面向煤礦智能化的5G 關(guān)鍵技術(shù)研究

胡亞輝，趙國瑞，吳群英

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院，北京 100013；4. 陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司， 陜西榆林 719000）

0 引 言

近些年，煤礦智能化在我國煤炭生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展發(fā)面已體現(xiàn)出了巨大的技術(shù)保障能力，成為煤炭工業(yè)科技發(fā)展的重要方向［1-4］。 在煤礦智能化進(jìn)程中，第五代移動(dòng)通信技術(shù)（the 5th Generation Commu?nication，5G）融合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)成為煤礦智能化的有效推動(dòng)力，已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛共識(shí)［5-7］。 隨著國家發(fā)改委和國家能源局等八部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》［8］的通知以及工信部印發(fā)《關(guān)于推動(dòng)5G 加快發(fā)展的通知》［9］，融合5G 等新一代信息技術(shù)推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)進(jìn)一步獲得學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界以及政府的高度重視［10-12］。 然而，井下的無線傳播環(huán)境、煤礦開采的具體業(yè)務(wù)需求不明導(dǎo)致無法直接將5G 通信系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦智能化開采之中，需要進(jìn)一步研究5G 適應(yīng)性技術(shù)以滿足煤礦智能化開采的無線通信與信息處理需求［13-14］。針對(duì)上述問題，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)從關(guān)鍵技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)化制定、實(shí)驗(yàn)室及網(wǎng)絡(luò)試點(diǎn)建設(shè)等各方面開展了積極的研發(fā)工作［15-16］。 然而，目前的研發(fā)及試點(diǎn)建設(shè)尚處起步階段，面向煤礦特定場景的針對(duì)性研究依然欠缺，對(duì)于煤礦智能化水平的提升有限。

鑒于此，為進(jìn)一步探討5G 在煤礦智能化應(yīng)用中的適應(yīng)性，研究總結(jié)了5G 關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展情況；闡述了煤礦5G 的關(guān)鍵技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)化制定、設(shè)備研發(fā)及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)狀；面向煤礦智能化的特定應(yīng)用場景，從網(wǎng)絡(luò)部署、業(yè)務(wù)應(yīng)用的角度，研究了5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)切片以及移動(dòng)邊緣計(jì)算3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)；最后，對(duì)面向煤礦智能化的5G 技術(shù)未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 5G 技術(shù)特點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展情況

與4G 相比，5G 期望在峰值數(shù)據(jù)速率、連接密度、時(shí)延、移動(dòng)性支持以及單位面積可支持?jǐn)?shù)據(jù)速率方面均有10 倍以上的提升。 這些能力的提升主要依賴無線空口及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的突破性變革。 空口技術(shù)包含高頻通信、大規(guī)模天線陣列以及短時(shí)域調(diào)度等，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要包含網(wǎng)絡(luò)切片與邊緣計(jì)算等。 上述技術(shù)特征已經(jīng)得到了全面的闡述，有必要進(jìn)一步從對(duì)垂直行業(yè)融合的角度，闡述5G 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展情況，厘清其對(duì)垂直行業(yè)的支撐度。

5G 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展及對(duì)垂直行業(yè)支撐能力如圖1所示，早在2014 年5 月，我國標(biāo)準(zhǔn)化組織IMT—2020 在《5G 愿景與需求白皮書》［17］中第一次由個(gè)人通信轉(zhuǎn)向了行業(yè)應(yīng)用，定義了5G 所面臨的場景，包含超高帶寬視頻業(yè)務(wù)通信、超低延遲通信和海量物聯(lián)網(wǎng)通信三大類應(yīng)用場景。 2017 年，5G 的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化版本3GPP R15 主要滿足了商用初期個(gè)人和行業(yè)的迫切需求，重點(diǎn)關(guān)注增強(qiáng)移動(dòng)寬帶通信（enhanced Mobile Broadband）和簡化的低延遲高可 靠 通 信 （ Ultra Reliable Low Latency Communication， URLLC）場景，尚未針對(duì)海量物聯(lián)網(wǎng)通信（massive Machine Type Communication， mMTC）場景制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 其中增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶主要針對(duì)超高清視頻、VR／AR 等大帶寬個(gè)人通信場景，而垂直行業(yè)通常面臨的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制等低時(shí)延高可靠以及大量的傳感器節(jié)點(diǎn)采集類應(yīng)用尚未得到支持。2020 年7 月3 日，5G 的第一個(gè)完整標(biāo)準(zhǔn)版3GPP R16 凍結(jié)，這也意味著5G 能夠全面支持eMBB、URLLC 和mMTC。 同時(shí)，3GPP R17 版本的制定工作也正式啟動(dòng)，預(yù)計(jì)凍結(jié)時(shí)間為2022 年6 月。 該版本主要是面向垂直行業(yè)應(yīng)用進(jìn)一步進(jìn)行能力提升，如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)增強(qiáng)、空口增強(qiáng)和空天一體化通信等。

