孟慶勇

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 北京 100013； 2.煤礦應(yīng)急避險(xiǎn)技術(shù)裝備工程研究中心， 北京 100013； 3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心， 北京 100013)

0 引言

5G無線通信技術(shù)是4G的升級(jí)和延伸。與4G相比，5G采用大規(guī)模MIMO(Multi-Input Multi-Output，多輸入多輸出)、上下行解耦、波束成形、密集網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更快網(wǎng)速和更大網(wǎng)絡(luò)容量[1]；具備高速率、超寬帶、低功耗、低時(shí)延等優(yōu)勢，成為特殊行業(yè)機(jī)器人、無人駕駛、VR(Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí))、超清視頻、設(shè)備遠(yuǎn)程操控、全礦井安全監(jiān)測信息采集等應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)[2]。

目前，國內(nèi)對于5G技術(shù)在煤炭行業(yè)的應(yīng)用還處于探討和試驗(yàn)階段，未見成熟應(yīng)用案例的報(bào)道。王國法等[3]論述了5G技術(shù)在煤礦智能化中的應(yīng)用展望，分析了煤礦智能化應(yīng)用5G的可行性、必要性；孫繼平等[4]研究了智慧礦山與5G和WiFi6，對礦用5G與WiFi6技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了比較?；粽颀埖萚5]研究了礦用5G無線通信系統(tǒng)的組成及組網(wǎng)方式，并提出了5G技術(shù)在煤礦的應(yīng)用場景。筆者認(rèn)為礦用5G應(yīng)用主要圍繞井下機(jī)器人、井下車輛無人駕駛、環(huán)境監(jiān)控與安全防護(hù)、VR/AR(Augmented Reality，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))智能培訓(xùn)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸、智能工作面等煤礦井下智能化場景展開研究。

本文著重探討了適合煤礦井下應(yīng)用的5G組網(wǎng)架構(gòu)、5G網(wǎng)絡(luò)傳輸方式、行業(yè)小型核心網(wǎng)切片技術(shù)應(yīng)用等，以期為5G在煤礦井下應(yīng)用提供技術(shù)思路及方法。

1 礦井5G組網(wǎng)架構(gòu)分析

公網(wǎng)5G分為非獨(dú)立組網(wǎng)(Non-Standalone，NSA)和獨(dú)立組網(wǎng)(Standalone，SA)2種架構(gòu)。NSA架構(gòu)是通過整合5G基站和4G核心網(wǎng)、基站的方式組網(wǎng)，投入小、部署快，能夠快速推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋；SA架構(gòu)為在新建5G基站基礎(chǔ)上建設(shè)獨(dú)立的5G核心網(wǎng)，初期建設(shè)成本高。2種5G組網(wǎng)架構(gòu)對比見表1[6]。

目前國內(nèi)公網(wǎng)運(yùn)營商先行采用NSA架構(gòu)[7]，在此基礎(chǔ)上逐步過渡到NSA/SA架構(gòu)。SA架構(gòu)尚處于推進(jìn)階段。礦用5G專網(wǎng)建設(shè)技術(shù)尚在探討和論證階段。

1.1 NSA架構(gòu)

基于NSA架構(gòu)的5G網(wǎng)絡(luò)部署如圖1所示。其是在已有4G核心網(wǎng)基礎(chǔ)上，將5G作為4G副載波傳輸用戶數(shù)據(jù)，5G無線空口RRC(Radio Resource Control, 無線資源控制)、廣播等信令可由4G傳遞，數(shù)據(jù)通過5G NR(New Radio，新無線)和 4G LTE(Long-Term Evolution,長期演進(jìn))傳遞，終端連接方式為5G與4G雙連接。該架構(gòu)下只能發(fā)揮5G的 eMBB (Enhanced Mobile Broadband，增強(qiáng)移動(dòng)寬帶)優(yōu)勢，不能發(fā)揮其uRLLC(Ultra-Reliable and Low Latency Communications，高可靠和低延遲通信) 及mMTC(Massive Machine Type Communication，大規(guī)模機(jī)器類型通信)優(yōu)勢[8-9]。

表1 NSA，SA架構(gòu)對比Table 1 Comparison between NSA and SA architecture

圖1 基于NSA架構(gòu)的5G網(wǎng)絡(luò)部署Fig.1 5G network deployment based on NSA architecture

