黄陵二号煤矿5G无线传输系统设计

2023-09-18李方方

陕西煤炭 2023年5期

李方方,秦涛

(陕西黄陵二号煤矿有限公司,陕西延安 727307)

0 引言

随着计算机功能的提高,人工智能得到快速发展[1-2]。近些年,人工智能技术被应用到包括煤矿行业在内的各个领域[3-5]。然而受通信技术的限制,人工智能技术在煤矿井下的应用受到制约[6-9]。5G通信是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术,是实现人机物互联的网络基础设施。随着5G通信技术的问世,人工智能在煤矿井下得到良好应用成为了可能[10]。广大学者对5G技术的应用做了大量研究,然而大多是非煤矿井下的应用研究[11-13]。笔者以黄陵二号煤矿为背景,分析5G技术在煤矿中的应用。

1 5G无线传输系统

1.1 5G相对于4G技术优势

以往煤炭智能化开采受传统4G无线通信技术在带宽、延时、并发数量等方面的限制一直难以形成较大突破,导致大数据、人工智能、虚拟现实等先进技术难以应用到煤炭开采中为智能化开采服务。5G与4G技术指标对比如图1所示。

图1 5G与4G技术指标对比

1.2 建设目的与必要性

初步建成一张全面感知的5G通信网络,构建一条高速数据传输通道,建设一张符合二号煤矿的企业专网,实现语音通信和数据无线传输,为5G应用提供稳定的网络基础,解决井下即时通信和数据传输问题;建设业界先进的5G专网,为基于5G的智能矿井应用和创新性研究提供网络环境;井下有线电话和5G网络的对接,实现有线和5G专网的语音互通。

5G独立专网的大带宽、低时延、广连接特性能满足煤矿环境下设备互联和远程交互应用需求,保证生产数据不出二号煤矿,重要数据不出黄陵矿业公司。5G独立专网相关技术可应用于矿业开采,使井下、井上实现无缝对接,为智慧矿井、智慧园区等智能化应用提供更有利的基础网络保障,为后期实现“无人值守、少人巡检”智慧矿井建设的追求和目标,做好前期网络试验环境。

1.3 建设思路

根据二号煤矿网络现状整体建设将采用“增强型MEC+10万兆环网+5G无线专网”的独立组网方式,按照“集团一张网,数据不出园区”的思想构建智慧矿区基础体系,提升生产办公智能化,增强数据安全、提高网络性能及可靠性,实现二号煤矿5G全网统一。建设围绕增强型MEC、5G无线覆盖、传输线路3个方面展开。

在二号煤矿部署一套增强型MEC,提供高速数据业务以及核心网的职责。包含控制面和用户面(iUPF)2个基本组件。具有独立运维和自主使用的能力,使应用、服务和内容可以实现本地化、近距离、分布式部署,从而在一定程度上解决了大带宽、低延时、广连接等场景的业务需求。还可以实现虚拟化5G核心网功能,满足垂直行业应用的网络专用化、设备轻量化、部署灵活化等需求,支持VONR高清语音。

井下通信已建成有线通信网,无其他可通信网络,无法和井下人员实现即时语音,应急调度困难。井上仅有运营商无线网、办公网、固定电话网。二号煤矿急需建设一张独立的5G无线通信网络,实现即时语音,解决目前即时通信和实时调度等存在的问题,同时解决数据传输问题,提高矿区生产效率。

因光缆建设时间较长、线路老化、中间熔接次数较多、光衰大等问题,可用纤芯匮乏,环网光缆有多处同路由,甚至同缆环路等问题,严重威胁井下网络安全及数据传输。为保证网络安全,对环网光缆重新设计,并为5G基站提供传输回路。

2 5G网络传输功能

2.1 增强型MEC的EMS网管

核心管理架构的MEC维护相对复杂,矿区自有维护人员难以完成复杂的维护任务,因此可通过远端建设的管理平台专用EMS网管对矿区MEC进行全量权限的维护,如链路、策略、用户等局数据的维护,以及告警和故障等管理。

对于矿区的维护人员,可以通过PC电脑安装的iLMT本地维护终端,进行本地简单维护,如MEC状态的监控等。

2.2 传输设备的EMS网管

基于分布式、多进程、模块化设计,能够统一管理全系列承载网设备,具有配置管理、故障管理、性能管理、维护管理、路径管理、安全管理、系统管理和报表管理等功能。在保障设备功能稳定性的基础上,实现对网元和区域网络的管理和控制。

