BBU与RHUB之间、RHUB与5G基站之间的承载网。

2.2.1 5G核心网与BBU之间承载网

5G核心网与BBU之间承载网是矿用5G通信网络的核心。1台BBU通常可连接多台RHUB及几十台Pico RRU(Remote Radio Unit，射频拉远单元)，因此，其数据量非常大，承载网接入层带宽需求将达30 Gbit/s左右，这需要10GE以上的接口[14]，行业内目前通常采用10GE或50GE接入设备来完成矿用5G核心网与BBU之间连接。

目前5G核心网与BBU之间的承载网主要采用光纤直连、切片分组网(Slicing Packet Network，SPN)和第五代固定网络(The 5th generation Fixed networks，F5G)3种承载方式。

(1) 光纤直连适用于巷道较简单的矿井，网络规模较小，一般只需1台BBU及几十台5G基站即可满足应用需求。5G核心网安装于地面机房，BBU根据现场需要安装于地面机房或井下硐室中。

(2) SPN是5G网络切片中的关键技术，是中国移动在分组传送网(Packet Transport Network，PTN)技术基础上，面向5G和政企专线等业务承载需求，融合创新提出的新一代网络技术方案。SPN采用ITU-T层网络模型，以以太网技术为基础，引入新的基于66B码块的时分复用(Time Division Multiplexing，TDM)交叉技术，实现了分组和TDM的有效融合。SPN通过IP、以太网和光学技术的融合，将多层网络功能融为一体，能够满足5G高带宽、低时延、超高精度时间同步等网络需求。同时，SPN支持FlexE分片技术，可根据业务对网络的需求进行切片，将带宽需求大、流量抖动大的视频类业务和生产控制类业务、数据采集类业务放在不同的切片，满足高带宽、低时延等不同业务的承载要求。

井下SPN传输带宽达50/100 Gbit/s，故障保护倒换时间小于30 ms，SPN在吞吐量、故障保护倒换时间、切片支持等方面较传统工业环网具备一定的优势，可替代现有传统工业环网及地面办公系统环网，将成为近阶段煤矿5G无线通信系统承载网的主流建设方案。但SPN存在以下缺点：设备整体功耗较高，通常在400 W以上，设备安装于矿用隔爆外壳中热量较高，散热设计要求高；由于SPN是新技术，目前设备成本较高。

(3) F5G具备确定性高带宽、海量连接、低时延和零丢包的特点，其由无源分光器和光缆组成，采用Type C型环网结构，支持多点断纤保护，对网络中光纤及设备具备端到端保护，网络更可靠。F5G是纯介质网络，避免了电磁干扰和雷电影响，极适合在煤矿井下之类自然条件恶劣、电磁干扰大的场所使用。目前F5G具备10 Gbit/s的传输速率及30 ms以内的故障保护倒换时间，基本可满足5G应用需要。

F5G建设成本相对SPN低，网络可扩展性好、可靠性高，性能指标达到5G承载网的基本要求，但该技术尚未有矿井成功应用案例，仍需进一步测试。

2.2.2 BBU与RHUB之间承载网

RHUB是射频单元集中控制器单元，实现BBU与Pico RRU之间的桥接。RHUB与BBU及RHUB与Pico RRU之间采用通用公共无线接口(Common Public Radio Interface，CPRI)协议，用户层数据流、控制管理层数据流、同步数据流均通过CPRI接口传输。每台RHUB通常可连接8台Pico RRU，为保证每台Pico RRU的传输带宽，必须保证BBU与RHUB之间传输具有足够的带宽。目前BBU与RHUB之间采用大于10 Gbit/s的接口，且只能通过光纤连接，尚无法接入矿用工业以太网。

2.2.3 RHUB与5G基站之间承载网

典型5G低频单基站峰值带宽达5 Gbit/s，高频单基站峰值带宽达15 Gbit/s。由于我国目前运营的5G网络均采用5G FR1低频段(即Sub 6 GHz频段)，所以现有的矿用5G基站都采用5G低频段设计。为保证基站无线性能，5G单基站将需要2×10GE/25GE的承载带宽，如果基站配置的参数提升，带宽需求还会相应增加。因此，RHUB与5G基站之间一般也采用CPRI接口，接口速率为25 Gbit/s。目前井下应用中RHUB与5G基站通过光纤连接，两者之间最大拉远距离通常在2 km以内。