SA架構(gòu)下5G組網(wǎng)進(jìn)程分為3個(gè)階段：① 4G基站(eNB)和5G基站(gNB)共用4G核心網(wǎng)(EPC)，eNB為主站，gNB為從站，控制信號(hào)經(jīng)eNB至EPC。② eNB和gNB共用5G核心網(wǎng)(NGCN)，eNB為主站，gNB為從站，控制信號(hào)經(jīng)eNB至NGCN。③ eNB和gNB共用NGCN，gNB為主站，eNB為從站。

1.2 SA架構(gòu)

SA為新建5G核心網(wǎng)、回程鏈路、基站等獨(dú)立組網(wǎng)架構(gòu)，采用NFV(Network Functions Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)、SDN(Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò))等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全新網(wǎng)元與接口技術(shù)，支持5G網(wǎng)絡(luò)引入的所有新功能和新業(yè)務(wù)。基于SA架構(gòu)的5G網(wǎng)絡(luò)部署如圖2所示。該架構(gòu)下終端與5G基站直接連接。5G頻點(diǎn)較4G高，初期部署難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋，會(huì)存在大量5G與4G系統(tǒng)間切換[10]，用戶體驗(yàn)有待提高。

圖2 基于SA架構(gòu)的5G網(wǎng)絡(luò)部署Fig.2 5G network deployment based on SA architecture

1.3 煤礦井下5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

煤礦井下4G“一網(wǎng)一站”已普遍推廣應(yīng)用，安裝了礦井4G核心網(wǎng)，可與公網(wǎng)無縫對接，實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)控及調(diào)度、寬帶接入、語音集群、人員定位、應(yīng)急指揮調(diào)度等功能的數(shù)據(jù)集成，以及全礦井信息流的無線高速傳輸。針對5G技術(shù)的特點(diǎn)，煤礦井下5G應(yīng)用場景預(yù)測為井下機(jī)器人數(shù)據(jù)傳輸、VR/AR增強(qiáng)應(yīng)用、環(huán)境監(jiān)測與安全防護(hù)、高清視頻、井下車輛無人駕駛等。基于NSA架構(gòu)，構(gòu)建如圖3所示的煤礦井下4G與5G融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該架構(gòu)利用原來的4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)語音、調(diào)度功能，新建5G網(wǎng)絡(luò)拓展其他智能化應(yīng)用，最大程度地節(jié)省建設(shè)投資，推進(jìn)智慧礦山建設(shè)。

2 煤礦井下5G網(wǎng)絡(luò)傳輸方式分析

5G網(wǎng)絡(luò)主要包括接入網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)、空口等。5G接入網(wǎng)由BBU (Base Band Unit，基帶處理單元)、RRU (Remote Radio Unit，遠(yuǎn)端射頻單元)、天線等組成。其中BBU包括CU (CentralizedUnit，集中單元)、DU (Distribute Unit，分布單元)。CU為BBU非實(shí)時(shí)部分，負(fù)責(zé)處理非實(shí)時(shí)協(xié)議和服務(wù)； DU負(fù)責(zé)處理物理層協(xié)議和實(shí)時(shí)服務(wù)。BBU提供與傳輸設(shè)備、射頻模塊、外部時(shí)鐘源、LMT(Local Maintenance Terminal，本地維護(hù)終端)或U2020連接的外部接口，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸、時(shí)鐘接收及BBU在LMT或U2020上的維護(hù)；RRU將基帶信號(hào)調(diào)制到發(fā)射頻段，經(jīng)濾波放大后，通過天線發(fā)射。5G承載網(wǎng)為OTN(Optical Transport Network，光傳送網(wǎng))。基于OTN的5G網(wǎng)絡(luò)傳輸方式如圖4所示。

圖3 基于NSA的煤礦井下5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.3 5G network architecture in coal mine underground based on NSA

圖4 5G網(wǎng)絡(luò)傳輸方式Fig.4 5G network transmission mode

煤礦井下5G業(yè)務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)直接影響承載網(wǎng)的帶寬、時(shí)延、時(shí)鐘精度和可靠性等指標(biāo)，研究5G承載網(wǎng)功能劃分，網(wǎng)元下沉，不同模式的前傳、中傳、回傳組網(wǎng)方案，適應(yīng)煤礦井下應(yīng)用場景、狹長巷道特殊環(huán)境下的傳輸方式是5G技術(shù)在煤礦井下應(yīng)用的關(guān)鍵。本文重點(diǎn)探討5G承載網(wǎng)前傳組網(wǎng)方案，具體如下。

