煤矿5G 融合通信系统架构设计

吴文臻

（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）

煤矿的通信系统的应用中，有线/无线调度通信、视频监控、人员定位等系统建设完成后，存在系统独立、缺乏联动互通、统一调度，信息“孤岛”现象广泛存在[1]。关于煤矿5G 融合通信系统的应用研究，多集中5G 技术在煤矿智能化应用可行性与必要性[2]，以及未来展望[3]。孙继平[4]论述了煤矿智能化建设的整体应用的顶层设计；孟庆勇[5]从煤矿井下实际应用场景探讨并分析了多种应用的架构设计方案；郑小磊等[6]提出了煤矿5G 通信系统安全技术要求和检验方法综合指标法；从煤科5G 的无线通信的技术角度，张立亚[7]提出了基于5G 通信的矿山可视化智能监控技术；顾义东[8]分析了5G 技术在煤矿掘进工作面运输系统中的应用；孙继平[9]深入研究了煤矿智能化与矿用5G 和网络硬切片技术；霍振龙等[10]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。以上研究主要集中在5G 通信技术、应用场景分析等；随着煤矿井下融合通信系统的应用，研究基于5G 的煤矿融合通信系统的建设及应用，对解决智能矿山建设中面临的接口兼容、远程控制、统一平台[11-12]等问题具有重要意义。

鉴于此，从煤矿5G 融合通信系统整体架构设计出发，根据应用需求提出煤矿5G 融合通信的技术要求，建立融合通信平台网络拓扑架构、安全机制与测量动态架构等，并基于5G 通信性能参数测试及业务功能包括语音视频通话、融合系统、应用场景智能联动调度等应用验证。

1 煤矿5G 融合通信技术要求

煤矿生产环境下存在多样化应用需求，煤矿融合通信平台承载音视频语音传输、视频远程监控、远程控制、巡检机器人、巡检无人机、自动驾驶等业务应用。以上应用对煤矿融合通信平台网络的需求分为3 种类型：①以上行数据为主的信息采集类：如视频信息、各类传感器信息的采集，对上行带宽和支持的连接数量要求较高；②以下行数据传输为主的控制类应用：如远程操控、自动驾驶等，控制类应用主要对时延和可靠性要求比较高；③双向交互类：如语音通信等，交互类业务对带宽、延迟要求中等，上下行流量基本对称。

1）低时延/高可靠。煤矿5G 融合通信系统面向远程控制、远程（无人）驾驶等应用的低时延和高可靠性需求[13-15]，双向时延小于20 ms，可靠性为99.99%以上。远程驾驶应用支持最低5 ms 时延、99.999%可靠性、上行25 Mpbs、下行1 Mbps 通信速率的需求指标；高级自动驾驶需要支持最低3 ms、99.999%可靠性、53 Mbps 的车车/车巷通信速率。

2）数据安全。基于5G 融合通信低时延/高可靠承载的煤矿环境感知、控制信息下发、流程调度等数据业务，自动巡检、自动驾驶等运动机械的操控，割煤机、液压支架、掘进机等远程控制或基于AI 的智能控制设备，对数据安全性要求很高[15]，也需无线系统数据备份；此类感知、控制类数据具备典型的封闭生产区域特点，数据安全需满足不出煤矿，5G 融合通信网络与运营商公网必须保证良好的隔离措施，保证数据的绝对安全。

3）大带宽。视频监控、远程控制应用的实时数据回传以及监测监控数据传输，要求通信系统具有大带宽，其中视频监控传输为主，为保证视频画面的清晰度和流畅性，以H.264 标准编码时，1 路1 080 p 的摄像头至少需要4 Mbps 带宽，系统设计要求应达到60 Mbps 以上，在煤矿井下配电室、水泵房、带式输送机巷等重要场所，高清摄像头密集的环境对大带宽的要求会更高。与传统公众电信网络下行传输需要大带宽不同，煤矿通信网络需要上行传输具有更大带宽。

2 煤矿5G 融合通信平台架构

煤矿融合通信平台架构采用NGN 网络架构、SIP 软交换协议及开放接口技术，承载采集类、控制类、双向交互类等多数据业务，满足各类煤矿通信系统数据互联互通、功能联动调度、远程操控等不同业务的通信需求。煤矿5G 融合通信平台架构设计需满足各类业务精准性、应急性、有效性和监察性、统一管理性，以及数据资产完整保留性。