2.3 5G基站

5G基站是5G无线通信系统在井下的主要无线覆盖设备，目前取得安标认证的矿用5G基站一般由Pico RRU、配套电源、后备电池及配套天线组成，支持1.8/2.3/2.6 GHz或1.8/2.1/3.5 GHz多频并发工作，既可提供高带宽5G NR无线接入，也可兼容4G无线接入，还可为矿井物联网提供广连接、低速率NB-IoT无线接入。矿用5G基站的多模接入为建立井上下一体化通信网络提供了技术基础，井下各类不同应用场景均可通过5G网络提供可靠的信息传输方案。

根据安标国家矿用产品安全标志中心发布的《煤矿5G通信系统安全技术要求(试行)》文件要求，无线设备的发射阈功率应满足GB 3836.1—2010《爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求》中6.6.1条的规定，基站阈功率应不大于6 W。基站阈功率为每路发射端的最大阈功率之和。目前常用的矿用5G基站具有4个射频端口，每个端口射频输出功率为300 mW，为满足发射阈功率的要求，配套天线增益需在8 dBi以内，在现场使用存在无线覆盖距离较小的问题，该问题需在以后的矿用5G基站设计中重点考虑并予以解决。

2.4 5G终端及通信模组

5G手机、平板、客户前置设备(Customer Premise Equipment，CPE)等5G终端设备及5G NR、CAT1、CAT4、CAT M1、NB-IoT等5G无线通信模组通过无线空口接入5G基站，实现语音通信、数据传输、视频传输等功能，为充分利用5G网络高带宽、低时延、广连接的特性提供设备支持。

在矿用5G终端方面，目前矿用5G手机、矿用CPE等已取得相关煤安认证，具备了井下应用的条件。矿用5G手机以安卓智能手机为主，具备语音通话、视频通话、音视频回传、信息采集、远程控制及行业应用软件安装应用等功能。矿用CPE实现了5G、WiFi及以太网信号的转换，满足井下具备WiFi、以太网接入功能的设备接入5G网络的需求。

5G通信模组是5G网络得以充分发挥其性能的关键，是井下各类设备、传感器接入5G网络的基础。然而，目前矿用5G通信模组的开发及应用仍处于起步阶段，尚未有成熟的应用，积极研究开发各类通信模组，并将其与井下设备、摄像头、传感器相结合，形成丰富多彩的5G+无线终端设备，是当前乃至今后一段时间内5G应用开发的重点。基于目前5G NR通信模组价格仍较高、功耗较大，除高清视频、增强现实(Augmented Reality，AR)/虚拟现实(Virtual Reality，VR)等应用外，通信速率10 Mbit/s的CAT1、通信速率1 Mbit/s左右的CAT M1及通信速率15.625～250 kbit/s的NB-IoT通信模组由于其技术成熟、价格低、功耗小等优点，应作为目前重点研发方向。

3 煤矿5G无线通信系统典型应用

5G对增强移动宽带(Enhanced Mobile Broadband，eMBB)场景的技术支撑能力，能够有效适应煤矿超高清视频传输等高带宽业务需求；5G对超高可靠低时延通信(Ultra Reliable Low Latency Communications，uRLLC)场景的技术支撑能力，能够有效满足无人采矿车、无人挖掘机等无人矿山智能设备间通信需求；5G对海量机器类通信(Massive Machine Type Communications，mMTC)场景的技术支撑能力，能够更好地支持多种煤矿安全监测等传感数据采集需求。