圖1 5G 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展及對(duì)垂直行業(yè)的支撐能力Fig.1 5G standardization progress and supporting capability for vertical industry

由上述5G 技術(shù)發(fā)展特征可知，目前5G 商用設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)主要是基于R15 版本，尚不能很好支持URLLC 和mMTC 的應(yīng)用，因此對(duì)煤礦智能化的支持能力尚有不足。 但隨著R16 版本的凍結(jié)和R17 版本的持續(xù)演進(jìn)，5G 商用網(wǎng)絡(luò)將能全面滿足煤礦智能化的泛在無線接入與信息高效傳輸要求。

2 煤礦5G 技術(shù)研究及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)狀

如上所述，在國家政策的助力下，各運(yùn)營商、煤礦企業(yè)、煤礦科研院所及高校均已積極開展面向煤礦智能化的5G 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究、推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化制定、創(chuàng)立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，并建設(shè)網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)應(yīng)用試點(diǎn)。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

面向煤礦智能化的5G 關(guān)鍵技術(shù)研究，主要集中于分析煤礦應(yīng)用5G 技術(shù)的必要性及可能的應(yīng)用場景。 文獻(xiàn)［5］比較了5G 和WiFi6 的各自技術(shù)特點(diǎn)，并得出結(jié)論5G 和WiFi6 用于煤礦通信各有優(yōu)缺點(diǎn)，5G 通信質(zhì)量有保證但成本高， WiFi6 成本低但通信質(zhì)量無法得到保證。 文獻(xiàn)［6-7］進(jìn)一步論證了5G 用于井下通信的可行性，并總結(jié)了基于5G 的煤礦智能化應(yīng)用場景。 文獻(xiàn)［15］提出了一種5G 礦井通信架構(gòu)，采用Pico RRU（Remote Radio Unit，射頻拉遠(yuǎn)單元）覆蓋井下巷道，采用AAU（Active An?tenna Unit，有源天線單元）完成地面覆蓋。 該架構(gòu)為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的基站選型和組網(wǎng)方式提供了一種有價(jià)值的參考，但該架構(gòu)缺乏無線頻段選擇、核心網(wǎng)建網(wǎng)等方案。 文獻(xiàn)［16］主要研究并測試了700 MHz 頻譜在煤礦井下的無線傳播特性，并從無線傳播特性的角度指出700 MHz 更適合井下通信。 該工作為煤礦5G 無線頻譜選擇提供了具體的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化制定進(jìn)展

在煤礦5G 標(biāo)準(zhǔn)制定方面，2020 年6 月17 日，由安標(biāo)國家中心發(fā)布了《煤礦5G 通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求（試行）》《煤礦5G 通信系統(tǒng)安全標(biāo)志管理方案（試行）》兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了5G 系統(tǒng)的組網(wǎng)運(yùn)行、技術(shù)性能、安全防爆和電磁兼容的特性，以及煤礦5G 系統(tǒng)檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)所應(yīng)具備的能力。 此外，中國煤炭科工集團(tuán)也正在著手制定《煤礦5G 高速傳輸技術(shù)要求》的國家標(biāo)準(zhǔn)。 2021 年，國家能源局立項(xiàng)了一系列煤礦5G 標(biāo)準(zhǔn)，包括《煤礦5G 通信系統(tǒng)的通用技術(shù)條件》、《煤礦用5G 通信基站》、《煤礦用5G 通信基站控制器》以及《煤礦5G 通信系統(tǒng)用通信終端》。 此外，中國煤炭學(xué)會(huì)也立項(xiàng)了《煤礦5G通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入通用技術(shù)條件》。

2.3 煤礦5G 技術(shù)科研組織成立現(xiàn)狀

目前，面向煤礦智能化的5G 實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)立，主要是中國聯(lián)通在推動(dòng)。 2019 年8 月20 日，山東聯(lián)通、山東兗礦集團(tuán)及中興通信合作成立了5G+智慧礦業(yè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。 2019 年11 月14 日，中國聯(lián)通、中國煤炭科工集團(tuán)以及中國礦業(yè)大學(xué)（北京）組建了地下空間5G 技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。

