5G移动通信在煤矿场景中的网络构建.pdf

2020 年 6 月 5G 移动通信在煤矿场景中的网络构建 席红雷（山西机电职业技术学院， 山西 长治 046011） 【摘要】 随着 5G 时代的步伐不断靠近， 各行各业都将 5G 通信技术投入到应用开发之中， 煤矿行业对于 5G 网络的需求也渐渐提高。煤矿行 业的安全生产也对矿井中无线通信的需求提出了特殊的要求。通信技术的发展让煤矿特殊环境和复杂的作业流程都面临全新的改革， 如智能 采煤、 移动设备信息采集、 矿机视频控制、 机车调度等。本文分析 5G 通信技术的传输带宽、 时延、 连接数量等优势， 对 5G 通信技术在煤矿场景 中的网络构架展开研究。 【关键词】 5G 通信技术； SDN/NFV 技术； 超密集组网； 煤矿通信 【中图分类号】 TN929.5【文献标识码】 A 【文章编号】 1006-4222 （2020） 06-0066-02 1 5G 通信技术研究 5G 作为新一代移动通信系统袁5G 技术有超高频谱利用 率和能效袁相比 LTE 移动通信在带宽尧速率和资源管理等方面 有很大的提高袁 利用 5G 通信关键技术提高无线覆盖性能尧降 低传输时延尧提升网络系统安全和可靠性袁确保煤矿应用网络 搭建的完整性袁提高实用性和利用率袁因此对 5G 关键核心技 术进行研究具有十分重要的意义遥 1.1 传输技术 SDN/NFV 技术应用于 5G 系统的软件化和虚拟化袁 提供 了实现端到端的业务编排技术袁提高 5G 网络灵活性遥 NFV 技 术支持网元灵活部署袁 而 SDN 支持网络资源的集中调控袁与 NFV 相互独立又互为补充袁解决 NFV 资源分配和业务自动化 部署等问题遥 SDN 即软件定义网络袁新型网络创新架构遥将移动通信中 的信令控制与业务数据分离袁拓扑快速重构袁网络流量灵活分 配袁提升网络自组网能力遥 在网络中袁SDN 利用分离路由器在 网络控制和指令转发袁网络连接可编程袁减少 5G 网络结构复杂 性遥 最终促使 5G 网络智能化袁实现自我决策和自我管理能力遥 NFV 主要功能是虚拟化网络袁 能够在日常生产生活中避 免硬件过大带来的麻烦遥 通过软硬件解耦和网络功能抽象袁使 网络设备功能虚拟化袁减轻硬件的运行负荷袁同时有助于故障 排除和优化通信质量遥 NFV 可以根据业务需求实现资源按需 分配袁新业务应用快速开发部署袁NFV 能够有效提高通信设备 的网络部署速率遥 1.2 无线接入技术 无线接入技术主要有大规模天线技术 Massive MIMO 和 超密集组网遥 大规模天线技术能够减少无线网络信号的收发时间差袁 基本实现信号收发的同步性袁 数据通信的收发能力和数据传 输速率同时得到提高遥同时大规模的 MIMO 技术袁增加信号覆 盖的维度袁相同的时频同步为数多个终端提供业务袁路径多样 化袁同时提升基站小区业务吞吐量遥 借助新的组合方式和科学 编码强化数据接收袁提高传输效率袁提升通信能力袁扩大信号 的覆盖范围遥 超密集组网的应用主要通过增加基站密度来提高频率复 用的效率袁实现无线网络基础设施密集部署袁拥有更高的频率 复用袁减少网络的覆盖盲点袁使覆盖面积更广阔网络结构更加 完整遥 超密集组网是满足移动数据流量需求的主要手段袁通过 密集组网技术很好地实现网络的动态管理和资源的适时调 配遥 超密集组网可以满足的应用场景主要有密集城区尧工业园 区尧体育赛事尧地铁尧大型企业等遥 2 多样化业务场景 5G 网络提供多样化的业务场景来满足多样化的性能需 求和丰富功能要求遥 5G 核心网具有面向业务场景的适配能 力袁针对不同的 5G 