(1) 光纖直連方案，如圖5所示。節(jié)點(diǎn)的每個(gè)RRU與DU全部采用光纖點(diǎn)到點(diǎn)直連組網(wǎng)。該方案布設(shè)簡單，最大的問題是占用光纖資源較多。隨著5G基站、載頻數(shù)量急劇增加，對光纖的使用量激增。對于煤礦井下集中場景(如水泵房、變電所等場所的機(jī)器人巡檢，VR/AR培訓(xùn)，無人值守工作面等)的熱點(diǎn)覆蓋，可以采用該方案，以最大化滿足大帶寬、低時(shí)延、高可靠信息傳送需求。

圖5 光纖直連方案Fig.5 Optical-fiber direct connection scheme

(2) 無源WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分復(fù)用)方案，如圖6所示。將WDM安裝到RRU和DU上，實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用。多個(gè)RRU通過1根光纖與DU連接，不同中心波長的光信號(hào)在同一根光纖中傳輸且互不干擾。該方案通過WDM將不同波長的光信號(hào)合成1路傳輸，減少了鏈路成本，但存在運(yùn)維困難、不易管理、故障定位較難等問題，適用于煤礦井下網(wǎng)絡(luò)部署簡單、獨(dú)立維護(hù)性強(qiáng)的場景。但目前支持該方案的RRU設(shè)備體積較大，需要實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化后才可大規(guī)模應(yīng)用于井下。

圖6 無源WDM方案Fig.6 Passive WDM scheme

(3) 有源OTN方案，如圖7所示。在RRU和DU中配置相應(yīng)的OTN，多個(gè)前傳信號(hào)通過WDM共享光纖資源。與無源WDM方案相比，有源OTN方案支持點(diǎn)對點(diǎn)和組環(huán)，可靈活適應(yīng)不同場景，無需增加光纖資源，同時(shí)提供環(huán)網(wǎng)保護(hù)，支持綜合承載和業(yè)務(wù)收斂環(huán)。該方案目前只有少數(shù)廠家的設(shè)備通過在RRU和OTN之間增加RHUB來實(shí)現(xiàn)。在設(shè)備小型化后，也可將DU和RRU放置到井下，DU通過OTN將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛妫瑢?shí)現(xiàn)全礦井5G覆蓋。

3 煤礦井下5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景探討

5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是將物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)邏輯虛擬網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)根據(jù)時(shí)延、帶寬、安全性和可靠性等劃分，以靈活應(yīng)對不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景[11]。每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備、接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)邏輯獨(dú)立，任何一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障都不會(huì)影響其他網(wǎng)絡(luò)[12]。網(wǎng)絡(luò)切片優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源分配，從而實(shí)現(xiàn)最大成本效率，滿足多元化需求，是實(shí)現(xiàn)5G多場景、多樣化應(yīng)用的核心技術(shù)之一。隨著5G終端數(shù)量及種類增多，為滿足高帶寬、低時(shí)延、高密度需求，采用MEC(Mobile Edge Computing，移動(dòng)邊緣計(jì)算)[13]技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片。

圖7 有源OTN方案Fig.7 Active OTN scheme

礦井5G網(wǎng)絡(luò)采用NSA/SA架構(gòu)，采用無線網(wǎng)、核心網(wǎng)、承載網(wǎng)切片，實(shí)現(xiàn)5G業(yè)務(wù)端到端切片。針對煤礦井下不同業(yè)務(wù)場景或類型，確定無線業(yè)務(wù)隔離、時(shí)延等屬性來定義承載網(wǎng)切片；選擇業(yè)務(wù)端口、VLAN(Virtual Local Area Network,虛擬局域網(wǎng))、IP的DSCP(Differentiated Services Code Point,差分服務(wù)代碼點(diǎn))等進(jìn)行無線網(wǎng)業(yè)務(wù)和承載網(wǎng)切片之間的映射。結(jié)合終端設(shè)備、接入網(wǎng)性能、核心網(wǎng)配置、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立、隔離和集成的5G網(wǎng)絡(luò)切片。本文主要探討圖8中4種5G網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)用場景。

