煤礦5G 融合通信系統架構設計

吳文臻

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤礦應急避險技術裝備工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013）

煤礦的通信系統的應用中，有線/無線調度通信、視頻監控、人員定位等系統建設完成后，存在系統獨立、缺乏聯動互通、統一調度，信息“孤島”現象廣泛存在[1]。關于煤礦5G 融合通信系統的應用研究，多集中5G 技術在煤礦智能化應用可行性與必要性[2]，以及未來展望[3]。孫繼平[4]論述了煤礦智能化建設的整體應用的頂層設計；孟慶勇[5]從煤礦井下實際應用場景探討并分析了多種應用的架構設計方案；鄭小磊等[6]提出了煤礦5G 通信系統安全技術要求和檢驗方法綜合指標法；從煤科5G 的無線通信的技術角度，張立亞[7]提出了基于5G 通信的礦山可視化智能監控技術；顧義東[8]分析了5G 技術在煤礦掘進工作面運輸系統中的應用；孫繼平[9]深入研究了煤礦智能化與礦用5G 和網絡硬切片技術；霍振龍等[10]研究了礦用5G 無線通信系統的組成及組網方式，并提出了5G 技術在煤礦的應用場景。以上研究主要集中在5G 通信技術、應用場景分析等；隨著煤礦井下融合通信系統的應用，研究基于5G 的煤礦融合通信系統的建設及應用，對解決智能礦山建設中面臨的接口兼容、遠程控制、統一平臺[11-12]等問題具有重要意義。

鑒于此，從煤礦5G 融合通信系統整體架構設計出發，根據應用需求提出煤礦5G 融合通信的技術要求，建立融合通信平臺網絡拓撲架構、安全機制與測量動態架構等，并基于5G 通信性能參數測試及業務功能包括語音視頻通話、融合系統、應用場景智能聯動調度等應用驗證。

1 煤礦5G 融合通信技術要求

煤礦生產環境下存在多樣化應用需求，煤礦融合通信平臺承載音視頻語音傳輸、視頻遠程監控、遠程控制、巡檢機器人、巡檢無人機、自動駕駛等業務應用。以上應用對煤礦融合通信平臺網絡的需求分為3 種類型：①以上行數據為主的信息采集類：如視頻信息、各類傳感器信息的采集，對上行帶寬和支持的連接數量要求較高；②以下行數據傳輸為主的控制類應用：如遠程操控、自動駕駛等，控制類應用主要對時延和可靠性要求比較高；③雙向交互類：如語音通信等，交互類業務對帶寬、延遲要求中等，上下行流量基本對稱。

1）低時延/高可靠。煤礦5G 融合通信系統面向遠程控制、遠程（無人）駕駛等應用的低時延和高可靠性需求[13-15]，雙向時延小于20 ms，可靠性為99.99%以上。遠程駕駛應用支持最低5 ms 時延、99.999%可靠性、上行25 Mpbs、下行1 Mbps 通信速率的需求指標；高級自動駕駛需要支持最低3 ms、99.999%可靠性、53 Mbps 的車車/車巷通信速率。

2）數據安全。基于5G 融合通信低時延/高可靠承載的煤礦環境感知、控制信息下發、流程調度等數據業務，自動巡檢、自動駕駛等運動機械的操控，割煤機、液壓支架、掘進機等遠程控制或基于AI 的智能控制設備，對數據安全性要求很高[15]，也需無線系統數據備份；此類感知、控制類數據具備典型的封閉生產區域特點，數據安全需滿足不出煤礦，5G 融合通信網絡與運營商公網必須保證良好的隔離措施，保證數據的絕對安全。

3）大帶寬。視頻監控、遠程控制應用的實時數據回傳以及監測監控數據傳輸，要求通信系統具有大帶寬，其中視頻監控傳輸為主，為保證視頻畫面的清晰度和流暢性，以H.264 標準編碼時，1 路1 080 p 的攝像頭至少需要4 Mbps 帶寬，系統設計要求應達到60 Mbps 以上，在煤礦井下配電室、水泵房、帶式輸送機巷等重要場所，高清攝像頭密集的環境對大帶寬的要求會更高。與傳統公眾電信網絡下行傳輸需要大帶寬不同，煤礦通信網絡需要上行傳輸具有更大帶寬。

2 煤礦5G 融合通信平臺架構

煤礦融合通信平臺架構采用NGN 網絡架構、SIP 軟交換協議及開放接口技術，承載采集類、控制類、雙向交互類等多數據業務，滿足各類煤礦通信系統數據互聯互通、功能聯動調度、遠程操控等不同業務的通信需求。煤礦5G 融合通信平臺架構設計需滿足各類業務精準性、應急性、有效性和監察性、統一管理性，以及數據資產完整保留性。

