胡亞輝,趙國瑞,吳群英
(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機電與信息工程學(xué)院,北京 100083;2.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013;3.煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院,北京 100013;4. 陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司, 陜西榆林 719000)
近些年,煤礦智能化在我國煤炭生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展發(fā)面已體現(xiàn)出了巨大的技術(shù)保障能力,成為煤炭工業(yè)科技發(fā)展的重要方向[1-4]。 在煤礦智能化進程中,第五代移動通信技術(shù)(the 5th Generation Commu?nication,5G)融合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù)成為煤礦智能化的有效推動力,已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛共識[5-7]。 隨著國家發(fā)改委和國家能源局等八部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》[8]的通知以及工信部印發(fā)《關(guān)于推動5G 加快發(fā)展的通知》[9],融合5G 等新一代信息技術(shù)推進煤礦智能化建設(shè)進一步獲得學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界以及政府的高度重視[10-12]。 然而,井下的無線傳播環(huán)境、煤礦開采的具體業(yè)務(wù)需求不明導(dǎo)致無法直接將5G 通信系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦智能化開采之中,需要進一步研究5G 適應(yīng)性技術(shù)以滿足煤礦智能化開采的無線通信與信息處理需求[13-14]。針對上述問題,學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)從關(guān)鍵技術(shù)研究、標準化制定、實驗室及網(wǎng)絡(luò)試點建設(shè)等各方面開展了積極的研發(fā)工作[15-16]。 然而,目前的研發(fā)及試點建設(shè)尚處起步階段,面向煤礦特定場景的針對性研究依然欠缺,對于煤礦智能化水平的提升有限。
鑒于此,為進一步探討5G 在煤礦智能化應(yīng)用中的適應(yīng)性,研究總結(jié)了5G 關(guān)鍵技術(shù)特點及標準化進展情況;闡述了煤礦5G 的關(guān)鍵技術(shù)研究、標準化制定、設(shè)備研發(fā)及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)狀;面向煤礦智能化的特定應(yīng)用場景,從網(wǎng)絡(luò)部署、業(yè)務(wù)應(yīng)用的角度,研究了5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)切片以及移動邊緣計算3個關(guān)鍵技術(shù);最后,對面向煤礦智能化的5G 技術(shù)未來發(fā)展趨勢進行了展望。
與4G 相比,5G 期望在峰值數(shù)據(jù)速率、連接密度、時延、移動性支持以及單位面積可支持數(shù)據(jù)速率方面均有10 倍以上的提升。 這些能力的提升主要依賴無線空口及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的突破性變革。 空口技術(shù)包含高頻通信、大規(guī)模天線陣列以及短時域調(diào)度等,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要包含網(wǎng)絡(luò)切片與邊緣計算等。 上述技術(shù)特征已經(jīng)得到了全面的闡述,有必要進一步從對垂直行業(yè)融合的角度,闡述5G 標準化進展情況,厘清其對垂直行業(yè)的支撐度。
