煤礦5G通信系統(tǒng)安全應(yīng)用技術(shù)研究

張立亞

(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通信技術(shù)自商用以來，不斷向垂直行業(yè)滲透，并已在煤礦智能化建設(shè)中初見成效。作為新一代移動通信技術(shù)，5G因其高速率、低時延、廣連接等優(yōu)勢，非常契合煤礦智能化對無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求，為解決煤礦智能化建設(shè)過程中存在的泛在感知困難、多類型數(shù)據(jù)同步傳輸不可靠、遠(yuǎn)程控制實時性差、融合大數(shù)據(jù)智能決策效率低等關(guān)鍵問題提供了有效途徑[1-5]。王國法等[6]提出了基于混合現(xiàn)實的井下智能化開采和遠(yuǎn)程實時可視化操控的構(gòu)想，給出了井下應(yīng)用5G技術(shù)的總體架構(gòu)。霍振龍等[7]提出了5G技術(shù)在煤礦的應(yīng)用場景，指出針對煤炭行業(yè)的5G技術(shù)應(yīng)用場景還需不斷挖掘和完善。孟慶勇[8]提出了基于NSA(Non-Standalone，非獨立組網(wǎng))的煤礦井下4G與5G融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并分析了5G前傳組網(wǎng)方案及適用場景，以及不同場景下5G組網(wǎng)架構(gòu)的應(yīng)用模式。

隨著煤礦智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦綜采工作面、掘進(jìn)工作面、變電所、主輔運等場所對井下人員、設(shè)備、環(huán)境的智能化監(jiān)測需求越來越多，對通信系統(tǒng)的安全性、可靠性等技術(shù)指標(biāo)提出了更高要求。開發(fā)煤礦5G通信系統(tǒng)專網(wǎng)核心網(wǎng)、5G基站等相關(guān)產(chǎn)品時，應(yīng)考慮核心網(wǎng)側(cè)和無線接入側(cè)的安全應(yīng)用設(shè)計，以保障整個系統(tǒng)的安全性。

本文針對煤礦5G通信系統(tǒng)安全應(yīng)用需求，在核心網(wǎng)側(cè)研究專網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，以實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)場景的物理隔離，采用比例公平算法優(yōu)化切片組內(nèi)的RB(Resource Block，資源塊)分配，保障煤礦業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全可靠傳輸；在無線接入側(cè)，嚴(yán)格遵循GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備通用要求》進(jìn)行防爆和本安設(shè)計，保證射頻閾功率的安全性，杜絕由輻射能量滋生的安全隱患。

1 煤礦5G通信系統(tǒng)

煤礦5G通信系統(tǒng)主要包括專網(wǎng)核心網(wǎng)、核心交換機(jī)、5G交換機(jī)、基站控制器、5G基站、本安型網(wǎng)關(guān)、終端設(shè)備等[6-9]，如圖1所示。

系統(tǒng)采用分布式組網(wǎng)方式，在地面部署專網(wǎng)核心網(wǎng)、核心交換機(jī)等，基站控制器下沉到井下，專網(wǎng)核心網(wǎng)通過光纖環(huán)網(wǎng)與5G基站相連。光纖環(huán)網(wǎng)采用SPN(Slicing Packet Network，切片分組網(wǎng))技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)。煤礦工業(yè)控制過程中的終端設(shè)備，如智能通信終端、生產(chǎn)控制設(shè)備、傳感感知設(shè)備、監(jiān)測定位設(shè)備等，通過本安型網(wǎng)關(guān)(具有5G通信模組)接入5G通信系統(tǒng)。

圖1 煤礦5G通信系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of coal mine 5G communication system

《煤礦5G通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求(試行)》和《煤礦5G通信系統(tǒng)安全標(biāo)志管理方案(試行)》明確指出，5G通信系統(tǒng)在外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障或斷開時，應(yīng)能安全、獨立、穩(wěn)定運行，保證無線通信及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