系统采用多种网络管理技术,按照ITU-T有关TMN的理念进行设计研发,汇集了业界领先的网管软件开发经验,具有强大的管理功能和灵活的组网能力。

U31定位于网元管理层/子网管理层的新一代网络管理系统,具备强大的网元层、网络层管理功能。传输设备的EMS网管流程如图2所示。

图2 传输设备的EMS网管流程

2.3 无线5G基站的EMS网管

ElasticNet UME R18,作为无线网络的下一代管理系统,随着5G网络的迅猛发展,该系统主要特点如下:架构更先进,采用业界先进的云化、微服务架构,支持系统弹性伸缩,系统部署和升级更加灵活。管理范围更广泛,支持管理GSM、UMTS、TD LTE、FDD LTE、NB-IOT、NR及NVF网元。功能更强大,在提供基本无线网络管理功能的同时,配合5G业务的发展,提供无线网子切片管理、虚拟化网元生命周期管理等增强功能。系统更开放,一方面会继续提供满足运营商商用要求的北向接口,另一方面,还会逐步提供基于RestFul的Open API,使管理系统变得更加开放和强大。无线5G基站的EMS网管流程如图3所示。

图3 无线5G基站的EMS网管流程

2.4 5G语音和固话融合

建设增强型MEC支持VONR的小型化vIMS网络。利用VONR-IMS可为5G终端提供VONR语音业务,对外语音需求可通过黄陵矿业的5G核心网出局。

中兴程控交换机(行政电话)不支持IP方式,要实现基于虚拟化的VONR-IMS与现网交换机的对接,必须建设增加语音网关MGCF/IM-MGW,如图4所示。其中MGCF提供控制面,IM-MGW提供媒体面和对外接口。

图4 5G语音和固话融合流程

IM-MGW通过TDM方式对接到现网程控交换机,可以采用E1或者STM-1方式。

MGCF和IM-MGW通过IP方式注册到VONR-IMS网络中。IM-MGW对接至IMS的PCSCF/SBC实现语音媒体流的转接功能。井下矿用电话采用IP电话,直接增加智能网关和5G VONR-IMS对接及可实现井下与5G通信。5G语音和固话融合流程图如图4所示。

3 二号煤矿5G网络建设创新点

5G网络建设创新点主要体现在整体规划、按需建设、5G专网架构合理、要能够支撑后续发展、网络自主可控、确保数据“不出”矿区、统一网管,便于后期运维、5G网络切片,满足不同的业务需求、超级上行(1D3U)、5G组网架构、独立专网组网架构共9个点。

通过整体、总体设计、分步建设来进行。优先重点考虑井下两采两掘业务覆盖。然后考虑变电所、主运输、主斜井、主运大巷以及辅助运输大巷的5G部署。后期可以支撑主运皮带运输以及自动控制,机器人巡检。也可按照矿区信息化发展需要逐步部署,最终实现全井全业务覆盖。

采取5G独立专网的部署架构,同时需要保证黄陵矿业与二号煤矿互联互通。需要考虑“生产连续性”,即二号矿区与外界的传输网络中断后,二号煤矿5G网络承载对内业务不中断,保证主要生产继续进行。

采用5G独立专网的建设,网络的所有权属于二号煤矿,无论在网络使用,还是后期网络运营维护,用户都拥有绝对的自主权与控制权。此外,区别于5G公网多用户共用网络资源,5G专网用户可独享网络资源,确保资源最大的可用性。

5G独立专网能够提供全面的端到端安全,以确保信息、基础架构和核心生产数据安全。还能够将生产型业务与普通互联网业务之间在物理上进行隔离,企业拥有数据主权,可保障矿井下或井上园区内的设备信息、控制面信令流量、用户面数据流量等数据不出园区,以确保敏感信息保留在本地,从而保障企业数据绝对安全。

5G专网网络涉及到核心网、增强型MEC、5G、10万兆环网等,运行在5G网络上的系统与业务也很多,设计和建设的时候需要充分考虑到当前客户运维团队人力不足以及运维能力建设的问题,提供统一的极简运维方案,并提供相应的培训和训练,也可以考虑前期的代维等,共同促进系统高质量运行,促进矿上业务高质量发展。

针对5G独立专网,采取独有的网络切片技术,将网络资源进行切片化处理,能够实现针对不同业务灵活设置独立切片资源,量身定制不同服务系统性能和资源使用,保障各业务的相对独立及运行的稳定性。

上行增强有两大类实现方式,专用基站配合上行帧格式以及FAST视频双聚合。单独部署专用基站,专用基站可以采用与大网不同的频率,采用不同的帧格式可以避免对大网的干扰。针对上行大容量需求可以采用上下行配比为3:1的1D3U的新型帧结构,可以大幅度提升上行容量,使上行速率达到700～800 Mbps以上(传统技术5G上行速率162 Mbps)来满足井下特殊场景对网络大量上行带宽的需求。网络拓扑示意如图5所示。