5G 標準化進展及對垂直行業(yè)支撐能力如圖1所示,早在2014 年5 月,我國標準化組織IMT—2020 在《5G 愿景與需求白皮書》[17]中第一次由個人通信轉(zhuǎn)向了行業(yè)應(yīng)用,定義了5G 所面臨的場景,包含超高帶寬視頻業(yè)務(wù)通信、超低延遲通信和海量物聯(lián)網(wǎng)通信三大類應(yīng)用場景。 2017 年,5G 的第一個標準化版本3GPP R15 主要滿足了商用初期個人和行業(yè)的迫切需求,重點關(guān)注增強移動寬帶通信(enhanced Mobile Broadband)和簡化的低延遲高可 靠 通 信 ( Ultra Reliable Low Latency Communication, URLLC)場景,尚未針對海量物聯(lián)網(wǎng)通信(massive Machine Type Communication, mMTC)場景制定技術(shù)標準。 其中增強型移動寬帶主要針對超高清視頻、VR/AR 等大帶寬個人通信場景,而垂直行業(yè)通常面臨的遠程實時控制等低時延高可靠以及大量的傳感器節(jié)點采集類應(yīng)用尚未得到支持。2020 年7 月3 日,5G 的第一個完整標準版3GPP R16 凍結(jié),這也意味著5G 能夠全面支持eMBB、URLLC 和mMTC。 同時,3GPP R17 版本的制定工作也正式啟動,預(yù)計凍結(jié)時間為2022 年6 月。 該版本主要是面向垂直行業(yè)應(yīng)用進一步進行能力提升,如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)增強、空口增強和空天一體化通信等。
圖1 5G 標準化進展及對垂直行業(yè)的支撐能力Fig.1 5G standardization progress and supporting capability for vertical industry
由上述5G 技術(shù)發(fā)展特征可知,目前5G 商用設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)主要是基于R15 版本,尚不能很好支持URLLC 和mMTC 的應(yīng)用,因此對煤礦智能化的支持能力尚有不足。 但隨著R16 版本的凍結(jié)和R17 版本的持續(xù)演進,5G 商用網(wǎng)絡(luò)將能全面滿足煤礦智能化的泛在無線接入與信息高效傳輸要求。
如上所述,在國家政策的助力下,各運營商、煤礦企業(yè)、煤礦科研院所及高校均已積極開展面向煤礦智能化的5G 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究、推動標準化制定、創(chuàng)立聯(lián)合實驗室,并建設(shè)網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)應(yīng)用試點。
面向煤礦智能化的5G 關(guān)鍵技術(shù)研究,主要集中于分析煤礦應(yīng)用5G 技術(shù)的必要性及可能的應(yīng)用場景。 文獻[5]比較了5G 和WiFi6 的各自技術(shù)特點,并得出結(jié)論5G 和WiFi6 用于煤礦通信各有優(yōu)缺點,5G 通信質(zhì)量有保證但成本高, WiFi6 成本低但通信質(zhì)量無法得到保證。 文獻[6-7]進一步論證了5G 用于井下通信的可行性,并總結(jié)了基于5G 的煤礦智能化應(yīng)用場景。 文獻[15]提出了一種5G 礦井通信架構(gòu),采用Pico RRU(Remote Radio Unit,射頻拉遠單元)覆蓋井下巷道,采用AAU(Active An?tenna Unit,有源天線單元)完成地面覆蓋。 該架構(gòu)為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的基站選型和組網(wǎng)方式提供了一種有價值的參考,但該架構(gòu)缺乏無線頻段選擇、核心網(wǎng)建網(wǎng)等方案。 文獻[16]主要研究并測試了700 MHz 頻譜在煤礦井下的無線傳播特性,并從無線傳播特性的角度指出700 MHz 更適合井下通信。 該工作為煤礦5G 無線頻譜選擇提供了具體的數(shù)據(jù)支撐。
