5G技术在煤矿井下应用架构探讨.pdf

工矿自动化 Ind ustry and Mi ne Auto mati o n 第46卷第7期 2020年7月 Vo l. 46 No . 7 Jul. 2020 文章编号文章编号1671-251X202007-0028-06DOI10. 13272/j. i ssn. 1671-251x. 17620 5G技术在煤矿井下应用架构探讨 孟庆勇123 （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） 扫码移动阅读 摘摘要通过对比、分析5G非独立组网（NSA）和独立组网（SA）架构的网络部署及优缺点，结合煤矿井下 4G“一网一站”已普遍应用的现状，提出了基于NSA的煤矿井下4G与5G融合网络架构，利用4G网络实现 语音、调度功能G网络拓展其他智能化应用，以最大程度地减少投资（研究了煤矿井下5G网络传输方 式，重点探讨了 5G承载网的3种前传组网方案及适用场景光纤直连方案适用于井下水泵房、变电所等场 所的机器人巡检，虚拟现实（VR）/增强现实（AR）培训，无人值守工作面等场景；无源波分复用方案适用于井 下网络部署简单、独立维护性强的场景；有源光传送网方案可灵活适应不同场景（探讨了智能巡检机器人、 环境监测与安全防护、VR/AR智慧煤矿、井下车辆无人驾驶4种煤矿井下5G网络切片应用场景，分析了不 同场景下5G组网架构的应用模式（ 关键词关键词智慧矿山；煤矿5G专网；5G组网架构；一网一站；非独1组网；独1组网；网络切片 中图分类号TD655 文献标志码A Pro be o n 5G arc h i tec ture appli ed i n c o al mi ne und ergro und MENG Qi ngy o ng123 1.CCTEG Ch i na Co al Researc h Insti tute, Bei ji ng 100013, Ch i na; 2. Engi neeri ng Researc h Center fo r Tec h no lo gy Equi pment o f Emergenc y Refuge i n Co al Mi ne, Bei ji ng 100013, Ch i na; 3. Bei ji ng Engi neeri ng and Researc h Center o f Mi ne Safe, Bei ji ng 100013, Ch i na Abstract Th ro ugh c o mpari ng and analy zi ng netwo rk d eplo y ment o f 5G no n-stand alo ne NSA and stand alo ne SA as well as th ei r ad vantages and d i sad vantages, and c o mbi ni ng wi th c urrent status o f 4G “o ne netwo rk o ne base-stati o n generally appli ed i n c o al mi ne und ergro und , a 4G-5G fusi o n netwo rk arc h i tec tureo fc o almi neund ergro und based o n NSAi spro po sed wh i c h uses4G netwo rk to reali zevo i c e and d i spatc h func ti o ns and 5G netwo rk to expand o th er i ntelli gent appli c ati o ns, so as to mi ni mi ze i nvestment.5Gnetwo rk transmi ssi o nmo d esi nc o almi neund ergro und areresearc h ed ,and th reefro nt-h aul transmi ssi o n netwo rk i ng sc h emes o f 5G h o sted netwo rk are fo c used o n as wel as th ei r appli c able sc enes Fi bre-o pti c al d i rec t-c o nnec ti o n sc h eme i s appli c able fo r sc enes i nc lud i ng ro bo t i nspec ti o n i n und ergro und pump h o use, substati o n and o th er plac es, vi rtual reali ty VR/augmented reali ty AR trai ni ng, unattend ed wo rk i ng fac e; Passi ve wavelength d i vi si o n