青龙煤矿5G专网研究与设计
时间：2023-02-15 来源：中国煤炭杂志官网 分享：青龙煤矿5G专网研究与设计
贵州省地质条件较为复杂，煤矿智能化建设[1]难度较高。青龙煤矿是国家首批智能化示范建设矿井，属于贵州省4个智能示范煤矿之一。2021年10月，青龙煤矿承担了贵州省科学技术厅《井下5G应用研究及示范》重点项目，该项目主要完成青龙煤矿5G专网[2]基础设施建设，一是研究青龙煤矿5G专网语音通信技术，形成5G专网与外网的语音通信方法，满足煤矿员工专网内和专网外语音通话的需要；二是研究青龙煤矿5G专网数据传输技术、形成5G专网与公网数据传输的组网方法，满足企业内部专网与公网的数据互通；三是研究青龙煤矿有线无线一网承载技术，形成青龙煤矿工业互联“一张网”的建设方法，实现矿井内5G无线网、信息网、控制网、办公网等各种系统一网承载，既要满足5G专网基本的语音数据传输要求，又要满足煤矿5G+高清视频监控、5G+AI图像识别分析[3]、5G+巡检机器人[4]等智能应用，为青龙煤矿井下运输巷、综采工作面、地面广场、选煤厂等应用场所提供低时延、高可靠、高带宽的无线接入。
1 青龙煤矿5G专网组成
青龙煤矿5G专网主要由井上和井下两部分组成。井上主要由地面5G基站、5G核心网[5]服务器、万兆交换机、地面50 Gbps环网交换机[6]、时钟服务器、调度台等组成；井下主要由井下50 Gbps环网交换机、基站控制器、5G基站、移动终端等组成。青龙煤矿5G专网拓扑图如图1所示。
图1 青龙煤矿5G专网拓扑图
传统的矿用工业以太网难以承载5G无线信号，因此，本项目研究了硬切片[7]分组网技术，基于硬切片分组网技术构建青龙煤矿50 Gbps承载网。
50 Gbps承载网不仅主要承载工业控制、视频监控、电力监控等信息的传输，同时也承载5G无线信号的传输，实现有线无线一网承载，解决5G承载网在吞吐量、传输时延、网络切片等方面的问题。
2 5G专网核心网设计
青龙煤矿5G专网最主要的部分为5G核心网，主要由UDM、AUSF、NSSF、AMF、SMF、PCF等网元[8]组成。根据5G核心网部署方式的不同，可以分为共享专网、混合专网[9]、独享专网3种方式。
2.1 共享专网
共享专网为复用运营商网络为企业构建虚拟专网[10]的方式建设。共享专网是运营商5G信号在井下的延伸，组网方式简单，建设成本经济。数据和语音基于运营商网络一体化管理，并通过运营商的5G核心网转发处理。当外部光缆发生故障或断开时，专网系统不能正常运行。因此，共享专网不能满足煤矿企业独立组网、独立运行、数据不出矿的要求。
2.2 混合专网
混合专网是在共享专网情况下使用UPF(统一数据管理)、MEC(边缘计算技术)下沉矿区，UPF主要负责5G核心网中用户数据包的路由和转发相关功能，并在5G的边缘计算和网络切片技术中发挥着低延迟和大带宽的重要作用。混合专网通过UPF数据分流达到数据不出矿的目的，然而，混合专网的用户管理、呼叫建立都需要核心网的参与，因此不能满足《煤矿5G通信系统安全技术要求(试行)》[11]独立组网、独立运行的要求，在外部网络出现故障或断开时，系统能安全、独立、稳定运行，保证无线通信及数据传输可靠、稳定的要求。
2.3 独享专网
独享专网采用独立运营商核心网的方式建设。独享专网拥有一个完整的5G核心网，所以完全满足《煤矿5G通信系统安全技术要求(试行)》中5G系统应能实现独立组网、独立运行的要求，当外部网络发生故障或断开时，系统能够安全、独立、稳定运行。然而，独享专网运营商级的核心网过于庞大，不适合煤矿部署。因此，本项目采用小型化的5G核心网，小型化的5G核心网采用核心网网元全下沉部署，为用户提供极低的时延和专属的核心网服务。通过物理设备隔离，满足特殊场景下的物理、数据安全隔离需求。
3 50 Gbps承载网设计
传统的工业以太网多为千兆或者万兆以太网技术，不具备硬切片功能，不能满足5G无线承载需求。本项目研究FlexE硬切片技术，结合环网冗余技术，形成50 Gbps承载网。FlexE硬切片技术基于高速以太网接口，通过以太网MAC(以太网物理地址)速率和PHY(以太网端口物理层)速率的解耦，灵活控制接口速度、时延。同时将不同的业务进行切片划分，当不同的业务信道发生拥塞和丢包时，也不会影响其他业务信道，从而满足不同的网络传输。通过FlexE硬切技术，青龙煤矿已经将不同业务的数据进行物理隔离，建成工业控制、视频监控、电力监控、5G无线传输于一体的超融合高质量通信网络，实现有线无线一网承载。
利用FlexE硬切片技术，还可以将煤矿安全监控、人员定位、车辆定位、设备定位、辅助运输、掘进、采煤等不同业务对带宽、时延和可靠性的需求分配不同的信道、带宽、时延，从而将煤矿监控、定位、视频、音频等多网合一，最终实现煤矿智能化信息一网综合承载，满足地面远程控制、人员定位、安全监控等不同业务对带宽、时延和可靠性的需求，同时又可以降低维护难度，减少工作量。