在煤礦5G 標準制定方面,2020 年6 月17 日,由安標國家中心發(fā)布了《煤礦5G 通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求(試行)》《煤礦5G 通信系統(tǒng)安全標志管理方案(試行)》兩個標準,規(guī)定了5G 系統(tǒng)的組網(wǎng)運行、技術(shù)性能、安全防爆和電磁兼容的特性,以及煤礦5G 系統(tǒng)檢驗檢測機構(gòu)所應(yīng)具備的能力。 此外,中國煤炭科工集團也正在著手制定《煤礦5G 高速傳輸技術(shù)要求》的國家標準。 2021 年,國家能源局立項了一系列煤礦5G 標準,包括《煤礦5G 通信系統(tǒng)的通用技術(shù)條件》、《煤礦用5G 通信基站》、《煤礦用5G 通信基站控制器》以及《煤礦5G 通信系統(tǒng)用通信終端》。 此外,中國煤炭學(xué)會也立項了《煤礦5G通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入通用技術(shù)條件》。
目前,面向煤礦智能化的5G 實驗室創(chuàng)立,主要是中國聯(lián)通在推動。 2019 年8 月20 日,山東聯(lián)通、山東兗礦集團及中興通信合作成立了5G+智慧礦業(yè)聯(lián)合實驗室。 2019 年11 月14 日,中國聯(lián)通、中國煤炭科工集團以及中國礦業(yè)大學(xué)(北京)組建了地下空間5G 技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用聯(lián)合實驗室。
產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的成立,主要是中國移動在推動。2019 年9 月6 日,中國移動、山西陽煤集團與華為公司作為合作成立了5G 通信煤炭產(chǎn)業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新聯(lián)盟。 2020 年6 月18 日,中國移動聯(lián)合清華大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)(北京)、陽煤集團、中國煤炭科工集團、華為公司等70 多家單位成立了5G 智慧礦山聯(lián)盟。
在煤礦5G 試點應(yīng)用與項目落地方面,進展速度相對更快。 2019 年,5G 商用牌照頒發(fā)不久,各大煤礦集團就相繼開通了5G 網(wǎng)絡(luò)。 此外,煤礦無人駕駛車、高清視頻傳輸、井下智能巡檢等也成為5G在推動礦山智能化中的典型示范應(yīng)用。 然而,目前的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和試點示范仍然處于試驗階段,對5G所能支持的三大場景尚未全面落地,且現(xiàn)有試點應(yīng)用離業(yè)界所構(gòu)想的煤炭智能化應(yīng)用仍然有很大的差距。
因此,5G 在煤礦的應(yīng)用還屬于試點和試驗階段,業(yè)界主要精力也投入在5G 試點網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)上面,對煤礦5G 在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署的優(yōu)化、針對煤礦智能化特定業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片以及移動邊緣計算等關(guān)鍵技術(shù)的研究并不充分。
煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)需要同時覆蓋地面和井下2 個不同的使用環(huán)境。 煤礦地面環(huán)境與普通地面環(huán)境差異性不大,但井下環(huán)境需同時考慮無線通信設(shè)備的安全防爆要求和無線電磁波的井下傳輸特性。 首先,井下傳播空間通常比較狹長且存在多分支;其次,巷道壁對無線電波易產(chǎn)生吸收或干擾;再次,井下的各種設(shè)備布設(shè)復(fù)雜,且大多數(shù)都需要供電,會產(chǎn)生強磁干擾;最后,開采環(huán)境存在比較多的粉塵,對毫米波傳輸損耗影響較大。