產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的成立，主要是中國移動(dòng)在推動(dòng)。2019 年9 月6 日，中國移動(dòng)、山西陽煤集團(tuán)與華為公司作為合作成立了5G 通信煤炭產(chǎn)業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新聯(lián)盟。 2020 年6 月18 日，中國移動(dòng)聯(lián)合清華大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)（北京）、陽煤集團(tuán)、中國煤炭科工集團(tuán)、華為公司等70 多家單位成立了5G 智慧礦山聯(lián)盟。

2.4 煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)狀

在煤礦5G 試點(diǎn)應(yīng)用與項(xiàng)目落地方面，進(jìn)展速度相對(duì)更快。 2019 年，5G 商用牌照頒發(fā)不久，各大煤礦集團(tuán)就相繼開通了5G 網(wǎng)絡(luò)。 此外，煤礦無人駕駛車、高清視頻傳輸、井下智能巡檢等也成為5G在推動(dòng)礦山智能化中的典型示范應(yīng)用。 然而，目前的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和試點(diǎn)示范仍然處于試驗(yàn)階段，對(duì)5G所能支持的三大場景尚未全面落地，且現(xiàn)有試點(diǎn)應(yīng)用離業(yè)界所構(gòu)想的煤炭智能化應(yīng)用仍然有很大的差距。

因此，5G 在煤礦的應(yīng)用還屬于試點(diǎn)和試驗(yàn)階段，業(yè)界主要精力也投入在5G 試點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)上面，對(duì)煤礦5G 在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署的優(yōu)化、針對(duì)煤礦智能化特定業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片以及移動(dòng)邊緣計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)的研究并不充分。

3 煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署

煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)需要同時(shí)覆蓋地面和井下2 個(gè)不同的使用環(huán)境。 煤礦地面環(huán)境與普通地面環(huán)境差異性不大，但井下環(huán)境需同時(shí)考慮無線通信設(shè)備的安全防爆要求和無線電磁波的井下傳輸特性。 首先，井下傳播空間通常比較狹長且存在多分支；其次，巷道壁對(duì)無線電波易產(chǎn)生吸收或干擾；再次，井下的各種設(shè)備布設(shè)復(fù)雜，且大多數(shù)都需要供電，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)磁干擾；最后，開采環(huán)境存在比較多的粉塵，對(duì)毫米波傳輸損耗影響較大。

綜上，煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署與普通5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃存在著很大的不同，既要考慮這2 種使用環(huán)境下的不同無線覆蓋、無線傳輸特性、業(yè)務(wù)類型和安全可靠等方面的差異性要求，還應(yīng)遵循“泛在感知一體化網(wǎng)絡(luò)”的煤礦智能化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求。 因此，“統(tǒng)一規(guī)劃、安全經(jīng)濟(jì)、全面覆蓋、精細(xì)設(shè)計(jì)”理應(yīng)成為煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃部署原則。 在此原則下，從無線頻段選擇、無線基站選型、組網(wǎng)方式以及核心網(wǎng)建設(shè)4 個(gè)方面闡述了煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃核心要點(diǎn)。

3.1 無線頻段選擇

2019 年6 月6 日，工信部向中國移動(dòng)、中國聯(lián)通、中國電信三大運(yùn)營商及廣電網(wǎng)絡(luò)頒發(fā)了5G 商用牌照。 各運(yùn)營商獲得的5G 頻段各不相同，中國移動(dòng)獲得了2.515～2.675 GHz 和4.8 ～4.9 GHz 兩個(gè)頻段，中國電信獲得了3.4～3.5 GHz 頻段，中國聯(lián)通獲得了3.5 ～3.6 GHz 頻段，廣電網(wǎng)絡(luò)獲得的是700 MHz頻段。 2020 年2 月10 日，工信部又向中國聯(lián)通、中國電信及廣電網(wǎng)絡(luò)頒發(fā)了5G 室內(nèi)運(yùn)營牌照，并規(guī)定3 家運(yùn)營商在全國范圍共同使用3.3 ～3.4 GHz頻段，用于進(jìn)行5G 室內(nèi)覆蓋。

