5G技术在煤矿井下应用架构探讨

孟庆勇

(1.煤炭科学技术研究院有限公司， 北京 100013； 2.煤矿应急避险技术装备工程研究中心， 北京 100013； 3.北京市煤矿安全工程技术研究中心， 北京 100013)

0 引言

5G无线通信技术是4G的升级和延伸。与4G相比，5G采用大规模MIMO(Multi-Input Multi-Output，多输入多输出)、上下行解耦、波束成形、密集网络等技术，实现了更快网速和更大网络容量[1]；具备高速率、超宽带、低功耗、低时延等优势，成为特殊行业机器人、无人驾驶、VR(Virtual Reality，虚拟现实)、超清视频、设备远程操控、全矿井安全监测信息采集等应用的技术基础[2]。

目前，国内对于5G技术在煤炭行业的应用还处于探讨和试验阶段，未见成熟应用案例的报道。王国法等[3]论述了5G技术在煤矿智能化中的应用展望，分析了煤矿智能化应用5G的可行性、必要性；孙继平等[4]研究了智慧矿山与5G和WiFi6，对矿用5G与WiFi6技术应用进行了比较。霍振龙等[5]研究了矿用5G无线通信系统的组成及组网方式，并提出了5G技术在煤矿的应用场景。笔者认为矿用5G应用主要围绕井下机器人、井下车辆无人驾驶、环境监控与安全防护、VR/AR(Augmented Reality，增强现实)智能培训、物联网数据传输、智能工作面等煤矿井下智能化场景展开研究。

本文着重探讨了适合煤矿井下应用的5G组网架构、5G网络传输方式、行业小型核心网切片技术应用等，以期为5G在煤矿井下应用提供技术思路及方法。

1 矿井5G组网架构分析

公网5G分为非独立组网(Non-Standalone，NSA)和独立组网(Standalone，SA)2种架构。NSA架构是通过整合5G基站和4G核心网、基站的方式组网，投入小、部署快，能够快速推进5G网络覆盖；SA架构为在新建5G基站基础上建设独立的5G核心网，初期建设成本高。2种5G组网架构对比见表1[6]。

目前国内公网运营商先行采用NSA架构[7]，在此基础上逐步过渡到NSA/SA架构。SA架构尚处于推进阶段。矿用5G专网建设技术尚在探讨和论证阶段。

1.1 NSA架构

基于NSA架构的5G网络部署如图1所示。其是在已有4G核心网基础上，将5G作为4G副载波传输用户数据，5G无线空口RRC(Radio Resource Control, 无线资源控制)、广播等信令可由4G传递，数据通过5G NR(New Radio，新无线)和 4G LTE(Long-Term Evolution,长期演进)传递，终端连接方式为5G与4G双连接。该架构下只能发挥5G的 eMBB (Enhanced Mobile Broadband，增强移动宽带)优势，不能发挥其uRLLC(Ultra-Reliable and Low Latency Communications，高可靠和低延迟通信) 及mMTC(Massive Machine Type Communication，大规模机器类型通信)优势[8-9]。

表1 NSA，SA架构对比Table 1 Comparison between NSA and SA architecture

图1 基于NSA架构的5G网络部署Fig.1 5G network deployment based on NSA architecture

SA架构下5G组网进程分为3个阶段：① 4G基站(eNB)和5G基站(gNB)共用4G核心网(EPC)，eNB为主站，gNB为从站，控制信号经eNB至EPC。② eNB和gNB共用5G核心网(NGCN)，eNB为主站，gNB为从站，控制信号经eNB至NGCN。③ eNB和gNB共用NGCN，gNB为主站，eNB为从站。

1.2 SA架构

SA为新建5G核心网、回程链路、基站等独立组网架构，采用NFV(Network Functions Virtualization，网络功能虚拟化)、SDN(Software Defined Network，软件定义网络)等技术，实现全新网元与接口技术，支持5G网络引入的所有新功能和新业务。基于SA架构的5G网络部署如图2所示。该架构下终端与5G基站直接连接。5G频点较4G高，初期部署难以实现连续覆盖，会存在大量5G与4G系统间切换[10]，用户体验有待提高。

图2 基于SA架构的5G网络部署Fig.2 5G network deployment based on SA architecture

1.3 煤矿井下5G网络架构

煤矿井下4G“一网一站”已普遍推广应用，安装了矿井4G核心网，可与公网无缝对接，实现了视频监控及调度、宽带接入、语音集群、人员定位、应急指挥调度等功能的数据集成，以及全矿井信息流的无线高速传输。针对5G技术的特点，煤矿井下5G应用场景预测为井下机器人数据传输、VR/AR增强应用、环境监测与安全防护、高清视频、井下车辆无人驾驶等。基于NSA架构，构建如图3所示的煤矿井下4G与5G融合网络架构。该架构利用原来的4G网络实现语音、调度功能，新建5G网络拓展其他智能化应用，最大程度地节省建设投资，推进智慧矿山建设。

