劉昕，付元，李晨鑫

（1.北京天地融創(chuàng)科技股份有限公司，北京 100013；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展和逐步成熟，智慧礦山的建設(shè)開(kāi)始進(jìn)入快車道。先進(jìn)的信息化技術(shù)是礦山實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化的基礎(chǔ)，5G 低時(shí)延、大帶寬和廣覆蓋的特點(diǎn)，可有效解決礦山智能化過(guò)程中面臨的大量傳感信息回傳、遠(yuǎn)程控制等問(wèn)題。然而，礦山環(huán)境與公網(wǎng)的5G 建設(shè)部署場(chǎng)景存在顯著差異，礦井現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備回傳的上行帶寬需求顯著、大帶寬需求與低時(shí)延高可靠需求共存，井工礦井下無(wú)線信號(hào)衰減嚴(yán)重、覆蓋受限等，都對(duì)智慧礦山5G 建設(shè)提出了更高需求。

近年來(lái)，業(yè)界學(xué)者聚焦礦山5G 技術(shù)展開(kāi)了研究。孫繼平[1]系統(tǒng)研究了礦用5G 技術(shù)特性、適用范圍和智能化應(yīng)用場(chǎng)景，提出了礦用5G 的總體要求和建設(shè)方向。鄭小磊等[2]研究了煤礦5G 通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求和檢驗(yàn)方法，對(duì)煤礦5G 安標(biāo)技術(shù)的具體要求和測(cè)試方法進(jìn)行了系統(tǒng)介紹。張立亞[3]研究了礦山場(chǎng)景中基于5G 的可視化智能監(jiān)控技術(shù)，分析了5G 用于視頻監(jiān)控的傳輸需求。劉雨燕等[4]研究了5G 通信對(duì)智慧礦山建設(shè)的主要支撐作用。顧義東[5]研究了5G 技術(shù)在煤礦掘進(jìn)工作面運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出了5G 用于智能掘進(jìn)的傳輸需求。上述成果主要針對(duì)礦用5G 的宏觀技術(shù)發(fā)展方向、測(cè)試方法和特定應(yīng)用場(chǎng)景展開(kāi)研究，缺乏對(duì)智慧礦山5G 各類應(yīng)用場(chǎng)景特點(diǎn)的全面梳理。

本文針對(duì)智慧礦山建設(shè)的主要業(yè)務(wù)需求進(jìn)行全面梳理，分析智慧礦山應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的指標(biāo)要求，結(jié)合礦山5G 建設(shè)的環(huán)境特點(diǎn)，研究智慧礦山5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、智慧礦山5G 關(guān)鍵技術(shù)及5G 網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化配置方法，確保5G 網(wǎng)絡(luò)對(duì)智慧礦山應(yīng)用場(chǎng)景的全面支撐。

1 智慧礦山5G 應(yīng)用場(chǎng)景及應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)

1.1 智慧礦山5G 應(yīng)用場(chǎng)景

智慧礦山5G 主要承載傳感器監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制及自動(dòng)駕駛等高等級(jí)智能化應(yīng)用的信息傳輸。

（1）傳感器信息回傳需求。利用5G 技術(shù)的廣覆蓋特性，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦山井下瓦斯、溫度、濕度等環(huán)境類傳感器[6-8]的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)回傳至地面數(shù)據(jù)中心進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

（2）視頻信息采集和回傳需求?；?G 技術(shù)大帶寬特性，對(duì)部署在井下采、掘、運(yùn)及機(jī)電硐室等關(guān)鍵地點(diǎn)的視頻監(jiān)視數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和匯聚[9-11]，并通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)回傳至地面監(jiān)控中心或井下集控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

（3）實(shí)時(shí)控制信息交互需求。利用5G 技術(shù)低時(shí)延特性，保證礦山通風(fēng)、排水、電力等控制信息實(shí)時(shí)交互，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)及時(shí)的控制和調(diào)整[12-14]。對(duì)部分大型設(shè)備進(jìn)行智能化改造，逐步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

（4）自動(dòng)駕駛信息采集和回傳需求。井下無(wú)人駕駛對(duì)礦井無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的需求極高，5G 技術(shù)為井下通信網(wǎng)絡(luò)提供充足的帶寬、低時(shí)延及精確定位能力。在正常行駛過(guò)程中，5G 技術(shù)將傳感器數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)回傳，當(dāng)自動(dòng)駕駛出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，能隨時(shí)通過(guò)遠(yuǎn)程人工方式進(jìn)行接管[15-16]。

1.2 智慧礦山5G 應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)