綜上,煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署與普通5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃存在著很大的不同,既要考慮這2 種使用環(huán)境下的不同無線覆蓋、無線傳輸特性、業(yè)務(wù)類型和安全可靠等方面的差異性要求,還應(yīng)遵循“泛在感知一體化網(wǎng)絡(luò)”的煤礦智能化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求。 因此,“統(tǒng)一規(guī)劃、安全經(jīng)濟、全面覆蓋、精細設(shè)計”理應(yīng)成為煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃部署原則。 在此原則下,從無線頻段選擇、無線基站選型、組網(wǎng)方式以及核心網(wǎng)建設(shè)4 個方面闡述了煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃核心要點。
2019 年6 月6 日,工信部向中國移動、中國聯(lián)通、中國電信三大運營商及廣電網(wǎng)絡(luò)頒發(fā)了5G 商用牌照。 各運營商獲得的5G 頻段各不相同,中國移動獲得了2.515~2.675 GHz 和4.8 ~4.9 GHz 兩個頻段,中國電信獲得了3.4~3.5 GHz 頻段,中國聯(lián)通獲得了3.5 ~3.6 GHz 頻段,廣電網(wǎng)絡(luò)獲得的是700 MHz頻段。 2020 年2 月10 日,工信部又向中國聯(lián)通、中國電信及廣電網(wǎng)絡(luò)頒發(fā)了5G 室內(nèi)運營牌照,并規(guī)定3 家運營商在全國范圍共同使用3.3 ~3.4 GHz頻段,用于進行5G 室內(nèi)覆蓋。
從上述頻段分析來看,目前我國的商用5G 頻段主要集中于Sub-1G 和Sub-6G。 其中, Sub-1G主要是廣電網(wǎng)絡(luò)的700 MHz 頻段,該頻段很顯然單基站覆蓋范圍比Sub-6G 的范圍廣,這也意味著煤礦井上覆蓋采用700 MHz 頻段會帶來更低的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。 此外,實際測試結(jié)果表明,700 MHz 在井下的傳播距離、繞射能力等無線傳播特性也好于Sub-6GHz。 然而,另一方面,考慮到煤礦無線通信除了滿足煤礦生產(chǎn)需求以外,還需要滿足煤礦員工的個人通信需求,廣電網(wǎng)絡(luò)在5G 個人通信方面相對于其他運營商有比較大的差距。 因此,在進行煤礦5G 無線頻段及合作運營商選擇方面仍需要進行綜合考慮。
除上述授權(quán)無線頻段可用以外,利用無線非授權(quán)頻段進行煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)也值得關(guān)注。 最近3GPP 凍結(jié)的R16 版本中將5G 所能使用的無線頻譜擴展到了非授權(quán)頻段,其關(guān)鍵技術(shù)就是5G NRU(New Radio Unlicensed)技術(shù)。 很顯然,5G NR-U技術(shù)能夠利用非授權(quán)頻譜建設(shè)5G 無線專用網(wǎng)絡(luò),其建網(wǎng)成本和使用成本比授權(quán)頻段更為經(jīng)濟有效。
5G 基站種類與形式并不單一,除了宏基站以外,還有微基站、皮基站以及飛基站。 微基站、皮基站和飛基站的具體設(shè)備形態(tài)又分為分布式和一體化兩種。 宏基站發(fā)射功率較大,覆蓋范圍也比較大,因此適合于需要大面積覆蓋的場景。 相比宏基站,微基站、皮基站以及飛基站體積更小、部署方便、選址靈活,通常作為宏基站的補充進行無線覆蓋增強和熱點區(qū)域業(yè)務(wù)流量提升。 通常,在如下場景中,亦可以采用微基站進行無線覆蓋:①宏基站建設(shè)有難度的待覆蓋區(qū)域,比如建站困難或者空間受限的地方;②較小的室外覆蓋區(qū)域;③對無線傳輸帶寬有較大要求的辦公區(qū)或者居民區(qū);④需要進行深度覆蓋的區(qū)域。 由于煤礦地面和井下兩種不同的使用環(huán)境,因此煤礦5G 無線基站需要根據(jù)這兩種不同的使用環(huán)境分別進行選型。
1)地面井上無線基站選型。 地面的煤礦5G 無線基站選型主要以宏基站為主,同時在某些需要補強或者增加流量的地方選擇微基站進行補充。 對于連片的住宅區(qū)、生產(chǎn)區(qū)和辦公區(qū),通常選擇分布式微基站減少鄰區(qū)之間的切換次數(shù),提升通信質(zhì)量。 而對于獨立的幾棟樓或者需要進行深度覆蓋的小面積區(qū)域,可以選擇一體化微基站,以節(jié)約成本、方便后續(xù)運維管理。