2 煤矿井下5G网络传输方式分析

5G网络主要包括接入网、承载网、核心网、空口等。5G接入网由BBU (Base Band Unit，基带处理单元)、RRU (Remote Radio Unit，远端射频单元)、天线等组成。其中BBU包括CU (CentralizedUnit，集中单元)、DU (Distribute Unit，分布单元)。CU为BBU非实时部分，负责处理非实时协议和服务； DU负责处理物理层协议和实时服务。BBU提供与传输设备、射频模块、外部时钟源、LMT(Local Maintenance Terminal，本地维护终端)或U2020连接的外部接口，实现信号传输、时钟接收及BBU在LMT或U2020上的维护；RRU将基带信号调制到发射频段，经滤波放大后，通过天线发射。5G承载网为OTN(Optical Transport Network，光传送网)。基于OTN的5G网络传输方式如图4所示。

图3 基于NSA的煤矿井下5G网络架构Fig.3 5G network architecture in coal mine underground based on NSA

图4 5G网络传输方式Fig.4 5G network transmission mode

煤矿井下5G业务需求、网络架构直接影响承载网的带宽、时延、时钟精度和可靠性等指标，研究5G承载网功能划分，网元下沉，不同模式的前传、中传、回传组网方案，适应煤矿井下应用场景、狭长巷道特殊环境下的传输方式是5G技术在煤矿井下应用的关键。本文重点探讨5G承载网前传组网方案，具体如下。

(1) 光纤直连方案，如图5所示。节点的每个RRU与DU全部采用光纤点到点直连组网。该方案布设简单，最大的问题是占用光纤资源较多。随着5G基站、载频数量急剧增加，对光纤的使用量激增。对于煤矿井下集中场景(如水泵房、变电所等场所的机器人巡检，VR/AR培训，无人值守工作面等)的热点覆盖，可以采用该方案，以最大化满足大带宽、低时延、高可靠信息传送需求。

图5 光纤直连方案Fig.5 Optical-fiber direct connection scheme

(2) 无源WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分复用)方案，如图6所示。将WDM安装到RRU和DU上，实现波分复用。多个RRU通过1根光纤与DU连接，不同中心波长的光信号在同一根光纤中传输且互不干扰。该方案通过WDM将不同波长的光信号合成1路传输，减少了链路成本，但存在运维困难、不易管理、故障定位较难等问题，适用于煤矿井下网络部署简单、独立维护性强的场景。但目前支持该方案的RRU设备体积较大，需要实现设备小型化后才可大规模应用于井下。

图6 无源WDM方案Fig.6 Passive WDM scheme

(3) 有源OTN方案，如图7所示。在RRU和DU中配置相应的OTN，多个前传信号通过WDM共享光纤资源。与无源WDM方案相比，有源OTN方案支持点对点和组环，可灵活适应不同场景，无需增加光纤资源，同时提供环网保护，支持综合承载和业务收敛环。该方案目前只有少数厂家的设备通过在RRU和OTN之间增加RHUB来实现。在设备小型化后，也可将DU和RRU放置到井下，DU通过OTN将数据传输到地面，实现全矿井5G覆盖。

3 煤矿井下5G网络应用场景探讨

5G网络切片技术是将物理网络划分为多个逻辑虚拟网络，每一个虚拟网络根据时延、带宽、安全性和可靠性等划分，以灵活应对不同的网络应用场景[11]。每个虚拟网络内的设备、接入网、传输网和核心网逻辑独立，任何一个虚拟网络发生故障都不会影响其他网络[12]。网络切片优化网络资源分配，从而实现最大成本效率，满足多元化需求，是实现5G多场景、多样化应用的核心技术之一。随着5G终端数量及种类增多，为满足高带宽、低时延、高密度需求，采用MEC(Mobile Edge Computing，移动边缘计算)[13]技术实现网络切片。

图7 有源OTN方案Fig.7 Active OTN scheme

矿井5G网络采用NSA/SA架构，采用无线网、核心网、承载网切片，实现5G业务端到端切片。针对煤矿井下不同业务场景或类型，确定无线业务隔离、时延等属性来定义承载网切片；选择业务端口、VLAN(Virtual Local Area Network,虚拟局域网)、IP的DSCP(Differentiated Services Code Point,差分服务代码点)等进行无线网业务和承载网切片之间的映射。结合终端设备、接入网性能、核心网配置、网络规模，实现独立、隔离和集成的5G网络切片。本文主要探讨图8中4种5G网络切片应用场景。

图8 煤矿井下5G网络切片应用场景Fig.8 Application scenes of 5G network slice in coal mine underground

3.1 智能巡检机器人

智能巡检机器人利用5G大带宽、低时延特性，有效解决实时通信问题；加载红外热成像仪、气体检测仪、高清摄像机等装置，代替人对厂区及生产线巡检，便于维护人员及时发现设备问题，提升巡检质量和效率。智能巡检机器人应用于水泵房、变电所等固定场所，先期采用NSA架构，主要实现无轨行走、多点自主巡航、可视化识别、实时数据回传分析、自主执行任务等功能。