multi plexi ng sc h eme i s appli c able fo r und ergro und sc enes wi th si mple netwo rk d eplo y ment and h i gh i nd epend ent mai ntai nabi li ty; Ac ti ve o pti c al transpo rt newo rk sc h emei sappli c ablefo rd iferensc enesflexi bly .Fo urappli c ai o nsc eneso f5G newo rk sli c ei n c o almi neund ergro und arepro bed o n,wh i c h arei neli geni nspec i o nro bo ,envi ro nmenmo ni o ri ngand sec uri y pro ec i o n, VR/AR smar c o al mi ne and d ri verless veh i c le,and appli c ai o n mo d es o f 5G newo rk i ngarc h i ec urei nd iferensc enesareanaly zed . 收稿日期2020-06-10；修回日期2020-07-06；责任编辑李明。 基金项目天地科技股份有限公司面上项目（TDMS003 作者简介孟庆勇“I82 ），男，山东梁山人，副研究员，硕士，现主要从事煤矿安全监控与通信技术方面的研究和应用工作,E-mai l mengqi ngy o ng c eri se. c n。 引用格式孟庆勇.5G技术在煤矿井下应用架构探讨工矿自动化，2020,46（7）2833. MENG Qi ngy o ng. Pro be o n 5G arc h tec ture appli ed i n c o al mi ne und ergro und］〕）. Ind ustry and Mi ne Auto mati o n, 2020,46（7） 28-33. 2020年第7期孟庆勇5G技术在煤矿井下应用架构探讨・29・ Key words smart mi ne; c o al mi ne 5G pri vate netwo rk; 5G netwo rk i ng arc h i tec ture; o ne netwo rk o ne base-stati o n; no n-stand alo ne; stand alo ne ; netwo rk sli c e 0引言 5G无线通信技术是4G的升级和延伸。与4G 相比，5G 采用大规模 MIMO （Multi - Multi - Output,多输入多输出）、上下行解耦、波束成形、密 集网络等技术，实现了更快网速和更大网络容量； 具备高速率、超宽带、低功耗、低时延等优势,成为特 殊行业机器人、无人驾驶,VR（Vi rtual Reali ty ,虚拟 现实）、超清视频、设备远程操控、全矿井安全监测信 息采集等应用的技术基础「2）。 目前，国内对于5G技术在煤炭行业的应用还 处于探讨和试验阶段，未见成熟应用案例的报道。 王国法等囚论述了 5G技术在煤矿智能化中的应用 展望，分析了煤矿智能化应用5G的可行性、必要 性;孙继平等⑷研究了智慧矿山与5G和Wi Fi 6,对 矿用5G与Wi Fi “技术应用进行了比较。霍振龙 等页研究了矿用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。笔者认 为矿用5G应用主要围绕井下机器人、井下车辆无 人驾驶、环境监控与安全防护、VR/ AR（ Augmented Reali ty,增强现实）智能培训、物联网数据传输、智 能工作面等煤矿井下智能化场景展开研究。 本文着重探讨了适合煤矿井下应用的5G组网 架构、5G网络传输方式、行业小型核心网切片技术 应用等，以期为5G在煤矿井下应用提供技术思路 及方法。 1矿井5G组网架构分析 公网5G分为非独立组 网（No n-Stand alo ne, NSA）和独立组网（Stand alo ne SA） 2种架构。NSA 架构是通过整合5G基站和4G核心网、基站的方式 组网，投入小、部署快,能够快速推进5G网络覆盖； SA架构为在新建5G基站基础上建设独立的5G核 心网，初期建设成本高。2种5G组网架构对比见 表 1「6） o 目前国内公网运营商先行采用NSA架构（）， 在此基础上逐步过渡到NSA/SA架构。SA架构尚 处于推进阶段。矿用5G专网建设技术尚在探讨和 论证阶段。 1. 