從上述頻段分析來看，目前我國的商用5G 頻段主要集中于Sub-1G 和Sub-6G。 其中， Sub-1G主要是廣電網(wǎng)絡(luò)的700 MHz 頻段，該頻段很顯然單基站覆蓋范圍比Sub-6G 的范圍廣，這也意味著煤礦井上覆蓋采用700 MHz 頻段會(huì)帶來更低的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。 此外，實(shí)際測試結(jié)果表明，700 MHz 在井下的傳播距離、繞射能力等無線傳播特性也好于Sub-6GHz。 然而，另一方面，考慮到煤礦無線通信除了滿足煤礦生產(chǎn)需求以外，還需要滿足煤礦員工的個(gè)人通信需求，廣電網(wǎng)絡(luò)在5G 個(gè)人通信方面相對(duì)于其他運(yùn)營商有比較大的差距。 因此，在進(jìn)行煤礦5G 無線頻段及合作運(yùn)營商選擇方面仍需要進(jìn)行綜合考慮。

除上述授權(quán)無線頻段可用以外，利用無線非授權(quán)頻段進(jìn)行煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)也值得關(guān)注。 最近3GPP 凍結(jié)的R16 版本中將5G 所能使用的無線頻譜擴(kuò)展到了非授權(quán)頻段，其關(guān)鍵技術(shù)就是5G NRU（New Radio Unlicensed）技術(shù)。 很顯然，5G NR-U技術(shù)能夠利用非授權(quán)頻譜建設(shè)5G 無線專用網(wǎng)絡(luò)，其建網(wǎng)成本和使用成本比授權(quán)頻段更為經(jīng)濟(jì)有效。

3.2 無線基站選型

5G 基站種類與形式并不單一，除了宏基站以外，還有微基站、皮基站以及飛基站。 微基站、皮基站和飛基站的具體設(shè)備形態(tài)又分為分布式和一體化兩種。 宏基站發(fā)射功率較大，覆蓋范圍也比較大，因此適合于需要大面積覆蓋的場景。 相比宏基站，微基站、皮基站以及飛基站體積更小、部署方便、選址靈活，通常作為宏基站的補(bǔ)充進(jìn)行無線覆蓋增強(qiáng)和熱點(diǎn)區(qū)域業(yè)務(wù)流量提升。 通常，在如下場景中，亦可以采用微基站進(jìn)行無線覆蓋：①宏基站建設(shè)有難度的待覆蓋區(qū)域，比如建站困難或者空間受限的地方；②較小的室外覆蓋區(qū)域；③對(duì)無線傳輸帶寬有較大要求的辦公區(qū)或者居民區(qū)；④需要進(jìn)行深度覆蓋的區(qū)域。 由于煤礦地面和井下兩種不同的使用環(huán)境，因此煤礦5G 無線基站需要根據(jù)這兩種不同的使用環(huán)境分別進(jìn)行選型。

1）地面井上無線基站選型。 地面的煤礦5G 無線基站選型主要以宏基站為主，同時(shí)在某些需要補(bǔ)強(qiáng)或者增加流量的地方選擇微基站進(jìn)行補(bǔ)充。 對(duì)于連片的住宅區(qū)、生產(chǎn)區(qū)和辦公區(qū)，通常選擇分布式微基站減少鄰區(qū)之間的切換次數(shù)，提升通信質(zhì)量。 而對(duì)于獨(dú)立的幾棟樓或者需要進(jìn)行深度覆蓋的小面積區(qū)域，可以選擇一體化微基站，以節(jié)約成本、方便后續(xù)運(yùn)維管理。

2）井下無線基站選型。 與地面進(jìn)行對(duì)比，煤礦5G 更適合采用微基站進(jìn)行部署。 主要出于以下3點(diǎn)原因：①5G 井下空間狹小，且采掘運(yùn)等設(shè)備布設(shè)復(fù)雜，更適合采用尺寸較小的無線基站；②井下對(duì)無線基站的電磁干擾和安全防護(hù)要求比較高，更適合采用發(fā)射功率較小的微基站；③井下存在巷道起伏、彎曲以及拐彎等地形，容易造成無線覆蓋盲區(qū)，可以采用微基站進(jìn)行補(bǔ)盲或者補(bǔ)弱。

在進(jìn)行一體化或者分布式微基站選型方面，同樣需要進(jìn)一步細(xì)化部署場景和選型方案。 例如，對(duì)于需要固定基站位置的場景，比如主巷道，可以選擇分布式微基站進(jìn)行部署；對(duì)于需要定期進(jìn)行地點(diǎn)更換的綜采工作面，則更適合部署一體化微基站，方便后續(xù)的設(shè)備搬遷，以降低建網(wǎng)成本。 微基站的架設(shè)地點(diǎn)以及數(shù)量，需根據(jù)實(shí)際的布設(shè)環(huán)境、業(yè)務(wù)需求進(jìn)一步進(jìn)行無線優(yōu)化。