2.1 網絡拓撲架構

圖1 煤礦5G 融合通信網絡拓撲Fig.1 Coal mine 5G integrated communication network topology

煤礦融合通信管理平臺NGN 網絡拓撲架構采用基于公有云或私有云的全IP 網絡架構平臺，設計滿足支持有線/無線調度、視頻監控、人車定位、遠程（無人）操控等統一管理調度需求。架構采用SIP 軟交換技術或IMS 技術實現端到端業務控制；采用IPv6 技術解決地址問題，提高網絡整體吞吐量；采用MPLS 技術實現IP 層和多種鏈路層協議（ATM/FR、PPP、以太網或SDH、光波）的結合；采用OTN（光傳輸網）和光交換網絡滿足傳輸和高帶寬交換需求。網絡拓撲支持指揮決策中心、服務器、井下環網、各子系統接入組成。

2.2 網絡安全機制

煤礦融合通信平臺在NGN 運行環境中的安全問題包括體系結構、QoS、網絡管理、移動性等，網絡安全機制需滿足數據的安全過濾、開放授權、訪問控制、數據加密、電子封條、安全審計和故障預警等，架構設計采用的立體安全保障體系，最優滿足遠程（無人）控制數據的安全防護、安全監測和安全恢復機制。

安全防護機制保障平臺承載的井下采掘設備遠程控制類數據的穩定、安全、實時、可靠。安全防護機制保護平臺網絡系統存在的各種安全漏同和安全威脅，實時采取相應的防護措施，避免非法攻擊；安全監測機制實時監測控制數據的運行情況，實時發現和制止對系統安全漏洞和潛在風險攻擊；安全恢復機制是在安全防護機制失效的情況下，應急處理和及時恢復信息，減少攻擊破壞程度。

2.3 API 模式多層次架構

采用標準API 接口提供高層應用的業務訪問網絡資源和信息能力，建立煤礦融合通信管理平臺的獨立業務體系，實現平臺與多個子系統的互聯互通。API 模式基于標準規范直接開發平臺的應用業務，解決平臺承載應用的底層軟件運行的線程控制、資源提供、可靠調用等復雜問題，保證融合通信平臺系統安全性；融合通信平臺將API 封裝成具有一定功能的構件，基于構件建立更高抽象層次的平臺業務框架，為平臺多業務融合應用提供最大靈活性。

2.4 策略動態架構

針對煤礦井下5G 遠程（無人）控制高可靠性的質量管理，對平臺架構設計提出新要求，管理重點向數據層和實時層轉移，解決網管系統的綜合化和智能化要求；采用基于策略的網絡管理系統中，把傳統網絡和設備為中心的管理模式轉化為以控制為中心的管理模式，網絡管理根據控制指令動態制定策略，策略自動轉換成設備指令，使平臺的數據控制指令管理與設備遠程操控配置相結合，實現控制和可靠性管理，滿足復雜分層服務的網絡的協調和配置需求，增加對應用需求量的控制能力，提高平臺的管理可靠性和實時性。

3 煤礦5G 融合通信系統架構

3.1 通信接口

煤礦5G 融合通信系統提供標準數據通信接口，支持數字中繼網關、環路中繼網關2 種方式出局，通過局向對接實現語音/視頻互通；支持全種類中繼信令，SS7、NO.1、PRI、SIP、H.248、H.323、MGCP信令協議，根據應用需求，數據安全隔離后，保證平臺與各類公網、專網對接，解決各類煤礦通信系統孤立、數據不同、功能不能聯動調度的問題，以及數據互通的不同管理需求。5G 無線通信承載接口滿足井下/井下數據交換，在5G 承載網中實現數據分流、井下/井下就地判識的數據安全隔離，滿足應用共存需求的分類/兼容接口。