由于礦山環(huán)境與公網(wǎng)的5G 建設(shè)部署環(huán)境存在差異，智慧礦山5G 與公網(wǎng)5G 建設(shè)的技術(shù)要求存在明顯不同，具體體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面：

（1）系統(tǒng)架構(gòu)方面?！睹旱V5G 通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求（試行）》規(guī)定，5G 系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立組網(wǎng)、獨(dú)立運(yùn)行，在外部網(wǎng)絡(luò)故障或斷開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能安全、獨(dú)立、穩(wěn)定運(yùn)行，保證無(wú)線通信及數(shù)據(jù)傳輸可靠、穩(wěn)定；應(yīng)滿足井上下安全隔離的相關(guān)規(guī)定。需要有針對(duì)性地構(gòu)建礦山5G 專用系統(tǒng)架構(gòu)。

（2）設(shè)備接入特點(diǎn)方面。礦井傳感器、視頻監(jiān)控設(shè)備部署的覆蓋面廣、設(shè)備數(shù)量多、傳輸數(shù)據(jù)量大，導(dǎo)致礦井上行傳輸速率需求顯著、上行無(wú)線傳輸資源需求高于下行無(wú)線傳輸資源需求，而公眾電信網(wǎng)絡(luò)則以下行傳輸為主。因此，針對(duì)礦山環(huán)境5G 應(yīng)用，需要研究上行傳輸能力增強(qiáng)技術(shù)。

（3）傳輸業(yè)務(wù)需求方面。智慧礦山5G 承載的業(yè)務(wù)類型多，上行傳輸?shù)拇髱捫枨蠛拖滦袀鬏數(shù)牡蜁r(shí)延需求共存，多業(yè)務(wù)并行傳輸需要同時(shí)滿足不同業(yè)務(wù)、不同鏈路的差異化傳輸需求，對(duì)承載網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度能力均提出更高要求。

2 礦山5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

礦山5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用核心網(wǎng)+承載網(wǎng)+接入網(wǎng)的總體架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 礦山5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Mine 5G network architecture

礦山5G 核心網(wǎng)利用專網(wǎng)通信平臺(tái)進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)計(jì)算和管理，將用戶面功能（User Plane Function，UPF）單元和多接入邊緣計(jì)算（Multi-acess Edge Computing，MEC）單元下沉至礦區(qū)，實(shí)現(xiàn)礦山5G 獨(dú)立組網(wǎng)、獨(dú)立運(yùn)行功能，并支持低時(shí)延傳輸。核心網(wǎng)的業(yè)務(wù)管理功能（Service Management Function，SMF）用于實(shí)現(xiàn)傳輸業(yè)務(wù)管理。核心網(wǎng)通過(guò)與承載網(wǎng)的智能傳輸網(wǎng)（Smart Transport Network，STN）設(shè)備對(duì)接，控制數(shù)據(jù)在內(nèi)網(wǎng)/外網(wǎng)的流向。礦山5G 終端在5G 網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)后，核心網(wǎng)根據(jù)接入點(diǎn)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名稱（Data Network Name，DNN）和無(wú)線基站歸屬，確定下沉的UPF，用戶面數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)基站和STN 設(shè)備，之后回傳到下沉的UPF，進(jìn)而通往礦山數(shù)據(jù)中心的防火墻，再接入內(nèi)網(wǎng)。礦山5G 承載網(wǎng)用于實(shí)現(xiàn)井上下數(shù)據(jù)交換，其核心交換機(jī)設(shè)備集成信息安全模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)安全審計(jì)監(jiān)測(cè)和傳輸控制，實(shí)現(xiàn)井上下數(shù)據(jù)安全隔離；承載網(wǎng)的STN 設(shè)備采用網(wǎng)絡(luò)切片和QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）管理模塊，對(duì)不同業(yè)務(wù)進(jìn)行信道劃分和隔離，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)共存信道隔離，保障傳輸性能。礦山5G 接入網(wǎng)采用基站控制器+基站匯集器+基站+終端的方式，實(shí)現(xiàn)井下5G 信號(hào)分區(qū)、按需覆蓋?；九c終端之間的空中接口通過(guò)載波聚合技術(shù)為上行大帶寬傳輸提供更多資源。針對(duì)不同傳輸需求指標(biāo)，采用不同的空口資源調(diào)度機(jī)制，同時(shí)保障下行低時(shí)延傳輸和上行大帶寬傳輸性能。

3 礦山5G 關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

為滿足礦山5G 的多樣化應(yīng)用場(chǎng)景、上行大帶寬傳輸和增強(qiáng)覆蓋需求，對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片及QoS 機(jī)制、靈活空口資源調(diào)度機(jī)制和載波聚合等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，支持礦山5G 有效應(yīng)用。礦用5G 關(guān)鍵技術(shù)及承載應(yīng)用的關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 礦用5G 關(guān)鍵技術(shù)與承載應(yīng)用的關(guān)系Table 1 Relationship between key technologies and carrying application of mine 5G