2)井下無線基站選型。 與地面進行對比,煤礦5G 更適合采用微基站進行部署。 主要出于以下3點原因:①5G 井下空間狹小,且采掘運等設(shè)備布設(shè)復(fù)雜,更適合采用尺寸較小的無線基站;②井下對無線基站的電磁干擾和安全防護要求比較高,更適合采用發(fā)射功率較小的微基站;③井下存在巷道起伏、彎曲以及拐彎等地形,容易造成無線覆蓋盲區(qū),可以采用微基站進行補盲或者補弱。
在進行一體化或者分布式微基站選型方面,同樣需要進一步細化部署場景和選型方案。 例如,對于需要固定基站位置的場景,比如主巷道,可以選擇分布式微基站進行部署;對于需要定期進行地點更換的綜采工作面,則更適合部署一體化微基站,方便后續(xù)的設(shè)備搬遷,以降低建網(wǎng)成本。 微基站的架設(shè)地點以及數(shù)量,需根據(jù)實際的布設(shè)環(huán)境、業(yè)務(wù)需求進一步進行無線優(yōu)化。
5G 空口的組網(wǎng)方式有2 種,即SA(Standalone,獨立組網(wǎng)方式)和NSA(Non-Standalone,非獨立組網(wǎng)方式)。 SA 方式也就是5G 與4G 通信系統(tǒng)之間相互獨立,自身組成包含基站與核心網(wǎng)的通信系統(tǒng),與4G 網(wǎng)絡(luò)之間采用跨核心網(wǎng)的互操作模式。 NSA方式中5G 網(wǎng)絡(luò)無法獨立完成通信,需要借助4G 基站進行無線空中接口的信令傳輸,數(shù)據(jù)則可以通過5G 和4G 兩種空中接口進行傳輸。 其中, NSA 有多種組網(wǎng)方式,早期部署中最具代表性的是3GPP 中的選項3x(NSA-3x)和選項7x(NSA-7x)兩種方式,其主要區(qū)別在于NSA-3x 無需建設(shè)5G 核心網(wǎng),而NSA-7x 則需要建設(shè)5G 核心網(wǎng)。
SA 與NSA 兩種組網(wǎng)方式各有優(yōu)劣。 圖2 從業(yè)務(wù)能力、建網(wǎng)成本、終端能耗、設(shè)備選型以及智能礦山適應(yīng)性5 個維度對SA、NSA-3x 和NSA-7x 進行了對比分析。
圖2 SA、NSA-3x 和NSA-7x 組網(wǎng)對比分析Fig.2 SA, NSA-3x and NSA-7x networking comparison
從業(yè)務(wù)能力角度分析, SA 滿足所有的煤礦智能化應(yīng)用場景要求;NSA-7x 雖然建設(shè)了5G 核心網(wǎng),但是其信令仍然依賴于4G 技術(shù),因此對時延要求高的煤礦智能化業(yè)務(wù)場景無法支持;而NSA-3x僅支持eMBB 場景。 從建網(wǎng)成本角度分析, SA 方式需建設(shè)5G 基站和核心網(wǎng),初期建網(wǎng)成本較高;NSA-7x 需建設(shè)5G 核心網(wǎng)和部分5G 基站,5G 基站主要作為4G 基站的無線覆蓋增強,初期建網(wǎng)成本中等;NSA-3x 只需要建設(shè)部分5G 基站作為4G 基站的無線覆蓋增強,無需建設(shè)5G 核心網(wǎng),所以初期建網(wǎng)成本最低。 然而,從NSA 最終必然要演進到SA 方式, NSA-3x 和NSA-7x 后期會存在大量的4G 網(wǎng)絡(luò)改造費用,最終總成本會高于SA 方式。 從終端能耗的角度分析, SA 組網(wǎng)方式下,終端只需要與5G 基站建立連接,終端能耗最低;而NSA-3x 和NSA-7x 需同時與4G、5G 基站建立無線連接,功耗較高。 因此,對于終端能耗要求比較嚴格的無線傳感器監(jiān)測類應(yīng)用, SA 的組網(wǎng)方式要優(yōu)于NSA-3x和NSA-7x。 從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選型的角度分析, SA 不需要均來自于同一家廠商,而NSA 則必須來源于統(tǒng)一廠商,因此設(shè)備選型非常受限。
從對智能礦山的適應(yīng)性方面衡量, SA 的適應(yīng)性最好,而NSA 方式由于對智能礦山的業(yè)務(wù)支撐能力不夠、建網(wǎng)運維成本高等問題,適應(yīng)性更差一些。
