面向煤矿智能化的5G关键技术

　　5G通信技术应用于煤矿智能化开采中已成为目前各界的共识。然而，井下的无线传播环境、煤矿开采的具体业务需求不明导致无法直接将5G通信系统应用于煤矿智能化开采之中，需要进一步研究5G适应性技术以满足煤矿智能化开采的无线通信与信息处理需求。

　　近日，矿大（北京）、煤科总院以及陕煤陕北煤业的科研人员在系统介绍煤矿5G的关键技术研究、标准化制定、设备研发及网络建设现状的基础上，从网络部署、业务应用的角度，研究了5G网络规划、网络切片以及移动边缘计算三个关键技术，并对面向煤矿智能化的5G技术未来发展趋势进行了展望。成果以《面向煤矿智能化的5G关键技术研究》为题（点击查看原文）在《煤炭科学技术》进行了网络首发。

　　一、煤矿5G技术研究及网络建设现状

　　关键技术研究进展。面向煤矿智能化的5G关键技术研究方面，主要集中于分析煤矿应用5G技术的必要性及可能的应用场景。

　　标准化制定进展。在煤矿5G标准制定方面，2020年6月17日，由安标国家中心发布了《煤矿5G通信系统安全技术要求（试行）》及《煤矿5G通信系统安全标志管理方案（试行）》两个标准，规定了5G系统的组网运行、技术性能、安全防爆和电磁兼容的特性，以及煤矿5G系统检验检测机构所应具备的能力。此外，中国煤炭科工集团也正在着手制定《煤矿5G高速传输技术要求》的国家标准。

　　实验室创立及产业联盟成立现状。目前，面向煤矿智能化的5G实验室创立，主要是中国联通在推动。2019年8月20日，山东联通、山东兖矿集团及中兴通讯合作成立了5G+智慧矿业联合实验室。2019年11月14日，中国联通、中国煤炭科工集团以及中国矿业大学（北京）组建了地下空间5G技术创新应用联合实验室。产业联盟的成立，主要是中国移动在推动。2019年9月6日，中国移动、山西阳煤集团与华为公司作为合作成立了5G通信煤炭产业应用创新联盟。2020年6月18日，中国移动联合清华大学、中国矿业大学（北京）、阳煤集团、中国煤炭科工集团、华为公司等70多家单位成立了5G智慧矿山联盟。

　　煤矿5G网络建设现状。在煤矿5G试点应用与项目落地方面，进展速度相对更快。2019年，5G商用牌照颁发不久，各大煤矿集团就相继开通了5G网络。此外，煤矿无人驾驶车、高清视频传输、井下智能巡检等也成为5G在推动矿山智能化中的典型示范应用。然而，目前的网络建设和试点示范仍然处于实验阶段，对5G所能支持的三大场景尚未全面落地，且现有试点应用离业界所构想的煤炭智能化应用仍然有很大的差距。

　　二、煤矿5G关键技术

　　（一）煤矿5G网络规划部署

　　煤矿5G网络需要同时覆盖地面和井下两个不同的使用环境。煤矿地面环境与普通地面环境差异性不大，但井下环境需同时考虑无线通信设备的安全防爆要求和无线电磁波的井下传输特性：首先，井下传播空间通常比较狭长且存在多分支；其次，巷道壁对无线电波易产生吸收或干扰；再次，井下的各种设备布设复杂，且大多数都需要供电，会产生强磁干扰；最后，开采环境存在比较多的粉尘，对毫米波传输损耗影响较大。

　　综上，煤矿5G网络规划部署与普通5G网络规划存在着很大的不同，既要考虑这两种使用环境下的不同无线覆盖、无线传输特性、业务类型和安全可靠等方面的差异性要求，还应遵循“泛在感知一体化网络”的煤矿智能化网络建设需求。

SA、NSA-3x和NSA-7x组网对比分析图

因此，“统一规划、安全经济、全面覆盖、精细设计”理应成为煤矿5G网络的规划部署原则。在此原则下，研究人员分别从无线频段选择、无线基站选型、组网方式以及核心网建设四个方面阐述了煤矿5G网络规划核心要点。

　　（二）煤矿5G网络切片技术

　　网络切片的实质就是利用网络虚拟化技术将网络基础物理设备，根据时延、带宽、可靠性、安全性等不同的业务场景服务需求，切分出多个逻辑上的端到端网络，以进行各种不同业务的信息传输与交换。

　　由此可见，对于业务场景的分析，是进行煤矿5G网络切片的前提。研究人员重点介绍了智能工作面控制、井下远程协同运维、井下安防和巡检等应用场景中对5G网络服务的需求。

　　研究指出，网络切片的粒度并不是越细越好，过细的切片一方面会在不进行信息传输时占用大量的网络资源，另外一方面会增加切片管理系统的负荷。尤其是在当前煤矿智能化应用场景尚未定义完备的前期下，在网络总体资源一定的情况下，亦需要为未来智能化业务预留一些网络资源。

因此，面向煤矿智能化场景的5G网络切片既需要针对某些应用场景进行切片定制，也需要针对网络利用率高或者SLA要求不高的场景提供公共网络切片。

　　面向煤矿智能化的5G网络切片参考架构

　　面向煤矿智能化的5G网络切片参考架构，将网络资源划分为分为专用切片和共用切片。每个切片包含组成5G核心网的所有网元，包含策略控制功能）、接入和移动管理功能、用户面管理功能、统一数据管理功能、会话管理功能；此外，还包含移动边缘计算功能。

　　专用切片拥有从无线接入网、核心网以及边缘计算等一整套的虚拟5G网元设备，主要服务对象是生产控制类等对QoS有极其严苛要求的应用场景。

　　公用切片的主要服务对象是对QoS要求有一定容忍度或者网络资源利用率低的场景，比如远程协同运维虽然对QoS要求严格，但由于不经常利用网络，因此将其划分到公用切片中，以提升网络资源利用率。值得注意的是，公用切片支持eMBB、URLLC以及mMTC三类切片，具体应用场景则可以联合使用这三大类切片完成信息传输。

　　（三）煤矿5G移动边缘计算技术

　　移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）通过在靠近终端用户提供IT服务环境和计算能力，将部分网络业务下沉到靠近终端用户的移动节点，从而缩短网络传输时延，助力5G网络提升用户体验质量。因此，MEC目前已成为5G网络的必备基础设施之一，且在车联网等场景中得以广泛应用。然而，移动边缘计算从节点部署到关键技术都需要根据具体应用场景进行方案设计，也即是现有的移动边缘计算方案并不能够直接应用于煤矿智能化应用中。因此，将移动边缘计算应用于煤矿智能化仍需进行架构设计，并研发适用的云边协同、计算任务卸载与迁移等关键技术。

　　三、前景展望

　　随着煤矿智能化的进展以及5G技术在煤矿领域的逐步适用，越来越多的应用案例表明5G技术能够提升煤矿生产企业的信息化智能化水平。然而，若要充分利用5G加快推进煤矿智能化进程，需进一步进行应用场景规划，并面向特定场景进行5G网络规划、网络切片以及移动边缘计算等关键技术的探索。

此外，5G技术也同时在不断向前发展，最新冻结的3GPP R16版本虽然对垂直行业的支撑进行了业务增强，但在R17版本中仍然在探索新的增强型技术，因此在面向煤矿智能化的5G关键技术研发过程中，理应及时关注最新技术进展情况，以经济有效的方式切实推动煤矿智能化进程。