2 煤礦5G專網(wǎng)核心網(wǎng)安全設(shè)計

2.1 總體方案

根據(jù)煤礦5G通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求，進(jìn)行煤礦5G專網(wǎng)核心網(wǎng)的安全應(yīng)用設(shè)計。專網(wǎng)核心網(wǎng)采用SA(Standalone，獨立組網(wǎng))架構(gòu)，控制面集中部署在煤礦企業(yè)集團(tuán)，用戶面部署在各個礦區(qū)，如圖2所示。

圖2 煤礦5G專網(wǎng)核心網(wǎng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of private network of coal mine 5G core network

專網(wǎng)核心網(wǎng)采用3GPP(3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴計劃)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)化架構(gòu)，在控制面進(jìn)行功能重構(gòu)和融合，將控制面主要功能分解為多個獨立的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)單元，包括NSSF(Network Slice Selection Function，網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能)、AMF(Authentication Management Function，認(rèn)證管理功能)、SMF(Session Management Function，會話管理功能)、UDM(Unified Data Management，統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理)、PCF(Policy Control Function，策略控制功能)、AUSF(Authentication Server Function，鑒權(quán)服務(wù)器功能)、NRF(NF Repository Function，網(wǎng)元存儲功能)等。用戶面主要為UPF(User Plane Function,用戶面功能)單元。每個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)單元對外提供服務(wù)化接口，不同的調(diào)用者可通過同一接口消費服務(wù)。同時這些獨立的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)單元可根據(jù)煤礦不同業(yè)務(wù)需求任意組合和編排，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)切片最優(yōu)業(yè)務(wù)承載效果和最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)效率。

專網(wǎng)核心網(wǎng)安全策略包括NFV(Network Function Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)、SDN(Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò))、安全域隔離、切片等，利用NFV實現(xiàn)軟硬件的解耦，利用SDN實現(xiàn)控制和轉(zhuǎn)發(fā)的解耦，通過切片實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的靈活性和高效性，且憑借數(shù)據(jù)不出園區(qū)的獨特優(yōu)勢，實現(xiàn)了良好的網(wǎng)絡(luò)安全性能。本文主要針對切片技術(shù)展開研究。

2.2 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

5G通信網(wǎng)絡(luò)通過切片技術(shù)為不同垂直行業(yè)提供相互隔離的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，滿足不同業(yè)務(wù)場景對網(wǎng)絡(luò)能力的差異化需求。煤礦5G專網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流向如圖3所示。井下5G終端設(shè)備連接5G基站，通過承載網(wǎng)中的核心交換機(jī)將終端數(shù)據(jù)分流到煤礦企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)業(yè)務(wù)流的本地閉環(huán)[10-11]，保障內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全性。

圖3 煤礦5G專網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流向Fig.3 Business data flow of coal mine 5G private network

在煤礦業(yè)務(wù)流中引入網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，實現(xiàn)一張網(wǎng)絡(luò)同時支持多種類型的業(yè)務(wù)場景，同時保障井下特定資源的優(yōu)先權(quán)。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)針對井下不同業(yè)務(wù)類型數(shù)據(jù)(智能通信終端數(shù)據(jù)、生產(chǎn)控制設(shè)備數(shù)據(jù)、傳感感知設(shè)備數(shù)據(jù)、監(jiān)測定位設(shè)備數(shù)據(jù)等)進(jìn)行分類，各業(yè)務(wù)優(yōu)先級不同，對應(yīng)的傳輸速率、帶寬、時延等指標(biāo)也不同。為保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可靠傳輸，通過比例公平算法實現(xiàn)無線空口資源調(diào)度分配，采用RB為網(wǎng)絡(luò)切片資源業(yè)務(wù)提供優(yōu)先傳輸。

RB是空口資源分配的最小單位。在每個調(diào)度周期內(nèi)，采用比例公平算法進(jìn)行切片資源調(diào)度時，將業(yè)務(wù)的特性指標(biāo)作為優(yōu)先級度量因子。業(yè)務(wù)i在t時刻的優(yōu)先級為

(1)