1 NSA架构 基于NSA架构的5G网络部署如图1所示o 其是在已有4G核心网基础上，将5G作为4G副载 波传输用户数据，5G无线空口 RRC（Rad i o Reso urc e 表1 NSA,SA架构对比 Table 1 Co mpari so n between NSA and SA arc h i tec ture 项目 NSA架构 SA架构 承载业务仅支持大带宽业务 支持大带宽和低时延 业务 4G/5G 组 网灵活度 不同厂商技术性能灵活 性差 不同厂商技术独立组网 4G Vo LTE Vo i c e o verVo NR Vo i c e o ver New 语音业务 Lo ng-Term Evo luti o n,长Rad i o,新空口语音）或回 期演进语音承载） 落至 4G Vo LTE 终端吞 吐量 下行峰值速率优（4G/5G 双连接，NSA架构比SA 架构优7）;上行边缘速 率优，尤其是FDD（Fre- quenc y Di vi si o n Duplex, 频分双工） 上行峰值速率优（终端 5G双发，SA架构比 NSA架构优87）；上行 边 缘 （ ） 覆盖性能与4G相同初期5G连续覆盖投入大 业务连 与 4G 同 , 不 4G/ 初期未连续覆盖，4G/5G 续性 5G切换 切 4G无线 网 未来升级SA不能复用 4G升级支持5G互操作, 5G 5G 无 网 实施 新建5G基站，与4G基 站 连 接; 连 覆 盖 小，邻区参数配置少 新 建 5G 站， 4G 邻区；连续覆盖难度大 核心网 4G核心网增加虚拟化设 备，支持5G业务，无需 新建 新建5G核心网，需与4G 网络、业务、计费、网管等 合， 技术 备 新 建难 度 Co ntro l,无线资源控制）、广播等信令可由4G传 递，数据通过5G NR（New Rad i o ,新无线）和4G LTE（Lo ng-Term Evo luti o n,长期演进）传递，终端 连接方式为5G与4G双连接。该架构下只能发挥 5G 的 eMBB （Enh anc ed Mo bi le Bro ad band,增强移 动宽带）优势，不能发挥其uRLLC（Ultra-Rei able and Lo w Latenc y Co mmuni c ati o ns,高可 靠和低延 迟通信）及 mMTC （ Massi ve Mac h i ne Ty pe Co mmuni c ati o n，大规模机器类型通信）优势（「9）。 图1基于NSA架构的5G网络部署 Fi g. 1 5G netwo rk d eplo y ment based o n NSA arc h i tec ture ・30・工矿自动化第46卷 SA架构下5G组网进程分为3个阶段①4G 基站（eNB）和5G基站（gNB）共用4G核心网 （EPC） , eNB为主站，gNB为从站，控制信号经eNB 至EPC。②②eNB和gNB共用5G核心网（NGCN）, eNB为主站,gNB为从站，控制信号经eNB至 NGCNO③③eNB和gNB共用NGCN,gNB为主站, eNB为从站 1. 2 SA架构 SA为新建5G核心网、回程链路、基站等独立 组网架构，采用 NFV （ Netwo rk Func ti o ns Vi rtuali zati o n，网络功能虚拟化）、SDN （So ftware Defi ned Netwo rk,软件定义网络）等技术，实现全新 网元与接口技术，支持5G网 的所有新 扌 和新业务。基于SA架构的5G网络部署如图2所 示。该架构下终端与5G基站直接连接 5G 较4G高，初期部署难以实现连续覆盖，会存在大量 5G与4G 切换（10）,用户 有 图2 基于SA架构的5G网络部署 Fi g. 2 5G netwo rk d eplo y ment based o n SA arc h i tec ture 1. 3 煤矿井下5G网络架构 煤矿井下4G“一网一站”已普遍推广应用，安装 了矿井4G核心网，可与公网无缝对接，实现了视频监 控 度、宽带接入、语音 、人员 、应急 f 度 的数据集成，以及全矿井信 的无线高 速传输 5G技术的特点，煤矿井下5G应用场 井下机器人数据传输、VR/AR增强应用、环 监测与安全 、 、井下车辆无人 ［等。 基于NSA架构，构建如图3所示的煤矿井下4G与 5G融合网络架构。该架构利用 的4G网络实现 语音、调度 ，新建5G网 其他智能化应用, 程度地 建设投资，推 矿山建设 2煤矿井下煤矿井下5G网络传输方式分析网络传输方式分析 5G网络主要包括接入网、承载网、核心网、空口 等。5G接入网由BBU （Base Band Uni t,基带处理 单元）、RRU （Remo te Rad i o Uni t,远端射频单元）、 天线等组成其中BBU包括CU （Centrali zed Uni t,集中单元）、DU （Di stri bute Uni t,分布单元） CU为BBU非实时部分，负责处理非实时协议和服 地面5G基站 移动边缘计算（MEC） 服务器/云平台 智慧煤矿应用平台 摄像仪 图3 基于NSA的煤矿井下5G网络架构 VR/AR智能 智慧培训终端 智能巡检 机器人 智能矿灯定位卡语音信息 车辆卡矿灯 Fi g. 3 5G netwo rk arc h i tec ture i n c o al mi ne und ergro und based o n NSA 务；DU负责处理物理层协议和实时服务 BBU提 供与传 备、身 、外部 