针对巡检机器人应用特性，搭载的传感器大部分为采集、传输静态数据，无需移动性管理，因此应用场景中5G核心网切片任务相对简单。核心网、承载网协同通过基于SDN/NFV架构的切片编排器完成[14]：采用SDNO(SDN Openflow，SDN开放协议)实现承载网切片编排；通过SDNC(SDN Controller，SDN控制器)完成承载网切片部署；采用切片控制器完成无线网和承载网之间跨域的业务协调和编排，协调核心网、无线网和承载网切片管理。无线网切片粒度不易太大，否则无法满足巡检数据实时回传的低时延需求。

3.2 环境监测与安全防护

5G网络可以更快的速度和更大的容量实现矿山全环节高清视频监控。与目前煤矿井下安全监控系统仅能实现环境参数及人员位置等监控不同，5G网络环境下采用边缘计算服务器的影像分析及视频图像算法对高清图像进行实时分析，针对人员、环境、设备、资产等提供全矿井、全流程智能安全预警。环境监测与安全防护对网络承载能力要求较高，5G网络可搭载4G核心网，采用NSA架构，以有源OTN、无源WDM方案接入环网或点到点网络，实现高清视频无死角监测预警。

为了满足海量高清视频数据承载需求，采用NFV技术对网络功能进行虚拟化，建立无线网部分的边缘云、核心网部分的核心云。边缘云和核心云中的VMs(Virtual Machines，虚拟主机)通过SDN互联互通[15]。将核心网中的MME(Mobility Management Entity，移动性管理实体)、S/P-GW(Serving/PDN Gateway，服务/PDN网关)和PCRF(Policy and Charging Rules Function，策略与计费规则功能单元)，无线网中BBU的DU转移到VMs，与存储服务器一起放入边缘云，将部分虚拟化的核心网功能放入核心云。

3.3 VR/AR智慧煤矿

基于5G技术大带宽、低时延特性，AR技术在煤矿井下应用成为可能。网络云化可将AR终端的大量计算、存储任务转移到边缘云，减轻AR终端的前端负担。非现场实时的VR/AR智慧煤矿对网络的带宽要求较高，在SA独立组网尚未完成的情况下，采用NSA架构、光纤直连或无源WDM传输方案，实现煤矿AR智能巡检、设备运维、生产培训等应用。SA方案成形后，可实现现场实时巡检、运维、预警等功能。

因VR/AR智慧煤矿对于网络时延要求较低，核心网可同时接入多个切片，为每个切片分配独立地址，提高VR/AR独立运行的流畅性。承载网切片粒度不易太细，否则会增加VR/AR编排及演示复杂度。无线网根据VR/AR单个数据端QoS(Quality of Service，服务质量)需求、通信负载或接口类型等，采用符合煤炭行业标准的服务器、存储和网络设备取代5G网络中的专用网元设备。无线网体系结构对于每个切片做实时调整[16]。每个切片使用不同类型的无线网配置，以满足不同运行需求。

3.4 井下车辆无人驾驶

井下车辆无人驾驶应用对5G网络的低时延、高可靠、高覆盖性要求很高，NSA架构无法满足5G网络的uRLLC及mMTC需求，因此采用SA架构，根据不同运输车型选择不同传输方式，实现井下无人驾驶。该应用受限于公网SA技术发展，短时间内难以实施。无人驾驶需要海量机端数据与云端实时计算，每小时处理约100 GB数据，时延为毫秒级。

井下无人驾驶属于复杂应用场景，无线网采用独立切片技术，独立部署各种端到端切片。每个独立切片包含完整的控制面和用户面功能，形成不同无人驾驶群专有网络，如CIoT(Cellular Internet of Things,蜂窝物联网)、eMBB等。井下车辆无人驾驶5G网络需突破切片隔离机制、配置等技术，以满足无人驾驶车辆同时接入多个无线网切片、实时鉴权、用户识别功能配置等需求。考虑到井下无人驾驶的低时延要求，切片需最小化端到端时延，核心网功能和相关服务器均需下沉到边缘云。

4 结论

(1) 提出的基于煤矿井下4G“一网一站”核心网的煤矿井下5G网络架构能够最大程度地节省投资并有效利用现有设备，具备4G基站的连续覆盖、全矿井无线高速传输功能，同时充分利用了5G网络优势，可实现煤矿井下5G智能化应用，推进智慧矿山建设。

(2) 针对煤矿井下5G业务需求，分析了5G承载网3种前传组网方案：适用于井下水泵房、变电所等场所的机器人巡检，VR/AR培训，无人值守工作面等场景的光纤直连方案；适用于井下网络部署简单、独立维护性强场景的无源WDM方案；可灵活适应不同场景的有源OTN方案。

(3) 探讨了煤矿井下智能巡检机器人、环境监测与安全防护、VR/AR智慧煤矿3种5G网络切片应用场景中的NSA架构应用模式，以及井下车辆无人驾驶场景中的SA架构应用模式。

(4) 5G技术为实现煤矿智能化提供支撑，是煤矿井下无线通信技术的发展趋势。但5G技术在煤矿大规模应用还有很多方面需要研究及相关产业链厂商支持，包括配套的本质安全型CPE(Customer Premise Equipment,客户前置设备)开发、基站及接入终端上下行速率优化等。