煤礦5G 核心網(wǎng)的建設(shè)方式分為2 種:①利用公網(wǎng)核心網(wǎng),將煤礦5G 基站直接接入運營商公網(wǎng)的核心網(wǎng)設(shè)備中;②自建核心網(wǎng),所有無線基站接入自己的核心網(wǎng)中。 利用公網(wǎng)核心網(wǎng)的方案,在建設(shè)成本和后期運維方面投入較少,但通信信令必須經(jīng)過運營商核心網(wǎng)。 該方案的缺點是,一方面網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量不如自建核心網(wǎng),且后期針對新興智能煤礦業(yè)務(wù)場景的擴展性和支撐性更受限,另一方面也存在數(shù)據(jù)安全隱患。 自建核心網(wǎng)方案,能夠相對獨立組成一張區(qū)域范圍內(nèi)的煤礦5G 專網(wǎng)。 該專網(wǎng)可以通過核心網(wǎng)設(shè)備與5G 公網(wǎng)互聯(lián)互通。 同時可以加入網(wǎng)絡(luò)防護、隔離與交換設(shè)備,在保證與5G 公網(wǎng)互聯(lián)互通的同時,最大程度保障煤礦5G 專網(wǎng)安全。當(dāng)然,該方案也會產(chǎn)生額外的建設(shè)成本,但相比建設(shè)5G 基站的方案,成本預(yù)期較低。 綜上,煤礦5G 核心網(wǎng)的建設(shè),需根據(jù)企業(yè)自身的經(jīng)濟實力、服務(wù)質(zhì)量要求以及數(shù)據(jù)安全性要求3 個方面進行綜合考慮。對于經(jīng)濟實力較強的煤礦企業(yè),建議獨立建設(shè)核心網(wǎng)以便后期業(yè)務(wù)擴容,同時也能有效保護煤礦企業(yè)的各類數(shù)據(jù)。
網(wǎng)絡(luò)切片的實質(zhì)就是利用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)物理設(shè)備根據(jù)時延、帶寬、可靠性、安全性等不同的業(yè)務(wù)場景服務(wù)需求切分出多個邏輯上的端到端網(wǎng)絡(luò),以進行各種不同業(yè)務(wù)的信息傳輸與交換。由此可見,對于業(yè)務(wù)場景的分析,是進行煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)切片的前提,前期工作在這方面已經(jīng)有一些研究成果,但主要是從場景本身來分析,在此基礎(chǔ)上,需進行場景內(nèi)的不同業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量要求細分,為煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)切片做準備。 后續(xù),將基于這些細分后的業(yè)務(wù)需求,分析5G 煤礦切片技術(shù)。
1)智能工作面控制。 對智能工作面的協(xié)同遠程控制,決定了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全。 因此,對5G無線網(wǎng)絡(luò)的上行生產(chǎn)監(jiān)控數(shù)據(jù)及下行工作面控制數(shù)據(jù)的傳輸時延、可靠性有著極為苛刻的要求。 上行生產(chǎn)監(jiān)控類數(shù)據(jù),目前主要是傳感數(shù)據(jù),因此對時延有嚴格要求。 但若后期有視頻監(jiān)控類數(shù)據(jù),則需要進行工業(yè)圖像處理,對帶寬與時延均有一定的要求。
2)井下遠程協(xié)同運維。 未來井下裝備的維修工作可以通過專家遠程指導(dǎo)的方式來完成。 維修工人將現(xiàn)場采集的機器狀態(tài)等超高清視頻信息通過5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠端,利用虛擬現(xiàn)實等技術(shù),遠程專家如臨現(xiàn)場,指導(dǎo)維修現(xiàn)場設(shè)備。 在此場景下,對帶寬的傳輸能力和時延均有較高要求。
3)井下安防和巡檢。 在井下巡檢和安防系統(tǒng)場景中,會有大量的傳感器通過5G 接入網(wǎng)絡(luò),除了有對帶寬要求不高的瓦斯、風(fēng)速等監(jiān)控數(shù)據(jù),也有高帶寬需求的視頻監(jiān)控類數(shù)據(jù),同時還有人員定位等更新頻率較高的數(shù)據(jù),同樣也需要多種切片融合處理,才能完成對該場景的支撐。 除了上述應(yīng)用場景以外,還存在很多其他可能的應(yīng)用場景,且每種場景具有相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)要求,具體見表2。