式中：N為業(yè)務(wù)類別數(shù)；xi，yi，zi分別為傳輸速率、傳輸帶寬、傳輸時延權(quán)重，xi+yi+zi=1；ri(t)為業(yè)務(wù)i在t時刻的傳輸速率；Ri(t)為業(yè)務(wù)i在t時刻之前的平均傳輸速率；di(t)為業(yè)務(wù)i在t時刻的傳輸帶寬；ηi為業(yè)務(wù)i等候時延與時延門限的最大比值；λi為業(yè)務(wù)i數(shù)據(jù)包最大等候時延。

3 礦用5G基站安全應(yīng)用設(shè)計

礦用5G基站的工作功率、射頻能量等指標(biāo)較4G技術(shù)有較大提升。5G基站在煤礦井下應(yīng)用需滿足GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備通用要求》第6.6.1條要求，即射頻總的閾功率須≤6 W。因此，在對礦用5G基站進(jìn)行防爆和本安設(shè)計基礎(chǔ)上，還需考慮射頻閾功率的安全性。

3.1 5G基站硬件方案

礦用5G基站采用5G NR(New Radio，新空口)技術(shù)規(guī)范，可實現(xiàn)煤礦多樣化高清視頻、語音通信功能，以及安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)[12]，是實現(xiàn)井上下通信一體化、有線與無線融合通信的前端無線組網(wǎng)設(shè)備。5G基站硬件組成如圖4所示。井下AC660，380，127 V電源經(jīng)變壓器、開關(guān)電源轉(zhuǎn)換對5G基站模塊供電?；灸K的輸入視在功率≤100 VA?；灸K具有2個射頻端口ATN1，ATN2，通過天線隔離板連接外置定向天線。

圖4 5G基站硬件組成Fig.4 Hardware composition of 5G base station

天線隔離板電路如圖5所示。隔離電容C1—C4選用22 pF/6 kV，為安全系數(shù)的1.5倍，符合GB 3836.4—2010對于數(shù)據(jù)傳輸能量<1 500 μJ的要求[13]。天線隔離板對基站射頻端口信號進(jìn)行安全隔離，并過濾高頻能量信號，將射頻能量由非安轉(zhuǎn)換為本安，實現(xiàn)5G基站輸出端的本安設(shè)計。

圖5 天線隔離板電路Fig.5 Antenna isolation board circuit

3.2 基站射頻閾功率

令基站天線前端發(fā)射功率為P，基站工作頻段的天線增益為G，則單路射頻端口理論發(fā)射閾功率為

p=P+G

(2)

基站模塊的射頻信號經(jīng)天線隔離板輸出，通過天線饋線接入外置天線。該過程將產(chǎn)生隔離電路損耗和天線饋線損耗，則考慮發(fā)射損耗的基站天線前端發(fā)射功率為

P′=P-L

(3)

式中L為發(fā)射損耗。

單路射頻端口實際發(fā)射閾功率為

p′=P+G-L

(4)

基站天線前端發(fā)射功率標(biāo)稱值為26 dBm，天線增益標(biāo)稱值為8 dBi，測量知發(fā)射損耗為2 dB，則天線前端實際發(fā)射功率為24 dBm，單路射頻端口實際發(fā)射閾功率為32 dBm，即1.6 W?；旧漕l閾功率為3.2 W，滿足射頻總的閾功率≤6 W要求。

采用5G頻譜分析儀測量基站天線前端發(fā)射功率。將射頻端口連接天線饋線，接入頻譜分析儀。參數(shù)設(shè)置：通道為1，頻寬為98.28 MHz，分辨率帶寬為100 kHz，視頻帶寬為1 MHz。測量結(jié)果如圖6所示?？煽闯鲈撏ǖ肋B接天線饋線后發(fā)射功率為24.01 dBm，與計算結(jié)果一致。

4 系統(tǒng)測試

4.1 系統(tǒng)部署

在礦區(qū)部署5G通信系統(tǒng)，實現(xiàn)井下主要場所的5G信號覆蓋。在地面部署專網(wǎng)核心網(wǎng)、核心交換機(jī)等設(shè)備，在井下綜采工作面、變電所、水泵房、避難硐室等場所部署4臺基站控制器、24臺5G基站、30部智能通信終端。井下采用5G基站+定向天線模式進(jìn)行覆蓋，對于平直巷道，按照覆蓋半徑100 m布設(shè)，天線朝向前后2個方向，如圖7(a)所示。對于巷道彎曲、轉(zhuǎn)彎、上下坡等特殊地點，在彎曲、轉(zhuǎn)彎、上下坡處放置1臺5G基站，根據(jù)信號覆蓋情況縮短覆蓋半徑，如圖7(b)所示。