2.1 网络拓扑架构

图1 煤矿5G 融合通信网络拓扑Fig.1 Coal mine 5G integrated communication network topology

煤矿融合通信管理平台NGN 网络拓扑架构采用基于公有云或私有云的全IP 网络架构平台，设计满足支持有线/无线调度、视频监控、人车定位、远程（无人）操控等统一管理调度需求。架构采用SIP 软交换技术或IMS 技术实现端到端业务控制；采用IPv6 技术解决地址问题，提高网络整体吞吐量；采用MPLS 技术实现IP 层和多种链路层协议（ATM/FR、PPP、以太网或SDH、光波）的结合；采用OTN（光传输网）和光交换网络满足传输和高带宽交换需求。网络拓扑支持指挥决策中心、服务器、井下环网、各子系统接入组成。

2.2 网络安全机制

煤矿融合通信平台在NGN 运行环境中的安全问题包括体系结构、QoS、网络管理、移动性等，网络安全机制需满足数据的安全过滤、开放授权、访问控制、数据加密、电子封条、安全审计和故障预警等，架构设计采用的立体安全保障体系，最优满足远程（无人）控制数据的安全防护、安全监测和安全恢复机制。

安全防护机制保障平台承载的井下采掘设备远程控制类数据的稳定、安全、实时、可靠。安全防护机制保护平台网络系统存在的各种安全漏同和安全威胁，实时采取相应的防护措施，避免非法攻击；安全监测机制实时监测控制数据的运行情况，实时发现和制止对系统安全漏洞和潜在风险攻击；安全恢复机制是在安全防护机制失效的情况下，应急处理和及时恢复信息，减少攻击破坏程度。

2.3 API 模式多层次架构

采用标准API 接口提供高层应用的业务访问网络资源和信息能力，建立煤矿融合通信管理平台的独立业务体系，实现平台与多个子系统的互联互通。API 模式基于标准规范直接开发平台的应用业务，解决平台承载应用的底层软件运行的线程控制、资源提供、可靠调用等复杂问题，保证融合通信平台系统安全性；融合通信平台将API 封装成具有一定功能的构件，基于构件建立更高抽象层次的平台业务框架，为平台多业务融合应用提供最大灵活性。

2.4 策略动态架构

针对煤矿井下5G 远程（无人）控制高可靠性的质量管理，对平台架构设计提出新要求，管理重点向数据层和实时层转移，解决网管系统的综合化和智能化要求；采用基于策略的网络管理系统中，把传统网络和设备为中心的管理模式转化为以控制为中心的管理模式，网络管理根据控制指令动态制定策略，策略自动转换成设备指令，使平台的数据控制指令管理与设备远程操控配置相结合，实现控制和可靠性管理，满足复杂分层服务的网络的协调和配置需求，增加对应用需求量的控制能力，提高平台的管理可靠性和实时性。

3 煤矿5G 融合通信系统架构

3.1 通信接口

煤矿5G 融合通信系统提供标准数据通信接口，支持数字中继网关、环路中继网关2 种方式出局，通过局向对接实现语音/视频互通；支持全种类中继信令，SS7、NO.1、PRI、SIP、H.248、H.323、MGCP信令协议，根据应用需求，数据安全隔离后，保证平台与各类公网、专网对接，解决各类煤矿通信系统孤立、数据不同、功能不能联动调度的问题，以及数据互通的不同管理需求。5G 无线通信承载接口满足井下/井下数据交换，在5G 承载网中实现数据分流、井下/井下就地判识的数据安全隔离，满足应用共存需求的分类/兼容接口。

