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
方案优点缺点UPF/MEC下沉核心网依托于运营商,系统前期建设成本较低;公网、专网统一放号,可实现矿区内外一号通核心网依托于运营商,系统的管理、维护、放号等均依赖运营商,灵活性较差;系统与运营商公网相连,安全性较独立专网差;需支付运营商套餐费,应用成本较高;移动语音调度等行业应用功能目前尚难以实现独立专网核心网为自有专网,系统的管理、维护、放号等均自主可控,灵活性较好;系统与运营商公网可物理隔离,安全性较高;使用中无需支付运营商套餐费,应用成本较低;对移动语音调度等行业应用支持度较高需自建独立专网,系统前期建设成本较高;专网自主放号,与公网的对接需运营商配合,实现较为复杂
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。
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