基于5G无线网络技术的智慧矿山方案研究

任朝恩

（河北广电信息网络公司，河北 石家庄 050000）

0 引 言

我国是一个矿产资源大国，采矿业在我国国民经济中占有重要地位。然而，矿山安全风险大、招工难、成本高、效率低等一系列问题，一直是矿山企业发展面临的主要问题。

智慧矿山是通过以机械化、自动化、信息化、智能化为核心的“四化”策略，以高速率、大容量、双向综合数字通信网络为载体，以智能设计与生产管理软件系统为平台，通过对矿山生产对象和过程进行实时、动态、智能化的监测与控制，实现矿山开采的安全、高效和经济效益较大化[1]。当前，5G通信技术以其大带宽、低时延的网络优势，结合边缘计算、大数据、云计算等先进技术，能够满足矿区移动性和封闭性的特殊场景需求，助力矿区“少人化、无人化”目标的落地和推广。

1 智慧矿山项目需求分析

1.1 煤炭行业转型痛点及智慧化需求分析

目前，我国煤炭行业面临安全生产严峻考验，随着行业不断发展，国家对安全生产的重视程度和要求不断提升，而传统的煤矿作业系统和设备已经不能完全适应和满足当前煤矿安全生产的要求。将5G等信息化技术广泛地应用在煤炭安全生产中，有助于推动我国煤炭行业的健康发展和智慧化转型。

当前煤炭行业从业人员流失严重，特别是煤矿工程技术人才队伍短缺，给煤炭行业的可持续发展带来影响，煤炭行业已经到了必须从人力密集型行业向技术密集型行业转型升级的关键时期。而运用5G等信息化技术手段提升煤矿运行效率，降低作业人员规模，是转型升级的一条可行之道。智慧矿山的建设部署，能够让煤炭行业对人力的需求从简单的规模数量转向求精求质的高质量人才，调整人力资源结构，带动整个产业的转型升级。

智能掘进、智能采煤、智能巡检、无人矿卡及远程控制等智慧矿山应用场景，对宽带、时延及覆盖等网络性能提出了非常高的要求。5G作为最新一代成熟商用的无线通信技术标准，其大带宽、低时延、高可靠的技术特点，正好能够契合智慧矿山对无线通信的要求。

1.2 建设原则及目标

矿山5G网络的建设和部署是一项复杂的工程，需要配合智慧矿山整体建设规划和节奏，视情况分周期逐步推进。

在建设部署矿山5G网络的同时，需要充分考虑现有各类通信系统的业务情况，做好融合互通，既要防止立烟囱式的隔离建设，又不能对现有系统和业务造成大的冲击。

网络规划应立足长远，充分考虑智慧矿山各类智能化应用需求。在具体实施过程中，应充分考虑当期及未来各类智慧矿山业务的网络需求，做到从整体规划，易扩展；注重技术创新，使用无线通信技术最新成果，结合矿山实际情况，开拓创新，积极开展各类智慧矿山应用，切实提升矿山智能化水平。

2 智慧矿山项目网络架构及建设模式

2.1 整体网络架构

矿山网络设计主要分为应用层，网络层和感知层，如图1所示。应用层包含智慧矿山涉及的相关智能化业务，如智能采煤/掘进、辅助运输、智能巡检视频分析以及远程控制等智慧矿山业务，最终对应到矿山各类信息化系统，如大数据可视化分析系统、综采工作面综合管理系统、危险源分析预测预警系统、透明矿山综合管理系统、人员定位系统、安全检测系统以及应急救援智慧系统等。

图1 智慧矿山网络架构

网络层包含核心网和基站接入网。核心网是移动通信网络的核心部分，起着承上启下的作用，主要负责处理终端用户的接入管理、会话管理、移动性管理以及数据传输等功能[2]。感知层包含各类信息传感和采集终端，如通信类终端、视频采集终端以及物联传感终端等。

2.2 网络建设模式

2.2.1 5G核心网自建

考虑到矿山业务复杂性及矿区特别是井下环境的恶劣程度，考虑在矿山部署低成本小型化5G核心网，采用与运营商共享基站的模式接入基站，保障矿山业务数据的安全性和用户管理的完全自主性。矿山相关业务通过矿区自建核心网与业务系统联通承载。该网络是一张真正的矿区5G专网，实现了数据隔离和业务自主。