、LMT（Loc. Mai ntenanc e Termi nal,本地维护终端）或 U2020 连 接 的 部接口 现信 号 传 、 接 BBU 在 LMT或U2020上的维护；RRU将基带信号调制到 发 ，经滤波 ，通过天线发射 5G承载 网 OTN （ Opti c al Transpo rt Netwo rk 传 网）基于OTN的5G网络传输方式如图4所示 图4 5G网络传输方式 Fi g.4 5G netwo rk transmi ssi o n mo d e 煤矿井下5G业务需求、网络架构直接影响承 载网的 、时延、日 度和 标，研究 5G承载网 分，网元下沉，不同 的前传、中 传、回传组网方案，适应煤矿井下应用 、狭长巷 下的传输方 5G技术在煤矿井下应 用的 本文重点探讨5G承载网前传组网方 如 下 （1）光纤直连方案，如图5所示。节点的每个 RRU与DU全部采用光纤点到点直连组网。该方 的 用 资 。随 着5G基站、载频数量急 加, 的使用量激 煤矿井下 中 （ 如 、 所 所的 人 ，VR/AR培训，无人值守工作面 2020 7 孟庆勇5G技术在煤矿井下应用架构探讨・31・ 等）的热点覆盖，可以采用该方案，以最大化满足大 、* * 信息传送需求。 （側 图5光纤直连方案 Fi g. 5 Opti c al-fi ber d i rec t c o nnec ti o n sc h eme （2 ） 无源 WDM （ Wavelength Di vi si o n Multi plexi ng,波分复用）方案，如图6所示。将 WDM安装到RRU和DU上，实现波分复用。多个 RRU通过1根光纤与DU连接，不同中心波长的光 信号在同 中传 不干扰。该方案通过 WDM将不同波长的光信号合成1路传输，减少了 链路成本，但存在运维困难、不易管理、故障 匚较 难 ，适用于煤矿井下网络部署 、独立 的场景。但目前支持该方案的RRU设备体积 ，需要实现设备小型化后才 应用于 井下。 图6无源WDM方案 Fi g. 6 Passi ve WDM sc h eme （3）（3）有源OTN方案，如图7所示。在RRU和 DU 中 应 的 OTN， ， 传 信 号 通 过 WDM 共享 资源。与无源WDM方 ，有源OTN 方案支持点对点和组环，可灵活适应不同场景，无需 加 资源，同时提供环网保护，支持综合承载和 务收敛环。该方案目 有少数厂家的设备通过 在RRU和OTN之间增加RHUB来实现。在设备 小型化后，也可将DU和RRU放置到井下，DU通 过OTN将数据传输到地面，实现全矿井5G覆盖。 3煤矿井下煤矿井下5G网络应用场景探讨网络应用场景探讨 5G网络切片技术是将物理网络划分为多个逻 辑虚拟网络， 网 据 、带宽、安全 和 分， ， 以灵活 应 不同 的 网 应用 图7有源OTN方案 Fi g.7 Ac ti veOTN*c h eme 景（11）。 网络内的设备、接入网、传输网和 核心网逻辑独立，任何 网络发生故障都不 其他网络「12）。网络切片优化网络资源分配， 从而实现 成本效率， 化需求，是实现 5G 、多样化应用的核心技术之一。随着5G 终端数 种类 ， 、 、高密 度需求，采用 MEC（Mo bi le Ed ge Co mputi ng，移动 边缘计算）（13）技术实现网络切片。 矿井5G网络采用NSA/SA架构，采用无线网、 核心网、承载网切片，实现5G业务端到端切片。针对 煤矿井下不同业务 或类型，确定无 务隔离、 属 承载网切片；选择业务端口、 VLAN （Vi rtual Lo c al Area Netwo rk，虚拟局域网）、IP 的 DSCP（Di fferenti ated Servi c es Co d e Po i nt，差分服务 代码点）等进行无线网业务和承载网切片之间的映 o结合终端设备、接入网 、核心网 、网 ， ，实现独立、隔离和集成的5G网络切片。本文主要 探讨图8中4种5G网络切片应用场景。 业务 5G网络 云端各业务服务器 图8煤矿井下5G网络切片应用场景 Fi g. 8 Appli c ati o n sc enes o f 5G netwo rk sli c e i n c o almi neund ergro und 3. 1 智能巡检机器人 人利用5G大带宽、低时延特性, 有效解决 通信 ；加载红 成像仪、气 仪、高清摄像 装置，代替人对厂 生产 ，便 人员 发现设备 ， 质量 -32 - 工矿自动化 46 和效率。智能巡检机器人应用于水泵房、变电所等 固定场所，先期采用NSA架构，主要实现无轨行 走、多点自主巡航、可视化识别、实时数据回传分析、 自主执行任务等功能。 针对巡检机器人应用特性，搭载的传感器大部 分为采集、传输静态数据，无需移动性管理，因此应 用场景中5G核心网切片任务相对简单。核心网、 承载网协同通过基于SDN/NFV架构的切片编排 器完成（14）采用 SDNO（SDN Openflo w, SDN 开放 协议）实现承载网切片编排；通过SDNC （SDN Co ntro ller, SDN控制器）完成承载网切片部署；采 用切片控制器完成无线网和承载网之间跨域的业务 和编排， 核 心 网、 无 网 和 承载网 切 片 管 理。