3.2 業務需求

煤礦融合通信系統業務邏輯采用多級分布，滿足跨系統協調調用，業務主要分為：聯合調度、業務層管理、地圖定位、移動應急、綜合自動化、遠程操控等。

“我帶你們走的正是最好走的路,起碼在這一帶是這樣。這里本沒路,拖拉機一過,路就出現了。”說完,便又扛起行李往前走。

1）多業務融合。不同通信無縫融合，消除資源與信息孤島，實現對各種通信系統語音、視頻、數據業務的交互融合和綜合調用。

2）資源集中管理。通信、數據、物資、人員、車輛等資源集中調控，實現資源最優化配置。

3）統一指揮調度。融合平臺實現跨系統指揮調度，便于整個通信系統的集中管理、統一指揮、整體顯示、信息共享。

4）高效操作。提供基于GIS 的友好操作界面，支持各接入系統的智能化聯動，支持應急預案，實現一鍵式觸控調度整個通信系統。

3.3 系統建設

煤礦融合通信平臺如圖2。

圖2 煤礦融合通信平臺Fig.2 Coal mine integrated communication platform

基于5G 的煤礦融合通信系統的建設，采用SA架構和BBU+RHUB+pRRU 無線覆蓋，煤礦井下本地化部署5G 核心網及基站等設備，實現井下5G 信號分區、按需覆蓋，5G 無線專網與公網物理隔離，保證煤礦5G 專網系統數據的本地安全。

煤礦5G 無線通信系統設備建設完成之后，根據具體業務應用需求，設計合理上/下行時隙配比、自適應網絡切片、云-邊-端聯合調試滿足控制需求的最大時延/最低帶寬；通過5G 靈活空口調度特性，確定基站與終端的無線空中接口參數；通過載波聚合提升上行傳輸能力，解決5G 特定的上行大帶寬需求，確保上行大帶寬與下行低時延高可靠性；滿足數據聯動的遠程（無人）操控需求。

4 煤礦5G 融合通信系統承載應用

4.1 聯動應用

煤礦5G 融合通信系統聯動應用如圖3。

圖3 煤礦5G 融合通信系統聯動應用Fig.3 Linkage application of 5G fusion communication system in coal mine

1）聯動調度。通過有線IP 網絡對有線/無線調度話機語音、監控采集/可視電話/視頻調度；4G/5G網絡遠程音視頻調度；將視頻監控系統、數字廣播系統、UWB 定位系統、應急預案系統等融入到煤礦5G 融合通信管理平臺，實現統一調度聯動管理。

2）遠程（無人）操控。綜采工作面機頭、中部、機尾、進風巷監控中心分別部署5G 基站，實現工作面5G 信號全覆蓋；采煤機、電液控、運輸三機等關鍵綜采裝備均通過CPE 接入5G 網絡；手持終端等設備直接接入5G 網絡，實現測試設備互聯、遠程操控、數據采集和智能監控的功能。

3）巡檢機器人。采用CPE 連接巡檢機器人的控制器，通過5G 通信實驗平臺網絡，對同時接入網絡的巡檢機器人進行實時控制，測試巡檢機器人的巡檢狀態。

4.2 應用結論

1）音視頻通話、融合通信系統聯動等功能信令過程正確、完整，接通率100%，畫面清晰，視頻未見卡頓情況；調度融合管控平臺能夠有效實現有線調度、無線調度、監控系統、定位系統、廣播系統等的功能調用和數據互通。

2）三機遠程操控加載控制數據后終端設備之間速率不低于20 Mbps、單個CPE 上傳速率可達200 Mbps，時延性能穩定，終端設備遠程操控穩定，滿足煤礦5G 融合通信系統及場景聯動應用。

3）巡檢機器人控制實現實時精確控制，控制指令的端到端時延經測試在10 ms 左右，實時控制指令能夠穩定、精確順暢地控制巡檢機器人的移動。通過測試單個CPE 上傳速率可達285.2 Mbps。

5 結 語

1）根據煤礦生產多樣化應用需求，分析聯動調度、遠程（無人）操控、巡檢機器人3 種典型應用類型，提出煤礦5G 融合通信系統的低時延/高可靠、數據安全、大帶寬承載的技術要求。

2）針對煤礦5G 融合通信平臺承載采集類、控制類、雙向交互類等多數據業務需求，分析了NGN網絡架構的網絡拓結構、安全運行機制、API 多層次架構，以及策略網絡動態控制策略，以滿足平臺統一調度管理各類業務精準性、實時性、有效性。

3）以典型應用業務為切入點，設計基于5G 的煤礦融合通信系統的兼容接口，分析業務需求的功能架構，建設煤礦井下本地化不是的5G 系統，動態設定與典型業務匹配的時隙配比、網絡切片、空中接口參數。

4）分析了煤礦井下聯動調度、遠程（無人）操控、巡檢機器人3 種典型融合通信的聯動應用場景，并給出系統延時、可靠性等主要技術指標參數，以及應用結論，為煤礦5G 融合通信系統的實際應用提供數據參考。