3.3 組網(wǎng)方式

5G 空口的組網(wǎng)方式有2 種，即SA（Standalone，獨(dú)立組網(wǎng)方式）和NSA（Non-Standalone，非獨(dú)立組網(wǎng)方式）。 SA 方式也就是5G 與4G 通信系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，自身組成包含基站與核心網(wǎng)的通信系統(tǒng)，與4G 網(wǎng)絡(luò)之間采用跨核心網(wǎng)的互操作模式。 NSA方式中5G 網(wǎng)絡(luò)無法獨(dú)立完成通信，需要借助4G 基站進(jìn)行無線空中接口的信令傳輸，數(shù)據(jù)則可以通過5G 和4G 兩種空中接口進(jìn)行傳輸。 其中， NSA 有多種組網(wǎng)方式，早期部署中最具代表性的是3GPP 中的選項(xiàng)3x（NSA-3x）和選項(xiàng)7x（NSA-7x）兩種方式，其主要區(qū)別在于NSA-3x 無需建設(shè)5G 核心網(wǎng)，而NSA-7x 則需要建設(shè)5G 核心網(wǎng)。

SA 與NSA 兩種組網(wǎng)方式各有優(yōu)劣。 圖2 從業(yè)務(wù)能力、建網(wǎng)成本、終端能耗、設(shè)備選型以及智能礦山適應(yīng)性5 個(gè)維度對(duì)SA、NSA-3x 和NSA-7x 進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖2 SA、NSA-3x 和NSA-7x 組網(wǎng)對(duì)比分析Fig.2 SA， NSA-3x and NSA-7x networking comparison

從業(yè)務(wù)能力角度分析， SA 滿足所有的煤礦智能化應(yīng)用場景要求；NSA-7x 雖然建設(shè)了5G 核心網(wǎng)，但是其信令仍然依賴于4G 技術(shù)，因此對(duì)時(shí)延要求高的煤礦智能化業(yè)務(wù)場景無法支持；而NSA-3x僅支持eMBB 場景。 從建網(wǎng)成本角度分析， SA 方式需建設(shè)5G 基站和核心網(wǎng)，初期建網(wǎng)成本較高；NSA-7x 需建設(shè)5G 核心網(wǎng)和部分5G 基站，5G 基站主要作為4G 基站的無線覆蓋增強(qiáng)，初期建網(wǎng)成本中等；NSA-3x 只需要建設(shè)部分5G 基站作為4G 基站的無線覆蓋增強(qiáng)，無需建設(shè)5G 核心網(wǎng)，所以初期建網(wǎng)成本最低。 然而，從NSA 最終必然要演進(jìn)到SA 方式， NSA-3x 和NSA-7x 后期會(huì)存在大量的4G 網(wǎng)絡(luò)改造費(fèi)用，最終總成本會(huì)高于SA 方式。 從終端能耗的角度分析， SA 組網(wǎng)方式下，終端只需要與5G 基站建立連接，終端能耗最低；而NSA-3x 和NSA-7x 需同時(shí)與4G、5G 基站建立無線連接，功耗較高。 因此，對(duì)于終端能耗要求比較嚴(yán)格的無線傳感器監(jiān)測類應(yīng)用， SA 的組網(wǎng)方式要優(yōu)于NSA-3x和NSA-7x。 從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選型的角度分析， SA 不需要均來自于同一家廠商，而NSA 則必須來源于統(tǒng)一廠商，因此設(shè)備選型非常受限。

從對(duì)智能礦山的適應(yīng)性方面衡量， SA 的適應(yīng)性最好，而NSA 方式由于對(duì)智能礦山的業(yè)務(wù)支撐能力不夠、建網(wǎng)運(yùn)維成本高等問題，適應(yīng)性更差一些。