无线网切片粒度不易太大，否则无法满足巡检 数据实时回传的低时延需求。 3. 2 环境监测与安全防护 5G网络可以更快的速度和更大的容量实现矿 山全环节高清视频监控。与目前煤矿井下安全监控 系统仅能实现环境参数及人员位置等监控不同，5G 网络环境下采用边缘计算服务器的影像分析及视频 图像算法对高清图像进行实时分析，针对人员、环 境、设备、资产等提供全矿井、全流程智能安全预警。 环境监测与安全防护对网络承载能力要求较高，5G 网络可搭载4G核心网，采用NSA架构，以有源 OTN、无源WDM方案接入环网或点到点网络，实 现高清视频无死角监测预警。 为了满足海量高清视频数据承载需求，采用 NFV技术对网络功能进行虚拟化，建立无线网部分 的边缘云、核心网部分的核心云。边缘云和核心云 中的VMs（ Vi rtual Mac h i nes，虚拟主机）通过SDN 互联互通（15）。将核心网中的MME （ Mo bi li ty Management Enti ty，移动性管理实体）、S/P - GW （Servi ng/PDN Gateway ,服务/PDN 网关）和 PCRF （Po li c y and Ch argi ng Rules Func ti o n，策略与计费 规则功能单元），无线网中BBU的DU转移到 VMs,与存储服务器一起放入边缘云，将部分虚拟 化的核心网功能放入核心云。 3. 3 VR/AR智慧煤矿 基于5G技术大带宽、低时延特性，AR技术在 煤矿井下应用成为可能。网络云化可将AR终端的 大量计算、存储任务转移到边缘云，减轻AR终端的 前端负担。非现场实时的VR/AR智慧煤矿对网络 的带宽要求较高，在SA独立组网尚未完成的情况 下，采用NSA架构、光纤直连或无源WDM传输方 案，实现煤矿AR智能巡检、设备运维、生产培训等 应用。SA方案成形后，可实现现场实时巡检、运 维、预警等功能。 因 VR/AR 煤矿 网 要 核心网 同 接 切片 切片 分 独 立 地址，提高VR/AR独立运行的流畅性。承载网切 片粒度不易太细，否则会增加VR/AR编排及演示 复杂度。无线网根据VR/AR单个数据端Qo S （Quali ty o f Servi c e，服务质量）需求、通信负载或接 口类型等，采用符合煤炭行业标准的服务器、存储和 网络设备取代5G网络中的专用网元设备。无线网 体系结构对于每个切片做实时调整［16］。每个切片 使用不同类型的无线网配置，以满足不同运行需求。 3. 4 井下车辆无人驾驶 井下 无人 应用 5G 网 的 、 高可靠、高覆盖性要求很高，NSA架构无法满足5G 网络的uRLLC及mMTC需求，因此采用SA架构， 根据不同运输车型选择不同传输方式，实现井下无 人驾驶。该应用受限于公网SA技术发展，短时间 内难以实施。无人驾驶需要海量机端数据与云端实 时计算，每小时处理约100 GB数据，时延为毫 秒级。 井下无人驾驶属于复杂应用场景，无线网采用 独立切片技术，独立部署各种端到端切片。每个独 立切片包含完整的控制面和用户面功能，形成不同 无人驾驶群专有网络，如CIo T（Cellular Internet o f Th i ngs，蜂窝物联网）、eMBB等。井下车辆无人驾 驶5G网络需突破切片隔离机制、配置等技术，以满 无人 同 接 无 网 切片、 权、用户识别功能配置等需求。考虑到井下无人驾 的 要 ， 切片需 小化端到端 ， 核心网 功能和相关服务器均需下沉到边缘云。 4结论结论 （1） 提出的基于煤矿井下4G “一网一站”核心 网的煤矿井下5G网络架构能够最大程度地节省投 资并有效利用现有设备，具备4G基站的连续覆盖、 全矿井无线高速传输功能，同时充分利用了 5G网 络优势，可实现煤矿井下5G智能化应用，推进智慧 矿山建设。 （2） 针对煤矿井下5G业务需求，分析了 5G承 载网3种前传组网方案适用于井下水泵房、变电所 等场所的机器人巡检，VR/AR培训，无人值守工作 面等场景的光纤直连方案；适用于井下网络部署简 单、独立维护性强场景的无源WDM方案；可灵活 适应不同场景的有源OTN方案。 （3） 探讨了煤矿井下智能巡检机器人、环境监 测与安全防护、VR/AR智慧煤矿3种5G网络切片 2020 7 孟庆勇5G技术在煤矿井下应用架构探讨 33 应用场景中的NSA架构应用模式，以及井下车辆 无人驾驶场景中的SA架构应用模式。 4 5G技术为实现煤矿智能化提供支撑，是煤 矿井下无线通信技术的发展趋势。但5G技术在煤 矿大规模应用还有很多方面需要研究及相关产业链 厂商支持，包括配套的本质安全型CPECusto mer Premi se Equi pment,客户前置设备开发、基站及接 入终端上下行速率优化等。 参考文献参考文献References [1]陈晓贝，魏克军.全球5G研究动态和标准进展[J].电 信科学，2015,3156-19. 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