表2 煤礦智能生產(chǎn)典型業(yè)務(wù)場景對無線傳輸網(wǎng)的要求[1]Table 2 Requirements for wireless transmission network in typical application scenarios of intelligent coal mine[1]
大多數(shù)場景都覆蓋了運營商定義的eMBB、URLLC 以及mMTC 三個或者多個場景,因此面向煤礦智能化的5G 網(wǎng)絡(luò)切片需基于各業(yè)務(wù)的重要性程度、隔離性要求以及服務(wù)質(zhì)量要求等進行定制。
在運營商的切片實例中,通常對應(yīng)3 大類應(yīng)用場景,也即是eMMB、URLLC 和mMTC。 實際上,這種分類是針對所有垂直行業(yè)的大致場景分類。 在煤礦的實際應(yīng)用中,可以進一步細分為生產(chǎn)控制、環(huán)境監(jiān)測、人員調(diào)度、遠程運維等多個場景,并明確每類應(yīng)用場景中所涉及到的各類具體業(yè)務(wù),并將其轉(zhuǎn)換為服務(wù)等級(Service Level Agreement, SLA),也即是端到端的網(wǎng)絡(luò)切片要求,比如時延、容量、覆蓋安全性等等。 SLA 下發(fā)到5G 網(wǎng)絡(luò)切片管理實體中,完成該應(yīng)用場景的煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)切片實例化。
當(dāng)然,網(wǎng)絡(luò)切片的粒度也不是越細越好,過細的切片一方面會在不進行信息傳輸時占用大量的網(wǎng)絡(luò)資源,另外一方面會增加切片管理系統(tǒng)的負荷。 尤其是在當(dāng)前煤礦智能化應(yīng)用場景尚未定義完備的前期下,在網(wǎng)絡(luò)總體資源一定的情況下,亦需要為未來智能化業(yè)務(wù)預(yù)留一些網(wǎng)絡(luò)資源。 因此,面向煤礦智能化場景的5G 網(wǎng)絡(luò)切片既需要針對某些應(yīng)用場景進行切片定制,也需要針對網(wǎng)絡(luò)利用率高或者SLA要求不高的場景提供公共網(wǎng)絡(luò)切片。
基于這一思想,給出了一個面向煤礦智能化的5G 網(wǎng)絡(luò)切片參考架構(gòu),如圖3 所示。 在該架構(gòu)中,將網(wǎng)絡(luò)資源劃分為分為專用切片和公共切片。 每個切片包含組成5G 核心網(wǎng)的所有網(wǎng)元,包含策略控制功能(Policy Control Function, PCF)、接入和移動管理功能(Access and Mobility Function, AMF)、用戶面管理功能(User Plane Function, UPF)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能(Unified Data Management, UPF)、會話管理功能(Session Management Function, SMF);此外,還包含移動邊緣計算功能(Mobile Edge Compu?ting, MEC)。 專用切片擁有從無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)以及邊緣計算等一整套的虛擬5G 網(wǎng)元設(shè)備,主要服務(wù)對象是生產(chǎn)控制類等對QoS 有極其嚴苛要求的應(yīng)用場景。 公共切片的主要服務(wù)對象是對QoS要求有一定容忍度或者網(wǎng)絡(luò)資源利用率低的場景,比如遠程協(xié)同運維雖然對QoS 要求嚴格,但由于不經(jīng)常利用網(wǎng)絡(luò),因此將其劃分到公共切片中,以提升網(wǎng)絡(luò)資源利用率。 值得注意的是,公共切片支持eMBB、URLLC 以及mMTC 三類切片,具體應(yīng)用場景則可以聯(lián)合使用這3 大類切片完成信息傳輸。
圖3 面向煤礦智能化的5G 網(wǎng)絡(luò)切片參考架構(gòu)Fig.3 5G network slicing reference architecture for intelligent coal mining