3.4 核心網(wǎng)建設(shè)及運(yùn)維管理方式

煤礦5G 核心網(wǎng)的建設(shè)方式分為2 種：①利用公網(wǎng)核心網(wǎng)，將煤礦5G 基站直接接入運(yùn)營商公網(wǎng)的核心網(wǎng)設(shè)備中；②自建核心網(wǎng)，所有無線基站接入自己的核心網(wǎng)中。 利用公網(wǎng)核心網(wǎng)的方案，在建設(shè)成本和后期運(yùn)維方面投入較少，但通信信令必須經(jīng)過運(yùn)營商核心網(wǎng)。 該方案的缺點(diǎn)是，一方面網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量不如自建核心網(wǎng)，且后期針對(duì)新興智能煤礦業(yè)務(wù)場景的擴(kuò)展性和支撐性更受限，另一方面也存在數(shù)據(jù)安全隱患。 自建核心網(wǎng)方案，能夠相對(duì)獨(dú)立組成一張區(qū)域范圍內(nèi)的煤礦5G 專網(wǎng)。 該專網(wǎng)可以通過核心網(wǎng)設(shè)備與5G 公網(wǎng)互聯(lián)互通。 同時(shí)可以加入網(wǎng)絡(luò)防護(hù)、隔離與交換設(shè)備，在保證與5G 公網(wǎng)互聯(lián)互通的同時(shí)，最大程度保障煤礦5G 專網(wǎng)安全。當(dāng)然，該方案也會(huì)產(chǎn)生額外的建設(shè)成本，但相比建設(shè)5G 基站的方案，成本預(yù)期較低。 綜上，煤礦5G 核心網(wǎng)的建設(shè)，需根據(jù)企業(yè)自身的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、服務(wù)質(zhì)量要求以及數(shù)據(jù)安全性要求3 個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。對(duì)于經(jīng)濟(jì)實(shí)力較強(qiáng)的煤礦企業(yè)，建議獨(dú)立建設(shè)核心網(wǎng)以便后期業(yè)務(wù)擴(kuò)容，同時(shí)也能有效保護(hù)煤礦企業(yè)的各類數(shù)據(jù)。

4 煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片的實(shí)質(zhì)就是利用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)物理設(shè)備根據(jù)時(shí)延、帶寬、可靠性、安全性等不同的業(yè)務(wù)場景服務(wù)需求切分出多個(gè)邏輯上的端到端網(wǎng)絡(luò)，以進(jìn)行各種不同業(yè)務(wù)的信息傳輸與交換。由此可見，對(duì)于業(yè)務(wù)場景的分析，是進(jìn)行煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)切片的前提，前期工作在這方面已經(jīng)有一些研究成果，但主要是從場景本身來分析，在此基礎(chǔ)上，需進(jìn)行場景內(nèi)的不同業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量要求細(xì)分，為煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)切片做準(zhǔn)備。 后續(xù)，將基于這些細(xì)分后的業(yè)務(wù)需求，分析5G 煤礦切片技術(shù)。

4.1 煤礦5G 應(yīng)用場景分析

1）智能工作面控制。 對(duì)智能工作面的協(xié)同遠(yuǎn)程控制，決定了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全。 因此，對(duì)5G無線網(wǎng)絡(luò)的上行生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及下行工作面控制數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延、可靠性有著極為苛刻的要求。 上行生產(chǎn)監(jiān)控類數(shù)據(jù)，目前主要是傳感數(shù)據(jù)，因此對(duì)時(shí)延有嚴(yán)格要求。 但若后期有視頻監(jiān)控類數(shù)據(jù)，則需要進(jìn)行工業(yè)圖像處理，對(duì)帶寬與時(shí)延均有一定的要求。

2）井下遠(yuǎn)程協(xié)同運(yùn)維。 未來井下裝備的維修工作可以通過專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)的方式來完成。 維修工人將現(xiàn)場采集的機(jī)器狀態(tài)等超高清視頻信息通過5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)端，利用虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，遠(yuǎn)程專家如臨現(xiàn)場，指導(dǎo)維修現(xiàn)場設(shè)備。 在此場景下，對(duì)帶寬的傳輸能力和時(shí)延均有較高要求。

3）井下安防和巡檢。 在井下巡檢和安防系統(tǒng)場景中，會(huì)有大量的傳感器通過5G 接入網(wǎng)絡(luò)，除了有對(duì)帶寬要求不高的瓦斯、風(fēng)速等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，也有高帶寬需求的視頻監(jiān)控類數(shù)據(jù)，同時(shí)還有人員定位等更新頻率較高的數(shù)據(jù)，同樣也需要多種切片融合處理，才能完成對(duì)該場景的支撐。 除了上述應(yīng)用場景以外，還存在很多其他可能的應(yīng)用場景，且每種場景具有相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service， QoS）要求，具體見表2。

