5G通信技術應用于煤礦智能化開采中已成為目前各界的共識。然而,井下的無線傳播環境、煤礦開采的具體業務需求不明導致無法直接將5G通信系統應用于煤礦智能化開采之中,需要進一步研究5G適應性技術以滿足煤礦智能化開采的無線通信與信息處理需求。  
 
  近日,礦大(北京)、煤科總院以及陜煤陜北煤業的科研人員在系統介紹煤礦5G的關鍵技術研究、標準化制定、設備研發及網絡建設現狀的基礎上,從網絡部署、業務應用的角度,研究了5G網絡規劃、網絡切片以及移動邊緣計算三個關鍵技術,并對面向煤礦智能化的5G技術未來發展趨勢進行了展望。成果以《面向煤礦智能化的5G關鍵技術研究》為題在《煤炭科學技術》進行了網絡首發。  
 
  一、煤礦5G技術研究及網絡建設現狀  
 
  關鍵技術研究進展。面向煤礦智能化的5G關鍵技術研究方面,主要集中于分析煤礦應用5G技術的必要性及可能的應用場景。  
 
  標準化制定進展。在煤礦5G標準制定方面,2020年6月17日,由安標國家中心發布了《煤礦5G通信系統安全技術要求(試行)》及《煤礦5G通信系統安全標志管理方案(試行)》兩個標準,規定了5G系統的組網運行、技術性能、安全防爆和電磁兼容的特性,以及煤礦5G系統檢驗檢測機構所應具備的能力。此外,中國煤炭科工集團也正在著手制定《煤礦5G高速傳輸技術要求》的國家標準。  
 
  實驗室創立及產業聯盟成立現狀。目前,面向煤礦智能化的5G實驗室創立,主要是中國聯通在推動。2019年8月20日,山東聯通、山東兗礦集團及中興通訊合作成立了5G+智慧礦業聯合實驗室。2019年11月14日,中國聯通、中國煤炭科工集團以及中國礦業大學(北京)組建了地下空間5G技術創新應用聯合實驗室。產業聯盟的成立,主要是中國移動在推動。2019年9月6日,中國移動、山西陽煤集團與華為公司作為合作成立了5G通信煤炭產業應用創新聯盟。2020年6月18日,中國移動聯合清華大學、中國礦業大學(北京)、陽煤集團、中國煤炭科工集團、華為公司等70多家單位成立了5G智慧礦山聯盟。  
 
  煤礦5G網絡建設現狀。在煤礦5G試點應用與項目落地方面,進展速度相對更快。2019年,5G商用牌照頒發不久,各大煤礦集團就相繼開通了5G網絡。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在推動礦山智能化中的典型示范應用。然而,目前的網絡建設和試點示范仍然處于實驗階段,對5G所能支持的三大場景尚未全面落地,且現有試點應用離業界所構想的煤炭智能化應用仍然有很大的差距。
 
  二、煤礦5G關鍵技術
 
  (一)煤礦5G網絡規劃部署
 
  煤礦5G網絡需要同時覆蓋地面和井下兩個不同的使用環境。煤礦地面環境與普通地面環境差異性不大,但井下環境需同時考慮無線通信設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,巷道壁對無線電波易產生吸收或干擾;再次,井下的各種設備布設復雜,且大多數都需要供電,會產生強磁干擾;最后,開采環境存在比較多的粉塵,對毫米波傳輸損耗影響較大。  
 
  綜上,煤礦5G網絡規劃部署與普通5G網絡規劃存在著很大的不同,既要考慮這兩種使用環境下的不同無線覆蓋、無線傳輸特性、業務類型和安全可靠等方面的差異性要求,還應遵循“泛在感知一體化網絡”的煤礦智能化網絡建設需求。
 
 
  因此,“統一規劃、安全經濟、全面覆蓋、精細設計”理應成為煤礦5G網絡的規劃部署原則。在此原則下,研究人員分別從無線頻段選擇、無線基站選型、組網方式以及核心網建設四個方面闡述了煤礦5G網絡規劃核心要點。
 
  (二)煤礦5G網絡切片技術  
 
  網絡切片的實質就是利用網絡虛擬化技術將網絡基礎物理設備,根據時延、帶寬、可靠性、安全性等不同的業務場景服務需求,切分出多個邏輯上的端到端網絡,以進行各種不同業務的信息傳輸與交換。  
 
  由此可見,對于業務場景的分析,是進行煤礦5G網絡切片的前提。研究人員重點介紹了智能工作面控制、井下遠程協同運維、井下安防和巡檢等應用場景中對5G網絡服務的需求。  
 
  研究指出,網絡切片的粒度并不是越細越好,過細的切片一方面會在不進行信息傳輸時占用大量的網絡資源,另外一方面會增加切片管理系統的負荷。尤其是在當前煤礦智能化應用場景尚未定義完備的前期下,在網絡總體資源一定的情況下,亦需要為未來智能化業務預留一些網絡資源。
 
因此,面向煤礦智能化場景的5G網絡切片既需要針對某些應用場景進行切片定制,也需要針對網絡利用率高或者SLA要求不高的場景提供公共網絡切片。
 
 
 
  面向煤礦智能化的5G網絡切片參考架構,將網絡資源劃分為分為專用切片和共用切片。每個切片包含組成5G核心網的所有網元,包含策略控制功能)、接入和移動管理功能、用戶面管理功能、統一數據管理功能、會話管理功能;此外,還包含移動邊緣計算功能。  
 
  專用切片擁有從無線接入網、核心網以及邊緣計算等一整套的虛擬5G網元設備,主要服務對象是生產控制類等對QoS有極其嚴苛要求的應用場景。  
 
  公用切片的主要服務對象是對QoS要求有一定容忍度或者網絡資源利用率低的場景,比如遠程協同運維雖然對QoS要求嚴格,但由于不經常利用網絡,因此將其劃分到公用切片中,以提升網絡資源利用率。值得注意的是,公用切片支持eMBB、URLLC以及mMTC三類切片,具體應用場景則可以聯合使用這三大類切片完成信息傳輸。  
 
  (三)煤礦5G移動邊緣計算技術  
 
  移動邊緣計算(Mobile Edge Computing,MEC)通過在靠近終端用戶提供IT服務環境和計算能力,將部分網絡業務下沉到靠近終端用戶的移動節點,從而縮短網絡傳輸時延,助力5G網絡提升用戶體驗質量。因此,MEC目前已成為5G網絡的必備基礎設施之一,且在車聯網等場景中得以廣泛應用。然而,移動邊緣計算從節點部署到關鍵技術都需要根據具體應用場景進行方案設計,也即是現有的移動邊緣計算方案并不能夠直接應用于煤礦智能化應用中。因此,將移動邊緣計算應用于煤礦智能化仍需進行架構設計,并研發適用的云邊協同、計算任務卸載與遷移等關鍵技術。  
 
  三、前景展望  
 
  隨著煤礦智能化的進展以及5G技術在煤礦領域的逐步適用,越來越多的應用案例表明5G技術能夠提升煤礦生產企業的信息化智能化水平。然而,若要充分利用5G加快推進煤礦智能化進程,需進一步進行應用場景規劃,并面向特定場景進行5G網絡規劃、網絡切片以及移動邊緣計算等關鍵技術的探索。
 
  此外,5G技術也同時在不斷向前發展,最新凍結的3GPP R16版本雖然對垂直行業的支撐進行了業務增強,但在R17版本中仍然在探索新的增強型技術,因此在面向煤礦智能化的5G關鍵技術研發過程中,理應及時關注最新技術進展情況,以經濟有效的方式切實推動煤礦智能化進程。