2.2.2 边缘云下沉

在使用运营商5G公网核心网的情况下，为了进一步保障矿山业务数据的安全性，并方便各类矿山智能化业务的部署，可考虑在矿山自建下沉的边缘计算技术（Mobile Edge Computing，MEC）/用户面功能（User Plane Function，UPF）边缘云，采用本地分流的模式进行数据传输和业务加载，控制面数据由运营商的5G核心网承载，用户面数据由矿区本地MEC/UPF边缘云卸载在矿区本地，与业务系统联通承载。此模式下，矿山用户数据不出矿区，数据安全性得到保障，也有利于远程控制等低时延业务的开展，但用户管理和业务的开通等操作仍需要在运营商5G核心网实现。

2.2.3 公网切片

此模式下，整套5G核心网均由运营商提供，数据和控制面数据流均通过运营商5G核心网承载，可考虑为矿业集团和矿山在运营商网络部署专用切片，满足集团、矿山的定制化业务需求。

3 5G智慧矿山无线网络核心网关键技术

核心网是移动通信网络的三大组成部分之一。核心网主要负责管理数据，对数据进行分拣。而对数据的处理和分发，其实就是“路由交换”，这是核心网的本质。

作为移动通信网的核心部分，核心网起着承上启下的作用，主要负责处理终端用户的接入管理、会话管理、移动性管理以及数据传输等功能。5G核心网构架主要包含基于服务的架构（Service Based Architecture，SBA）、控制面与用户面分离（Control and User Plane Separation，CUPS）以及网络切片三大关键技术，本质上是最终实现化整为零、由硬变软的演进过程。

3.1 基于服务的架构

基于服务的架构（Service Based Architecture，SBA）采用云原生构架设计，借鉴了IT领域的“微服务”理念。传统网元是一种紧耦合的黑盒设计，网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）从黑盒设备中解耦出网络功能软件，但解耦后的软件依然是“大块头”的单体式构架，需进一步分解为细粒度化的模块化组件，并通过开放的应用程序接口（Application Programming Interface，API）来实现集成，以提升应用开发的整体敏捷性和弹性。基于这样的设计理念，传统网元先是转换为网络功能（Network Function，NF），然后NF再被分解为多个不同的网络功能服务。

SBA=网络功能服务+基于服务的接口。网络功能可由多个模块化的网络功能服务组成，并通过基于服务的接口来展现其功能[3]，因此网络功能服务可以被授权的NF灵活使用。

3.2 控制面与用户面分离

控制面与用户面分离（Control and User Plane Separation，CUPS）的目的是让网络用户面功能摆脱“中心化”的约束，使其既可灵活部署于核心网（中心数据中心），也可部署于接入网（边缘数据中心），最终实现分布式部署[4]。

事实上，核心网一直沿着控制面和用户面分离的方向演进。从R7版本开始，通过Direct Tunnel技术将控制面和用户面分离，在3G 无线网络控制器（Radio Network Controller，RNC）和网关GPRS支持节点（Gateway GPRS Support Node，GGSN）之间建立了直连用户面隧道，用户面数据流量直接绕过服务GPRS支持节点（Serving GPRS Support Node，SGSN）在RNC和GGSN之间传输。到了R8版本，出现了移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME）这样的纯信令节点。而到了4.5G和5G时代，这一分离的趋势更加彻底，也更加必要，其中一大原因就是为了满足5G网络毫秒级时延的关键绩效指标（Key Performance Indicator，KPI）。光纤传播速度为200 km·s-1，要在长距离实现数据的毫秒级延时传输，需将内容下沉，分布式地部署于接入网侧（边缘数据中心），使之更接近用户，以降低时延和网络回传负荷。

3.3 网络切片

5G服务是多样化的，包括车联网、大规模物联网、工业自动化、远程医疗等[5]。不同的服务项目对网络有不同的需求，因此必须将网路切成许多虚拟而又彼此隔离的子网路，分别应对不同的业务。对于如此灵活的切片工作，使用传统大块头的黑盒设备是无法完成的，因此一定要进行虚拟化、软件化，并使网络的功能进行细粒度模块化，才能进行灵活组装业务应用。

4 结 语

智慧矿山是煤炭生产管理转型升级的重要发展方向。将5G无线网络技术融入矿山煤炭安全生产中，能够为矿山建设提供良好的通信条件，推进远程无人控制勘探、开采及多种技术的综合应用，提高生产过程的自治化和自主化运行管控水平。5G无线网络技术的加入，对我国采矿工程的安全性及效率提升具有积极的意义，智慧矿山也将成为未来矿业发展的新趋势。