业务应用提供可靠的网络控制功能袁企业 可以实现按需组网的目标遥根据业务场景进行网络切片袁结合 业务量进行网络资源分配遥 3 目前我国煤矿的井下通信的缺陷 目前 5G 通信技术发展已快速起步袁但在我国矿井移动通 信上并没有大量投入使用遥 然而袁煤矿行业对于先进通信系统 的需求不断增加袁 目前我国大部分煤矿的井下通信系统主要 是依靠泄漏无线通信尧 感应通信和动力线载波通信等形式实 现通信袁 这几种老旧形式的通信系统在使用过程中也存在不 少问题遥 3.1 泄漏无线通信 泄漏通信的电线具有复杂的铺设流程袁 且耗材和施工过 程中的费用昂贵袁工序繁多遥 即使铺设完成之后信号的接受范 围也十分狭窄袁超出 40 m 的范围就难以接受信号袁且对传输 线有特殊要求袁难以被推广使用遥 3.2 感应通信 感应通信的主要缺点是信号不够稳定袁 在地下的使用范 围小袁通信清晰度不够高袁在通信过程中有一定量的杂音袁难 以高效完成通信遥 4 5G 通信技术下的煤矿应用场景构建 5G 通信技术与之前的种种通信技术相比在用户的体验 感上有了很大的提升袁在通信服务上有快速稳定的特点遥在密 度流量尧 低延时尧 海量连接以及高宽带等方面都有较大的提 升袁在场景应用中也有更高的针对性和适应能力遥 应用场景eMBB渊增强移动宽带冤 mMTC渊海量大连接冤 CURLL渊低时延高可靠冤 5G 关键 技术 大规模天线技术 无线频率 毫米波 空间调制尧FQAM 调制 NB-IoT NOMA 多址接入技术 新波形技术 超短帧结构 协议栈 CU/DU 分离 5G 全双工 特点及 优势 千倍网络容量提升 几十倍用户速率提升 每平方公里百万连接数 低功耗袁超长待机 1 ms 时延 99.999可靠性 应用场 景映射 高清视频监控 智能设备管理 VR/AR 场景 负载现实采矿 车辆调度 安全监测监控 智能穿戴设备 矿山环境信息采集 远程故障排查 工业控制 智能驾驶 全矿井定位服务 表 1 5G 开放式应用场景分析 （下转第 68 页） 通信设计与应用66 2020 年 6 月 在煤矿场景下用户能够拥有更高质量的通信方式袁 对于 煤矿企业的信息获取能够更加快速以及开通工业智能化业务 的速度也能够得到大幅度的提升遥 与传统通信网络相比袁在特 殊场景下也有较高的网络速度维持用户的使用体验感袁 如图 1 所示遥 5 5G 通信的优势 煤矿场景属于特殊环境下的 5G 通信技术应用袁有效提高 企业的生产效率和降低人工作业的风险性遥 与传统的通信技 术相比较袁其具有传输速率高尧低延时尧并发量大尧可靠程度高 的特点袁同时在工作过程中具有覆盖广尧传输功率稳定袁在一 定程度上具备防爆尧特殊环境下的较强抗干扰能力等优势遥 在 矿井也面临智能化水平不断提高的当代社会袁 数据的规模化 和复杂化促使无线通信系统也需要向着智能尧自动尧高效的方 向转变遥 而 5G 通信技术正好能够突破传统的无线通信在时 效尧连接尧传输速率等方面的局限性袁完成煤矿的智能化开采尧 物联网建设袁推动煤矿大数据等其他业务的创新发展遥 作为国家的新基建工程袁5G 通信技术的相关基础设施正 在大力投入建设遥为 5G 通信技术未来在其他行业中的推广和 应用提供了基础设施遥 对于 5G 网络的构建尧设备的形态部署 以及生产安装都有了明确的蓝图规划遥 5G 技术的应用势在必 行袁面对新技术对传统通信技术的改革也同样迫在眉睫遥 6 结束语 5G 赋能企业变革袁具有高速率尧高可靠尧低延时尧高通信 密度的 5G 通信技术正驱动更多领域的创新和变革遥在煤矿采 集行业通信技术本就至关重要袁目前 4G 技术在应用方面有局 限性和 WiFi 技术在组网有不足之处袁 而基于 5G 通信技术的 煤矿智能化网络将是必然趋势袁 未来煤矿行业的发展之路必 然与 5G 通信技术密切结合遥 随着 5G 通信技术的发展及相关 领域应用技术的研究袁针对煤矿行业的 5G 场景技术也会不断 地开发和应用遥 参考文献 [1]吴泉.5G 通信技术应用场景及关键技术分析[J].