(a) 平直巷道內(nèi)

(b) 特殊地點圖7 井下5G設(shè)備部署Fig.7 Layout of underground 5G equipment

4.2 測試結(jié)果

測試期間，將智能通信終端連接網(wǎng)絡(luò)檢測軟件Cellular-Z，確保終端處于5G基站所在小區(qū)內(nèi)覆蓋好點，測試信號強(qiáng)度、上傳速率、通信時延、用戶業(yè)務(wù)性能等指標(biāo)[14-15]。

為保證可靠通信，基站信號強(qiáng)度應(yīng)不低于-100 dB。測試信號強(qiáng)度時，測試人員沿巷道向遠(yuǎn)離基站方向行走。在不同距離下測試5次求平均值，結(jié)果見表1?？煽闯鼋K端與基站之間的距離從0增大到100 m時，基站信號強(qiáng)度由-75 dB減小至-98 dB，滿足信號強(qiáng)度不低于-100 dB的要求。

表1 信號強(qiáng)度測試結(jié)果Table 1 Test results of signal strength

為保證系統(tǒng)增強(qiáng)移動寬帶特性，滿足井下大帶寬數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入需求，基站上傳速率應(yīng)不低于最大上傳速率的60%。采用測試5次求平均值的方法測試5G基站上傳速率，結(jié)果如圖8所示?？煽闯鼋K端與基站之間距離從0增大到100 m過程中，上傳速率最大值為850 Mbit/s，之后隨著距離增加，上傳速率逐步衰減，在100 m處為520 Mbit/s，為最大值的61.2%，滿足基站上傳速率不低于最大上傳速率60%的要求。

圖8 5G基站上傳速率測試結(jié)果Fig.8 Test results of 5G base station upload rate

通信時延測試結(jié)果如圖9所示?；綪ING命令時延最大值為22 ms，抖動2 ms；最小值為16 ms，抖動0。多次測試后取平均值，得通信時延為18.56 ms，滿足智能礦山數(shù)據(jù)傳輸?shù)蜁r延需求。

(a) 最小時延 (b) 最大時延圖9 通信時延測試結(jié)果Fig.9 Test results of communication time delay

測試用戶業(yè)務(wù)性能時，分別對有無切片資源調(diào)度情況下的用戶滿意度(滿意用戶個數(shù)與接入用戶個數(shù)比值)進(jìn)行對比分析。設(shè)置井下小區(qū)內(nèi)的接入用戶個數(shù)為40，80，120，160，200，測試結(jié)果如圖10所示?？煽闯鰺o切片資源調(diào)度情況下，用戶個數(shù)由40增加到200時，用戶滿意度由87.5%降至36%；有切片資源調(diào)度情況下，用戶個數(shù)由40增加到200時，用戶滿意度由92.5%降至55%，用戶個數(shù)為200時用戶滿意度較無切片資源調(diào)度時提高52.8%。

圖10 用戶滿意度測試結(jié)果Fig.10 Test results of user satisfaction

5 結(jié)語

通過研究煤礦5G專網(wǎng)核心網(wǎng)和5G基站安全應(yīng)用技術(shù)，形成了礦用5G核心網(wǎng)和5G基站等產(chǎn)品，可接入多種煤礦井下終端設(shè)備。測試結(jié)果表明，基于本文專網(wǎng)核心網(wǎng)和5G基站安全應(yīng)用設(shè)計的煤礦5G通信系統(tǒng)在信號強(qiáng)度、上傳速率、通信時延、用戶業(yè)務(wù)性能等方面均滿足煤礦業(yè)務(wù)對5G通信的需求，實現(xiàn)了井下多并發(fā)、大容量、高速率和低時延無線通信，為智能礦山建設(shè)提供了穩(wěn)定可靠的通信保障。