3.1 網(wǎng)絡(luò)切片及QoS 機(jī)制

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)及QoS 機(jī)制是5G 承載網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，共同實(shí)現(xiàn)在同一網(wǎng)絡(luò)中不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需求。QoS 機(jī)制為不同業(yè)務(wù)定義具體的傳輸參數(shù)指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是將同一物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)劃分為不同的邏輯單元，多個(gè)邏輯單元獨(dú)立組成虛擬網(wǎng)絡(luò)，即網(wǎng)絡(luò)切片。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片都可被視為一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，能夠承載對(duì)應(yīng)的QoS 指標(biāo)。當(dāng)傳輸具體業(yè)務(wù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)切片按照傳輸業(yè)務(wù)的QoS 指標(biāo)，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)映射到不同的切片資源上進(jìn)行傳輸，按照不同業(yè)務(wù)需求進(jìn)行資源配置。根據(jù)對(duì)礦山業(yè)務(wù)的需求分析，將礦山5G 網(wǎng)絡(luò)劃分為傳感器切片、視頻回傳類切片、實(shí)時(shí)控制類切片、遠(yuǎn)程控制類切片4 種。傳感器切片對(duì)應(yīng)瓦斯、溫度、濕度等環(huán)境傳感器，屬于小帶寬、廣覆蓋通用切片。視頻回傳類切片對(duì)應(yīng)礦區(qū)、園區(qū)、巷道、工作面等視頻監(jiān)控信息回傳場(chǎng)景，屬于大帶寬通用切片。實(shí)時(shí)控制類切片對(duì)應(yīng)通風(fēng)、排水、機(jī)電控制及其他實(shí)時(shí)控制類場(chǎng)景，屬于低時(shí)延、小帶寬切片。遠(yuǎn)程控制類切片對(duì)應(yīng)自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程駕駛、遠(yuǎn)程控制類場(chǎng)景，屬于大帶寬、低時(shí)延切片。其中，低時(shí)延切片的數(shù)據(jù)必須通過(guò)下沉UPF，從而保障信息傳送和控制時(shí)延。對(duì)于非低時(shí)延類切片，可通過(guò)公網(wǎng)回傳至園區(qū)數(shù)據(jù)中心。對(duì)于各類切片的具體實(shí)現(xiàn)，需要在承載網(wǎng)中設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)切片和QoS 指標(biāo)管理模塊，實(shí)現(xiàn)切片資源與QoS 指標(biāo)映射，保障業(yè)務(wù)傳輸性能。

3.2 靈活空口資源調(diào)度機(jī)制

針對(duì)接入網(wǎng)空口無(wú)線傳輸需求，設(shè)計(jì)靈活的空口資源調(diào)度機(jī)制。靈活的空口資源調(diào)度機(jī)制能夠根據(jù)不同業(yè)務(wù)傳輸數(shù)據(jù)包的特點(diǎn)，靈活使用不同的空口資源調(diào)度方法，確保礦山5G 多樣化業(yè)務(wù)傳輸需求得到全面滿足。

根據(jù)典型業(yè)務(wù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包特點(diǎn)，大帶寬業(yè)務(wù)以大包傳輸為主，時(shí)延要求不高，適合采用資源請(qǐng)求-業(yè)務(wù)緩存報(bào)告資源分配-業(yè)務(wù)緩存-數(shù)據(jù)傳輸資源分配的空口資源調(diào)度方式，該方式流程較為復(fù)雜，但能夠?qū)崿F(xiàn)空口資源按需調(diào)度，保證帶寬。而低時(shí)延高可靠業(yè)務(wù)則主要傳輸控制類信息，數(shù)據(jù)包以小包為主，數(shù)據(jù)量較小但時(shí)延要求極高，適合采用無(wú)線資源塊資源預(yù)留方式，即針對(duì)低時(shí)延業(yè)務(wù)（如礦山遠(yuǎn)程控制類切片和實(shí)時(shí)控制類業(yè)務(wù)），直接采用預(yù)留的專用空口資源（如30%的空口資源）進(jìn)行傳輸，達(dá)到降低時(shí)延的效果。

3.3 載波聚合技術(shù)