圖8 煤礦井下5G網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)用場景Fig.8 Application scenes of 5G network slice in coal mine underground

3.1 智能巡檢機(jī)器人

智能巡檢機(jī)器人利用5G大帶寬、低時(shí)延特性，有效解決實(shí)時(shí)通信問題；加載紅外熱成像儀、氣體檢測儀、高清攝像機(jī)等裝置，代替人對廠區(qū)及生產(chǎn)線巡檢，便于維護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題，提升巡檢質(zhì)量和效率。智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用于水泵房、變電所等固定場所，先期采用NSA架構(gòu)，主要實(shí)現(xiàn)無軌行走、多點(diǎn)自主巡航、可視化識(shí)別、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回傳分析、自主執(zhí)行任務(wù)等功能。

針對巡檢機(jī)器人應(yīng)用特性，搭載的傳感器大部分為采集、傳輸靜態(tài)數(shù)據(jù)，無需移動(dòng)性管理，因此應(yīng)用場景中5G核心網(wǎng)切片任務(wù)相對簡單。核心網(wǎng)、承載網(wǎng)協(xié)同通過基于SDN/NFV架構(gòu)的切片編排器完成[14]：采用SDNO(SDN Openflow，SDN開放協(xié)議)實(shí)現(xiàn)承載網(wǎng)切片編排；通過SDNC(SDN Controller，SDN控制器)完成承載網(wǎng)切片部署；采用切片控制器完成無線網(wǎng)和承載網(wǎng)之間跨域的業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)和編排，協(xié)調(diào)核心網(wǎng)、無線網(wǎng)和承載網(wǎng)切片管理。無線網(wǎng)切片粒度不易太大，否則無法滿足巡檢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳的低時(shí)延需求。

3.2 環(huán)境監(jiān)測與安全防護(hù)

5G網(wǎng)絡(luò)可以更快的速度和更大的容量實(shí)現(xiàn)礦山全環(huán)節(jié)高清視頻監(jiān)控。與目前煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)及人員位置等監(jiān)控不同，5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下采用邊緣計(jì)算服務(wù)器的影像分析及視頻圖像算法對高清圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，針對人員、環(huán)境、設(shè)備、資產(chǎn)等提供全礦井、全流程智能安全預(yù)警。環(huán)境監(jiān)測與安全防護(hù)對網(wǎng)絡(luò)承載能力要求較高，5G網(wǎng)絡(luò)可搭載4G核心網(wǎng)，采用NSA架構(gòu)，以有源OTN、無源WDM方案接入環(huán)網(wǎng)或點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高清視頻無死角監(jiān)測預(yù)警。

為了滿足海量高清視頻數(shù)據(jù)承載需求，采用NFV技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行虛擬化，建立無線網(wǎng)部分的邊緣云、核心網(wǎng)部分的核心云。邊緣云和核心云中的VMs(Virtual Machines，虛擬主機(jī))通過SDN互聯(lián)互通[15]。將核心網(wǎng)中的MME(Mobility Management Entity，移動(dòng)性管理實(shí)體)、S/P-GW(Serving/PDN Gateway，服務(wù)/PDN網(wǎng)關(guān))和PCRF(Policy and Charging Rules Function，策略與計(jì)費(fèi)規(guī)則功能單元)，無線網(wǎng)中BBU的DU轉(zhuǎn)移到VMs，與存儲(chǔ)服務(wù)器一起放入邊緣云，將部分虛擬化的核心網(wǎng)功能放入核心云。

3.3 VR/AR智慧煤礦

基于5G技術(shù)大帶寬、低時(shí)延特性，AR技術(shù)在煤礦井下應(yīng)用成為可能。網(wǎng)絡(luò)云化可將AR終端的大量計(jì)算、存儲(chǔ)任務(wù)轉(zhuǎn)移到邊緣云，減輕AR終端的前端負(fù)擔(dān)。非現(xiàn)場實(shí)時(shí)的VR/AR智慧煤礦對網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求較高，在SA獨(dú)立組網(wǎng)尚未完成的情況下，采用NSA架構(gòu)、光纖直連或無源WDM傳輸方案，實(shí)現(xiàn)煤礦AR智能巡檢、設(shè)備運(yùn)維、生產(chǎn)培訓(xùn)等應(yīng)用。SA方案成形后，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)巡檢、運(yùn)維、預(yù)警等功能。