3.1 融合一体化通信

随着智能煤矿建设的推进，煤矿需要基于5G无线通信系统实现融合调度通信功能，在统一的核心调度平台上实现有线调度、无线调度融合，提升煤矿通信效率和调度水平。因此，在煤矿5G无线通信系统中设计5G融合调度设备，该设备支持ISUP/TUP/PRI/Q.SIG/SIP/H.323/MGCP/H.248等多种协议，可支持公网手机和固话、有线调度电话、行政电话、IP电话、4G/5G/WiFi终端、SIP广播终端等设备的接入，使煤矿5G无线通信系统实现有线和无线融合调度通信。同时，上述多种类型终端的接入，形成了井上下语音、数据、视频等多媒体信息的5G综合传输平台，避免各系统自成网络、接口不统一的问题，有效消除信息孤岛的产生，提高矿井通信及信息利用能力。

3.2 高带宽业务应用

借助5G高带宽、低时延的特性，煤矿5G无线通信系统为煤矿提供全环节的高清视频监控服务。在此基础上，通过部署智能图像及视频分析服务器进行人脸识别、生产过程行为识别、生产过程管控等，实时给出分析结果，为煤矿环境监测和安全生产提供智能安全预警；同时可实现煤矿AR智能巡检、AR设备运维、AR生产培训等需要无线高带宽支持的应用。

3.3 智能工作面业务应用

煤矿综采工作面、掘进工作面属于生产移动性场所，光线不足、温度高、粉尘多、湿度大、设备多，工作环境差且危险度大。因此，实现智能化无人开采是智能工作面建设关键。智能化开采需要大量传感数据的支持，采集的信息类型多、数据生成速度快、数据量增长快；同时智能化开采需要对采煤机等设备进行远程实时监测、遥控，对数据传输的实时性、可靠性要求高。因此智能工作面对传输网络的带宽、时延、可靠性等性能要求高。

通过煤矿5G无线通信系统构建的工作面传输通道，一方面能够可靠、准确、实时地满足工作面各类环境指标、设备工况、作业参数和调度指令等数据的井上下双向传输，实现工作面生产过程自动化、操作远程化；另一方面可实现工作面自动监测监控，可远程监测关键设备工况，当设备出现故障时，维修人员会及时收到维修指令进行维修，从而实现智能工作面的少人或无人操作，达到“无人则安”的安全生产目的。

3.4 矿山车辆远程控制或无人驾驶

矿山车辆远程控制或无人驾驶需要大量传感器对车辆速度、位置、周边环境、障碍物等进行识别，将产生大量的车辆数据与云端的实时计算，每小时需要的数据量大概为100 GB，且由于车辆行驶中需要及时应对路径选择、障碍物规避等决策规划，对数据传输的及时性、可靠性要求极高。5G支持eMBB及uRLLC典型应用场景，可实现峰值1 Gbit/s传输速率、毫秒级时延的传输能力，可为矿山车辆远程控制或无人驾驶提供可靠的通信保障。

4 结语

煤矿5G无线通信系统提供了井上下语音、数据、视频等信息一体化无线高可靠宽带传输平台，支持多种通信终端的接入及互通，为矿井各系统融合及信息综合利用提供了技术支持，为矿井高清视频监控、VR/AR、智能工作面、实时远程控制等行业应用提供了可靠的通信保障，满足井下人-人、人-物、物-物互联的通信需要。但煤矿5G无线通信系统的应用尚未得到充分发展，存在以下缺点或难点：① 5G基站、RHUB等设备功耗大，只能设计成矿用隔爆型产品，体积大且笨重，安装使用不方便。② 5G基站及天线射频总功率需小于6 W，造成覆盖距离小，基站使用数量上升，系统建设成本高。③ 矿用5G手机终端匮乏。④ 5G通信模组价格高且功耗大，尚不具备大规模行业应用的条件。因此，今后应从以下方面进行系统优化：① 小型化行业5G核心网设计，支持网络切片功能。② 矿用5G基站等设备的低功耗及本安化设计。③ 700 MHz频段5G设备的井下应用，提升5G基站覆盖范围。④ 矿用5G手机终端的定制及行业APP的开发。⑤ 低功耗5G通信模组的开发。⑥ 结合现场需求更多行业应用场景的深入挖掘。