表2 煤礦智能生產(chǎn)典型業(yè)務(wù)場景對(duì)無線傳輸網(wǎng)的要求［1］Table 2 Requirements for wireless transmission network in typical application scenarios of intelligent coal mine［1］

大多數(shù)場景都覆蓋了運(yùn)營商定義的eMBB、URLLC 以及mMTC 三個(gè)或者多個(gè)場景，因此面向煤礦智能化的5G 網(wǎng)絡(luò)切片需基于各業(yè)務(wù)的重要性程度、隔離性要求以及服務(wù)質(zhì)量要求等進(jìn)行定制。

4.2 煤礦5G 切片關(guān)鍵技術(shù)分析

在運(yùn)營商的切片實(shí)例中，通常對(duì)應(yīng)3 大類應(yīng)用場景，也即是eMMB、URLLC 和mMTC。 實(shí)際上，這種分類是針對(duì)所有垂直行業(yè)的大致場景分類。 在煤礦的實(shí)際應(yīng)用中，可以進(jìn)一步細(xì)分為生產(chǎn)控制、環(huán)境監(jiān)測、人員調(diào)度、遠(yuǎn)程運(yùn)維等多個(gè)場景，并明確每類應(yīng)用場景中所涉及到的各類具體業(yè)務(wù)，并將其轉(zhuǎn)換為服務(wù)等級(jí)（Service Level Agreement， SLA），也即是端到端的網(wǎng)絡(luò)切片要求，比如時(shí)延、容量、覆蓋安全性等等。 SLA 下發(fā)到5G 網(wǎng)絡(luò)切片管理實(shí)體中，完成該應(yīng)用場景的煤礦5G 網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例化。

當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)切片的粒度也不是越細(xì)越好，過細(xì)的切片一方面會(huì)在不進(jìn)行信息傳輸時(shí)占用大量的網(wǎng)絡(luò)資源，另外一方面會(huì)增加切片管理系統(tǒng)的負(fù)荷。 尤其是在當(dāng)前煤礦智能化應(yīng)用場景尚未定義完備的前期下，在網(wǎng)絡(luò)總體資源一定的情況下，亦需要為未來智能化業(yè)務(wù)預(yù)留一些網(wǎng)絡(luò)資源。 因此，面向煤礦智能化場景的5G 網(wǎng)絡(luò)切片既需要針對(duì)某些應(yīng)用場景進(jìn)行切片定制，也需要針對(duì)網(wǎng)絡(luò)利用率高或者SLA要求不高的場景提供公共網(wǎng)絡(luò)切片。

基于這一思想，給出了一個(gè)面向煤礦智能化的5G 網(wǎng)絡(luò)切片參考架構(gòu)，如圖3 所示。 在該架構(gòu)中，將網(wǎng)絡(luò)資源劃分為分為專用切片和公共切片。 每個(gè)切片包含組成5G 核心網(wǎng)的所有網(wǎng)元，包含策略控制功能（Policy Control Function， PCF）、接入和移動(dòng)管理功能（Access and Mobility Function， AMF）、用戶面管理功能（User Plane Function， UPF）、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能（Unified Data Management， UPF）、會(huì)話管理功能（Session Management Function， SMF）；此外，還包含移動(dòng)邊緣計(jì)算功能（Mobile Edge Compu?ting， MEC）。 專用切片擁有從無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)以及邊緣計(jì)算等一整套的虛擬5G 網(wǎng)元設(shè)備，主要服務(wù)對(duì)象是生產(chǎn)控制類等對(duì)QoS 有極其嚴(yán)苛要求的應(yīng)用場景。 公共切片的主要服務(wù)對(duì)象是對(duì)QoS要求有一定容忍度或者網(wǎng)絡(luò)資源利用率低的場景，比如遠(yuǎn)程協(xié)同運(yùn)維雖然對(duì)QoS 要求嚴(yán)格，但由于不經(jīng)常利用網(wǎng)絡(luò)，因此將其劃分到公共切片中，以提升網(wǎng)絡(luò)資源利用率。 值得注意的是，公共切片支持eMBB、URLLC 以及mMTC 三類切片，具體應(yīng)用場景則可以聯(lián)合使用這3 大類切片完成信息傳輸。

圖3 面向煤礦智能化的5G 網(wǎng)絡(luò)切片參考架構(gòu)Fig.3 5G network slicing reference architecture for intelligent coal mining

5 煤礦5G 移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)