3.2 业务需求

煤矿融合通信系统业务逻辑采用多级分布，满足跨系统协调调用，业务主要分为：联合调度、业务层管理、地图定位、移动应急、综合自动化、远程操控等。

“我带你们走的正是最好走的路,起码在这一带是这样。这里本没路,拖拉机一过,路就出现了。”说完,便又扛起行李往前走。

1）多业务融合。不同通信无缝融合，消除资源与信息孤岛，实现对各种通信系统语音、视频、数据业务的交互融合和综合调用。

2）资源集中管理。通信、数据、物资、人员、车辆等资源集中调控，实现资源最优化配置。

3）统一指挥调度。融合平台实现跨系统指挥调度，便于整个通信系统的集中管理、统一指挥、整体显示、信息共享。

4）高效操作。提供基于GIS 的友好操作界面，支持各接入系统的智能化联动，支持应急预案，实现一键式触控调度整个通信系统。

3.3 系统建设

煤矿融合通信平台如图2。

图2 煤矿融合通信平台Fig.2 Coal mine integrated communication platform

基于5G 的煤矿融合通信系统的建设，采用SA架构和BBU+RHUB+pRRU 无线覆盖，煤矿井下本地化部署5G 核心网及基站等设备，实现井下5G 信号分区、按需覆盖，5G 无线专网与公网物理隔离，保证煤矿5G 专网系统数据的本地安全。

煤矿5G 无线通信系统设备建设完成之后，根据具体业务应用需求，设计合理上/下行时隙配比、自适应网络切片、云-边-端联合调试满足控制需求的最大时延/最低带宽；通过5G 灵活空口调度特性，确定基站与终端的无线空中接口参数；通过载波聚合提升上行传输能力，解决5G 特定的上行大带宽需求，确保上行大带宽与下行低时延高可靠性；满足数据联动的远程（无人）操控需求。

4 煤矿5G 融合通信系统承载应用

4.1 联动应用

煤矿5G 融合通信系统联动应用如图3。

图3 煤矿5G 融合通信系统联动应用Fig.3 Linkage application of 5G fusion communication system in coal mine

1）联动调度。通过有线IP 网络对有线/无线调度话机语音、监控采集/可视电话/视频调度；4G/5G网络远程音视频调度；将视频监控系统、数字广播系统、UWB 定位系统、应急预案系统等融入到煤矿5G 融合通信管理平台，实现统一调度联动管理。

2）远程（无人）操控。综采工作面机头、中部、机尾、进风巷监控中心分别部署5G 基站，实现工作面5G 信号全覆盖；采煤机、电液控、运输三机等关键综采装备均通过CPE 接入5G 网络；手持终端等设备直接接入5G 网络，实现测试设备互联、远程操控、数据采集和智能监控的功能。

3）巡检机器人。采用CPE 连接巡检机器人的控制器，通过5G 通信实验平台网络，对同时接入网络的巡检机器人进行实时控制，测试巡检机器人的巡检状态。

4.2 应用结论

1）音视频通话、融合通信系统联动等功能信令过程正确、完整，接通率100%，画面清晰，视频未见卡顿情况；调度融合管控平台能够有效实现有线调度、无线调度、监控系统、定位系统、广播系统等的功能调用和数据互通。

2）三机远程操控加载控制数据后终端设备之间速率不低于20 Mbps、单个CPE 上传速率可达200 Mbps，时延性能稳定，终端设备远程操控稳定，满足煤矿5G 融合通信系统及场景联动应用。

3）巡检机器人控制实现实时精确控制，控制指令的端到端时延经测试在10 ms 左右，实时控制指令能够稳定、精确顺畅地控制巡检机器人的移动。通过测试单个CPE 上传速率可达285.2 Mbps。

5 结 语

1）根据煤矿生产多样化应用需求，分析联动调度、远程（无人）操控、巡检机器人3 种典型应用类型，提出煤矿5G 融合通信系统的低时延/高可靠、数据安全、大带宽承载的技术要求。

2）针对煤矿5G 融合通信平台承载采集类、控制类、双向交互类等多数据业务需求，分析了NGN网络架构的网络拓结构、安全运行机制、API 多层次架构，以及策略网络动态控制策略，以满足平台统一调度管理各类业务精准性、实时性、有效性。

3）以典型应用业务为切入点，设计基于5G 的煤矿融合通信系统的兼容接口，分析业务需求的功能架构，建设煤矿井下本地化不是的5G 系统，动态设定与典型业务匹配的时隙配比、网络切片、空中接口参数。

4）分析了煤矿井下联动调度、远程（无人）操控、巡检机器人3 种典型融合通信的联动应用场景，并给出系统延时、可靠性等主要技术指标参数，以及应用结论，为煤矿5G 融合通信系统的实际应用提供数据参考。