网络安全技术与应 用袁2019渊5冤院64-65. [2]王岳斌.煤矿井下通信技术应用与分析[J].煤袁2013渊6冤院76-77袁80. [3]高则海.MIMO 技术在煤矿井下通信中的应用[J].科技视界袁2015 渊33冤院196袁250. 收稿日期 2020-05-13 作者简介 席红雷渊1980-冤袁男袁汉族袁山西洪洞人袁讲师袁研究 生袁研究方向为移动通信技术尧物联网遥 图 1 5G 网络下煤矿应用场景 ConnectDrive袁 在整车出厂时汽车制造商就会装备电子产品袁 汽车制造商更注重安全服务袁 但同时体现了较强的产品封闭 性袁 作为汽车制造商对于汽车核心数据的采集是会尽力避免 的袁所以应对互联网企业对车载系统的入侵袁它们更倾向于仅 仅开放娱乐尧网络尧语音尧蓝牙等接口袁主打通讯等信息遥 这样 对于互联网开放尧共享的理念是相违背的袁也不利于整个车联 网生态圈的构建遥 后装市场虽然由互联网企业主导袁 但是由于汽车制造商 采用的 CAN 总线通信协议各不相同袁并且对外封闭遥 互联网 企业设计制造的 OBD渊On-Board Diagnostic袁车载诊断系统冤设 备通过与汽车提供的接口连接袁仅能获得如里程尧油耗尧速度尧 驾驶行为等汽车制造商同意开放的部分数据袁 这些数据经过 车载网关将传输到云平台袁进行大数据分析后袁为驾驶员提供 服务与支持遥OBD 设备难达到普适性袁又因为法律无法采用破 解手段直接采集车辆未公开的数据袁种种受限袁后装市场需要 统一的汽车行业标准出台袁才可能会有所突破遥 车辆内部 OBD 与 CAN 总线架构如图 3 所示遥 3 结 论 车联网是我国智能交通的信息化基础袁 目前汽车制造商 和互联网企业都大力投入到车联网的建设中并取得了一定成 果袁车联网时代已经据我们越来越近袁但车联网时代的真正来 临还需要解决如下问题院 渊1冤进一步发展传感器技术袁体积更小袁采集信息更准确袁 价格更便宜遥 渊2冤ECU渊Electronic Control Unit袁电子控制单元袁又称行车 电脑尧车载电脑冤处理速度更快袁车辆计算能力更强曰移动网络 传输速度更快袁交互的时间变得更短遥 渊3冤汽车行业标准出台统一的接口标准袁并有条件的对外 开放袁传统汽车厂商企业与互联网企业共同发展车联网遥 渊4冤电子地图的精度更高袁每辆汽车最微小的变化都可以 实时反馈遥 参考文献 [1]王雷袁王传磊.车联网及关键技术的应用分析[J]物联网技术袁2018 渊7冤院63-68. [2]工信部联科.国家车联网产业标准体系建设指南[2018]109 号[S]. [3]陈山枝袁胡金玲袁石岩袁等.LTE-V2X 车联网技术尧标准与应用[J]电 信科学袁2018渊4冤院7-17. [4]3GPP TR 22.885 V14.0.0 Study on LTE support for Vehicle to Ev鄄 erything渊V2X冤services[S].2017. 收稿日期 2020-05-13 作者简介 马 敏渊1981-冤袁女袁汉族袁陕西西安人袁讲师袁硕士研 究生袁主要从事通信工程尧物联网工作遥 图 3 OBD 与 CAN 总线架构 （上接第 66 页） 通信设计与应用68