移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing， MEC）通過在靠近終端用戶提供IT 服務(wù)環(huán)境和計(jì)算能力，將部分網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)下沉到靠近終端用戶的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，從而縮短網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延，助力5G 網(wǎng)絡(luò)提升用戶體驗(yàn)質(zhì)量［18］。 因此， MEC 目前已成為5G 網(wǎng)絡(luò)的必備基礎(chǔ)設(shè)施之一，且在車聯(lián)網(wǎng)等場景中得以廣泛應(yīng)用。然而，移動(dòng)邊緣計(jì)算從節(jié)點(diǎn)部署到關(guān)鍵技術(shù)都需要根據(jù)具體應(yīng)用場景進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，也即是現(xiàn)有的移動(dòng)邊緣計(jì)算方案并不能夠直接應(yīng)用于煤礦智能化。因此，將移動(dòng)邊緣計(jì)算應(yīng)用于煤礦智能化仍需進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，并研發(fā)適用的云邊協(xié)同、計(jì)算任務(wù)卸載與遷移等關(guān)鍵技術(shù)。

1）云邊協(xié)同。 “云+邊緣+端”的多層次智能架構(gòu)仍然適用于煤礦移動(dòng)邊緣計(jì)算［19］，移動(dòng)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)不僅僅是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，還包含終端設(shè)備，如采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等自動(dòng)化設(shè)備。 在“端”處采用深度學(xué)習(xí)等人工智能算法實(shí)現(xiàn)采礦及運(yùn)輸設(shè)備的單臺(tái)智能，在“邊緣”收集多臺(tái)設(shè)備的環(huán)境感知及運(yùn)行參數(shù)，對(duì)時(shí)延要求極其嚴(yán)格的緊急事件（比如生產(chǎn)遠(yuǎn)程控制等）進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)緊急設(shè)備托管，在“云”中通過采集“端”數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對(duì)智能算法進(jìn)行改進(jìn)，以促使單臺(tái)設(shè)備的智能化提升。

2）計(jì)算任務(wù)卸載與遷移。 計(jì)算卸載是指用戶終端設(shè)備將計(jì)算任務(wù)卸載到MEC 網(wǎng)絡(luò)中，主要解決設(shè)備在資源存儲(chǔ)、計(jì)算性能以及能效等方面的不足［20］。 計(jì)算卸載技術(shù)中，最為關(guān)鍵的是確定計(jì)算任務(wù)如何在云與端之間進(jìn)行切割。 計(jì)算遷移主要是指計(jì)算任務(wù)在不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行分配，這些節(jié)點(diǎn)可以是端節(jié)點(diǎn)，也可以是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。 計(jì)算卸載與遷移算法的關(guān)鍵就在于如何確定計(jì)算任務(wù)在用戶終端與邊緣服務(wù)器節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行合理切割，以最少的能耗或者帶寬需求，滿足業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求。 在煤礦場景下，需根據(jù)具體業(yè)務(wù)，決定在端、邊、云進(jìn)行分別處理的具體計(jì)算任務(wù)。 比如，對(duì)于高清視頻監(jiān)控類業(yè)務(wù)，可以首先在監(jiān)控?cái)z像頭處進(jìn)行畫面的初步處理，去掉一些重復(fù)的靜止畫面或者非異常畫面，只傳輸感興趣畫面。 上傳后的畫面可以在5G 基站處部署的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步壓縮處理，最后上傳到云端。

6 展 望

隨著煤礦智能化的進(jìn)展以及5G 技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的逐步適用，越來越多的應(yīng)用案例表明5G 技術(shù)能夠提升煤礦生產(chǎn)企業(yè)的信息化智能化水平。 然而，若要充分利用5G 加快推進(jìn)煤礦智能化進(jìn)程，需進(jìn)一步進(jìn)行應(yīng)用場景規(guī)劃，并面向特定場景進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)切片以及移動(dòng)邊緣計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)的探索。 此外，5G 技術(shù)也同時(shí)在不斷向前發(fā)展，最新凍結(jié)的3GPP R16 版本雖然對(duì)垂直行業(yè)的支撐進(jìn)行了業(yè)務(wù)增強(qiáng)，但在R17 版本中仍然在探索新的增強(qiáng)型技術(shù)，因此在面向煤礦智能化的5G 關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)過程中，理應(yīng)及時(shí)關(guān)注最新技術(shù)進(jìn)展情況，以經(jīng)濟(jì)有效的方式切實(shí)推動(dòng)煤礦智能化進(jìn)程。