本次青龙煤矿50 Gbps承载网采用“云网融合”[12]技术，按照有线无线“一张网”的要求进行网络规划，井下各业务子系统通过50 Gbps承载网进行统一承载。煤矿原子系统井上部分直接接入地面50 Gbps环网交换机，井下部分直接接入井下50 Gbps环网交换机。通过50 Gbps环网交换机FlexE硬切片技术保证煤矿原子系统的物理隔离。同时划分视频大带宽和5G低时延信道，保证5G专网无线数据和时延要求，实现5G专网数据不出园区，网络管控本地化等需求。青龙煤矿50 Gbps承载网示意如图2所示。
图2 青龙煤矿50 Gbps承载网示意
4 5G专网语音通信
青龙煤矿5G专网不仅要解决5G专网内部语音通信问题，还要和煤矿企业内部的其它语音子系统实现互联互通。5G专网内语音通信采用VoNR[13]技术，具有更强的抗丢帧、抗延时、抗抖动和高保真能力。
VoNR通过IMS[14]进行高清语音管理，IMS是全IP的多媒体子系统简称，它支持语音及多媒体服务的连接管理，提供标准的SIP协议[15]，可以接入标准的E1中继网关[16]，通过E1中继接口，可以和煤矿企业内部的调度系统、行政电话网实现互联互通。通过行政电话网，可以实现煤矿5G专网与运营商电话网的语音通信，从而实现青龙煤矿5G专网与外网的语音通信。煤矿企业内部语音互通都在矿区内部，不产生通话费用。此外，5G专网语音通信和外网语音通信共享行政电话与外网的语音通信。5G专网语音通信示意如图3所示。
图3 5G专网语音通信示意
5 5G专网数据传输
青龙煤矿5G专网采用独立核心网的方式，所有数据在专网内传输，满足青龙煤矿矿区生产控制数据不出矿的设计要求。煤矿原子系统数据采用FlexE硬切片分组的方式，分别独享各自信道的方式工作。5G无线数据通过FlexE硬切片分组到5G核心网，再通过万兆交换机和煤矿原子系统进行通信，同时通过上网防火墙实现公网数据上传的要求。5G专网数据传输示意如图4所示。
图4 5G专网数据传输示意
6 地面无线覆盖
由于青龙煤矿地面存在运营商5G信号，所以建设5G专网需要考虑5G信号冲突问题。本项目研究了地面5G基站双注册方法，即和运营商共建共享[17]的方式进行建设，满足煤矿5G专网和运营商5G对矿区地面同时覆盖的要求。
地面5G基站直接和青龙煤矿5G核心网相联，并划分为2个独立的物理信道，一个信道为运营商专用，通过青龙煤矿5G核心网切片运营商专线实现移动终端在矿区的正常通信。矿用5G专网信息通过另一个信道切片到青龙煤矿5G核心网，和煤矿5G专网通信，实现青龙煤矿移动终端在井上下都可接入煤矿5G专网进行语音数据通信的目的，满足煤矿5G专网独立组网、独立运行的要求。地面无线覆盖示意如图5所示。
图5 地面无线覆盖示意
7 青龙煤矿5G专网应用效果
青龙煤矿5G专网项目于2021年10月开始启动，于2022年8月建成并投入使用。在青龙煤矿机房部署5G核心网、万兆交换机、地面50 Gbps环网交换机、时钟服务器、E1中继网关、企业路由器各一套，实现5G核心网功能。在水泵房、办公楼顶各部署地面5G基站一套，实现地面生活区、工作区5G专网覆盖。在井下中央变电所、绞车房、运输巷、21601智能化工作面、21603智能化掘进工作面部署了井下5G基站，实现了重点区域、综采工作面5G无线信号覆盖，满足井上下重点区域5G无线通信要求。专网内移动终端已经和矿区调度电话、行政电话、外网电话互联互通，具有内部短号互通、外部号码互通、自动转接等功能，极大地方便了矿区的生产调度。移动终端下井的通话方式改变了井下远距离作业人员只能通过固话沟通的传统通讯方式，减少了井下作业人员的沟通时间，提高了煤矿的生产效率。同时原视频监控子系统、电力监控子系统通过硬切片的方式就近接入新建的50 Gbps承载网。青龙煤矿5G专网解决了原视频监控网带宽不足、视频卡顿和影响电力监控子系统难题。
搭载5G通信模组，青龙煤矿实现了“5G+高清视频监控、5G+AI图像识别分析、5G+带式输送机巡检机器人”等智能应用，实现了将带式输送机沿线的高清视频、监测数据、控制指令与调度中心进行实时高效交互和自动分析，有效解决了数据上报缓慢、人为分析困难等问题。
本次青龙煤矿5G专网的建设使井下网络基础条件得以改善，承载网带宽提高，可支持更多智能化设备的接入。有线无线“一张网”建设有效减少煤矿井下光缆电缆设备数量，所有新建系统的数据传输可以就近接入50 Gbps承载网，使新建系统的投资成本降低。同时还可支持5G无线接入，传感器、视频监控等设备的无线化可减少此类巡检人员的投入，达到减人增效的效果。
8 结语
基于5G专网平台，青龙煤矿将进一步加大5G运用场景，打造工业互联网，实现巡检机器人、智能采煤工作面、智能生产辅助系统、智能AI视频分析系统及安全风险智能监控系统的提档升级。利用5G专网实现井上下高速率、大带宽、低时延通讯，实现万物互联和多系统智能协同控制，达到便捷调度指挥、提升快速应急管理能力目标，助推智慧矿山建设向更高层次发展。
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Research and design of 5G private network in Qinglong Coal Mine
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