因VR/AR智慧煤礦對于網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要求較低，核心網(wǎng)可同時(shí)接入多個(gè)切片，為每個(gè)切片分配獨(dú)立地址，提高VR/AR獨(dú)立運(yùn)行的流暢性。承載網(wǎng)切片粒度不易太細(xì)，否則會(huì)增加VR/AR編排及演示復(fù)雜度。無線網(wǎng)根據(jù)VR/AR單個(gè)數(shù)據(jù)端QoS(Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量)需求、通信負(fù)載或接口類型等，采用符合煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備取代5G網(wǎng)絡(luò)中的專用網(wǎng)元設(shè)備。無線網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)對于每個(gè)切片做實(shí)時(shí)調(diào)整[16]。每個(gè)切片使用不同類型的無線網(wǎng)配置，以滿足不同運(yùn)行需求。

3.4 井下車輛無人駕駛

井下車輛無人駕駛應(yīng)用對5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、高可靠、高覆蓋性要求很高，NSA架構(gòu)無法滿足5G網(wǎng)絡(luò)的uRLLC及mMTC需求，因此采用SA架構(gòu)，根據(jù)不同運(yùn)輸車型選擇不同傳輸方式，實(shí)現(xiàn)井下無人駕駛。該應(yīng)用受限于公網(wǎng)SA技術(shù)發(fā)展，短時(shí)間內(nèi)難以實(shí)施。無人駕駛需要海量機(jī)端數(shù)據(jù)與云端實(shí)時(shí)計(jì)算，每小時(shí)處理約100 GB數(shù)據(jù)，時(shí)延為毫秒級(jí)。

井下無人駕駛屬于復(fù)雜應(yīng)用場景，無線網(wǎng)采用獨(dú)立切片技術(shù)，獨(dú)立部署各種端到端切片。每個(gè)獨(dú)立切片包含完整的控制面和用戶面功能，形成不同無人駕駛?cè)簩Ｓ芯W(wǎng)絡(luò)，如CIoT(Cellular Internet of Things,蜂窩物聯(lián)網(wǎng))、eMBB等。井下車輛無人駕駛5G網(wǎng)絡(luò)需突破切片隔離機(jī)制、配置等技術(shù)，以滿足無人駕駛車輛同時(shí)接入多個(gè)無線網(wǎng)切片、實(shí)時(shí)鑒權(quán)、用戶識(shí)別功能配置等需求?？紤]到井下無人駕駛的低時(shí)延要求，切片需最小化端到端時(shí)延，核心網(wǎng)功能和相關(guān)服務(wù)器均需下沉到邊緣云。

4 結(jié)論

(1) 提出的基于煤礦井下4G“一網(wǎng)一站”核心網(wǎng)的煤礦井下5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠最大程度地節(jié)省投資并有效利用現(xiàn)有設(shè)備，具備4G基站的連續(xù)覆蓋、全礦井無線高速傳輸功能，同時(shí)充分利用了5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)煤礦井下5G智能化應(yīng)用，推進(jìn)智慧礦山建設(shè)。

(2) 針對煤礦井下5G業(yè)務(wù)需求，分析了5G承載網(wǎng)3種前傳組網(wǎng)方案：適用于井下水泵房、變電所等場所的機(jī)器人巡檢，VR/AR培訓(xùn)，無人值守工作面等場景的光纖直連方案；適用于井下網(wǎng)絡(luò)部署簡單、獨(dú)立維護(hù)性強(qiáng)場景的無源WDM方案；可靈活適應(yīng)不同場景的有源OTN方案。

(3) 探討了煤礦井下智能巡檢機(jī)器人、環(huán)境監(jiān)測與安全防護(hù)、VR/AR智慧煤礦3種5G網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)用場景中的NSA架構(gòu)應(yīng)用模式，以及井下車輛無人駕駛場景中的SA架構(gòu)應(yīng)用模式。

(4) 5G技術(shù)為實(shí)現(xiàn)煤礦智能化提供支撐，是煤礦井下無線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢。但5G技術(shù)在煤礦大規(guī)模應(yīng)用還有很多方面需要研究及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈廠商支持，包括配套的本質(zhì)安全型CPE(Customer Premise Equipment,客戶前置設(shè)備)開發(fā)、基站及接入終端上下行速率優(yōu)化等。