移動邊緣計算(Mobile Edge Computing, MEC)通過在靠近終端用戶提供IT 服務(wù)環(huán)境和計算能力,將部分網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)下沉到靠近終端用戶的移動節(jié)點,從而縮短網(wǎng)絡(luò)傳輸時延,助力5G 網(wǎng)絡(luò)提升用戶體驗質(zhì)量[18]。 因此, MEC 目前已成為5G 網(wǎng)絡(luò)的必備基礎(chǔ)設(shè)施之一,且在車聯(lián)網(wǎng)等場景中得以廣泛應(yīng)用。然而,移動邊緣計算從節(jié)點部署到關(guān)鍵技術(shù)都需要根據(jù)具體應(yīng)用場景進行方案設(shè)計,也即是現(xiàn)有的移動邊緣計算方案并不能夠直接應(yīng)用于煤礦智能化。因此,將移動邊緣計算應(yīng)用于煤礦智能化仍需進行架構(gòu)設(shè)計,并研發(fā)適用的云邊協(xié)同、計算任務(wù)卸載與遷移等關(guān)鍵技術(shù)。
1)云邊協(xié)同。 “云+邊緣+端”的多層次智能架構(gòu)仍然適用于煤礦移動邊緣計算[19],移動邊緣計算節(jié)點不僅僅是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,還包含終端設(shè)備,如采煤機、掘進機等自動化設(shè)備。 在“端”處采用深度學(xué)習(xí)等人工智能算法實現(xiàn)采礦及運輸設(shè)備的單臺智能,在“邊緣”收集多臺設(shè)備的環(huán)境感知及運行參數(shù),對時延要求極其嚴格的緊急事件(比如生產(chǎn)遠程控制等)進行處理實現(xiàn)緊急設(shè)備托管,在“云”中通過采集“端”數(shù)據(jù),進一步對智能算法進行改進,以促使單臺設(shè)備的智能化提升。
2)計算任務(wù)卸載與遷移。 計算卸載是指用戶終端設(shè)備將計算任務(wù)卸載到MEC 網(wǎng)絡(luò)中,主要解決設(shè)備在資源存儲、計算性能以及能效等方面的不足[20]。 計算卸載技術(shù)中,最為關(guān)鍵的是確定計算任務(wù)如何在云與端之間進行切割。 計算遷移主要是指計算任務(wù)在不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間進行分配,這些節(jié)點可以是端節(jié)點,也可以是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。 計算卸載與遷移算法的關(guān)鍵就在于如何確定計算任務(wù)在用戶終端與邊緣服務(wù)器節(jié)點之間進行合理切割,以最少的能耗或者帶寬需求,滿足業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求。 在煤礦場景下,需根據(jù)具體業(yè)務(wù),決定在端、邊、云進行分別處理的具體計算任務(wù)。 比如,對于高清視頻監(jiān)控類業(yè)務(wù),可以首先在監(jiān)控攝像頭處進行畫面的初步處理,去掉一些重復(fù)的靜止畫面或者非異常畫面,只傳輸感興趣畫面。 上傳后的畫面可以在5G 基站處部署的邊緣計算節(jié)點進行進一步壓縮處理,最后上傳到云端。
隨著煤礦智能化的進展以及5G 技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的逐步適用,越來越多的應(yīng)用案例表明5G 技術(shù)能夠提升煤礦生產(chǎn)企業(yè)的信息化智能化水平。 然而,若要充分利用5G 加快推進煤礦智能化進程,需進一步進行應(yīng)用場景規(guī)劃,并面向特定場景進行5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)切片以及移動邊緣計算等關(guān)鍵技術(shù)的探索。 此外,5G 技術(shù)也同時在不斷向前發(fā)展,最新凍結(jié)的3GPP R16 版本雖然對垂直行業(yè)的支撐進行了業(yè)務(wù)增強,但在R17 版本中仍然在探索新的增強型技術(shù),因此在面向煤礦智能化的5G 關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)過程中,理應(yīng)及時關(guān)注最新技術(shù)進展情況,以經(jīng)濟有效的方式切實推動煤礦智能化進程。