由于礦山業(yè)務(wù)的種類和需求較多，且存在大量的視頻類大帶寬數(shù)據(jù)需要上傳，當(dāng)單一頻段無(wú)法滿足上行傳輸需求時(shí)，通過(guò)載波聚合技術(shù)，將多個(gè)連續(xù)或非連續(xù)的載波聚合成更大的帶寬，為礦用5G 傳輸引入更多的傳輸資源，有效支撐礦山5G 的大帶寬傳輸需求。

3.5 GHz 頻段是目前全球5G 部署的主流頻段，單載波最大帶寬為100 MHz，能夠提供較高的傳輸速率。但智慧礦山5G 應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)上行傳輸帶寬需求顯著，3.5 GHz 單頻段難以確保傳輸需求得到全面滿足。采用載波聚合技術(shù)可在使用3.5 GHz 載波進(jìn)行傳輸?shù)耐瑫r(shí)，額外聚合2.1 GHz 的載波（載波帶寬可為20，50 MHz），從而擁有更多傳輸資源，同時(shí)根據(jù)頻率越低則覆蓋距離越大的基本原理，可實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)覆蓋。載波聚合技術(shù)下2.1，3.5 GHz 頻段的主要配置參數(shù)見(jiàn)表2 和表3。

表2 載波聚合頻段上行主要配置參數(shù)Table 2 Main uplink configuration parameters of the carrier aggregation frequency band

表3 載波聚合頻段下行主要配置參數(shù)Table 3 Main downlink configuration parameters of the carrier aggregation frequency band

載波聚合終端支持主載波（3.5 GHz）和輔載波，基站通過(guò)配置主載波上的MAC（Media Access Control，媒體接入控制層）和RRC（Radio Resource Control，無(wú)線資源控制層）參數(shù)，實(shí)現(xiàn)SCell（Secondary Cell，輔小區(qū)）狀態(tài)配置，從而實(shí)現(xiàn)輔載波激活或釋放。SCell 的狀態(tài)包含SCell 配置未激活、SCell 配置且激活、SCell 未配置3 種狀態(tài)。終端初始接入、切換入或重建入小區(qū)時(shí)會(huì)觸發(fā)SCell 的配置，如果需要使用輔載波，則申請(qǐng)激活SCell，進(jìn)入配置且激活狀態(tài)，否則SCell 處于配置未激活狀態(tài)。當(dāng)不再需要SCell 或測(cè)量到信號(hào)質(zhì)量更好的SCell，則申請(qǐng)激活當(dāng)前的SCell，從而釋放輔載波或變更到信號(hào)質(zhì)量更好的輔載波。SCell 狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2 所示。

圖2 載波聚合機(jī)制SCell 狀態(tài)轉(zhuǎn)換Fig.2 Secondary cell state transition in carrier aggregation mechanism

4 結(jié)論

（1）歸納了智慧礦山5G 應(yīng)用場(chǎng)景類型，梳理了主要應(yīng)用場(chǎng)景的通信需求，指出傳感器信息回傳類應(yīng)用具有廣覆蓋需求、視頻信息采集和回傳類應(yīng)用具有上行大帶寬傳輸需求、實(shí)時(shí)控制信息交互類應(yīng)用具有下行低時(shí)延傳輸需求、自動(dòng)駕駛信息采集和回傳類應(yīng)用具有上行大帶寬和下行低時(shí)延共存的差異化傳輸需求。

（2）分析了智慧礦山5G 應(yīng)用的環(huán)境特點(diǎn)和技術(shù)要求，提出了核心網(wǎng)+承接網(wǎng)+接入網(wǎng)的礦用5G 網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)。該5G 網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)的核心網(wǎng)通過(guò)UPF和MEC 下沉，支持礦山5G 需要獨(dú)立組網(wǎng)、獨(dú)立運(yùn)行的建設(shè)要求，井下部署基站控制器+基站匯集器+基站+終端，實(shí)現(xiàn)5G 信號(hào)分區(qū)、按需覆蓋。

（3）研究了礦山5G 關(guān)鍵技術(shù)方案。①網(wǎng)絡(luò)切片與QoS 機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸網(wǎng)不同應(yīng)用的按需資源分配，滿足差異化傳輸需求。② 靈活的空口資源調(diào)度機(jī)制能夠根據(jù)不同業(yè)務(wù)傳輸數(shù)據(jù)包的特點(diǎn)，靈活使用不同的空口資源調(diào)度方法，確保礦山5G 多樣化業(yè)務(wù)傳輸需求得到全面滿足。③載波聚合技術(shù)可在單一頻段無(wú)法滿足上行傳輸需求時(shí)，將多個(gè)連續(xù)或非連續(xù)的載波聚合成更大的帶寬，為礦用5G 傳輸引入更多的傳輸資源，有效支撐礦山5G 的大帶寬傳輸需求。