黃陵二號煤礦5G無線傳輸系統設計

李方方,秦 濤

(陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

隨著計算機功能的提高,人工智能得到快速發展[1-2]。近些年,人工智能技術被應用到包括煤礦行業在內的各個領域[3-5]。然而受通信技術的限制,人工智能技術在煤礦井下的應用受到制約[6-9]。5G通信是具有高速率、低時延和大連接特點的新一代寬帶移動通信技術,是實現人機物互聯的網絡基礎設施。隨著5G通信技術的問世,人工智能在煤礦井下得到良好應用成為了可能[10]。廣大學者對5G技術的應用做了大量研究,然而大多是非煤礦井下的應用研究[11-13]。筆者以黃陵二號煤礦為背景,分析5G技術在煤礦中的應用。

1 5G無線傳輸系統

1.1 5G相對于4G技術優勢

以往煤炭智能化開采受傳統4G無線通信技術在帶寬、延時、并發數量等方面的限制一直難以形成較大突破,導致大數據、人工智能、虛擬現實等先進技術難以應用到煤炭開采中為智能化開采服務。5G與4G技術指標對比如圖1所示。

圖1 5G與4G技術指標對比

1.2 建設目的與必要性

初步建成一張全面感知的5G通信網絡,構建一條高速數據傳輸通道,建設一張符合二號煤礦的企業專網,實現語音通信和數據無線傳輸,為5G應用提供穩定的網絡基礎,解決井下即時通信和數據傳輸問題;建設業界先進的5G專網,為基于5G的智能礦井應用和創新性研究提供網絡環境;井下有線電話和5G網絡的對接,實現有線和5G專網的語音互通。

5G獨立專網的大帶寬、低時延、廣連接特性能滿足煤礦環境下設備互聯和遠程交互應用需求,保證生產數據不出二號煤礦,重要數據不出黃陵礦業公司。5G獨立專網相關技術可應用于礦業開采,使井下、井上實現無縫對接,為智慧礦井、智慧園區等智能化應用提供更有利的基礎網絡保障,為后期實現“無人值守、少人巡檢”智慧礦井建設的追求和目標,做好前期網絡試驗環境。

1.3 建設思路

根據二號煤礦網絡現狀整體建設將采用“增強型MEC+10萬兆環網+5G無線專網”的獨立組網方式,按照“集團一張網,數據不出園區”的思想構建智慧礦區基礎體系,提升生產辦公智能化,增強數據安全、提高網絡性能及可靠性,實現二號煤礦5G全網統一。建設圍繞增強型MEC、5G無線覆蓋、傳輸線路3個方面展開。

在二號煤礦部署一套增強型MEC,提供高速數據業務以及核心網的職責。包含控制面和用戶面(iUPF)2個基本組件。具有獨立運維和自主使用的能力,使應用、服務和內容可以實現本地化、近距離、分布式部署,從而在一定程度上解決了大帶寬、低延時、廣連接等場景的業務需求。還可以實現虛擬化5G核心網功能,滿足垂直行業應用的網絡專用化、設備輕量化、部署靈活化等需求,支持VONR高清語音。

井下通信已建成有線通信網,無其他可通信網絡,無法和井下人員實現即時語音,應急調度困難。井上僅有運營商無線網、辦公網、固定電話網。二號煤礦急需建設一張獨立的5G無線通信網絡,實現即時語音,解決目前即時通信和實時調度等存在的問題,同時解決數據傳輸問題,提高礦區生產效率。

因光纜建設時間較長、線路老化、中間熔接次數較多、光衰大等問題,可用纖芯匱乏,環網光纜有多處同路由,甚至同纜環路等問題,嚴重威脅井下網絡安全及數據傳輸。為保證網絡安全,對環網光纜重新設計,并為5G基站提供傳輸回路。

2 5G網絡傳輸功能

2.1 增強型MEC的EMS網管

核心管理架構的MEC維護相對復雜,礦區自有維護人員難以完成復雜的維護任務,因此可通過遠端建設的管理平臺專用EMS網管對礦區MEC進行全量權限的維護,如鏈路、策略、用戶等局數據的維護,以及告警和故障等管理。

對于礦區的維護人員,可以通過PC電腦安裝的iLMT本地維護終端,進行本地簡單維護,如MEC狀態的監控等。

2.2 傳輸設備的EMS網管

基于分布式、多進程、模塊化設計,能夠統一管理全系列承載網設備,具有配置管理、故障管理、性能管理、維護管理、路徑管理、安全管理、系統管理和報表管理等功能。在保障設備功能穩定性的基礎上,實現對網元和區域網絡的管理和控制。

系統采用多種網絡管理技術,按照ITU-T有關TMN的理念進行設計研發,匯集了業界領先的網管軟件開發經驗,具有強大的管理功能和靈活的組網能力。

U31定位于網元管理層/子網管理層的新一代網絡管理系統,具備強大的網元層、網絡層管理功能。傳輸設備的EMS網管流程如圖2所示。

圖2 傳輸設備的EMS網管流程

2.3 無線5G基站的EMS網管

ElasticNet UME R18,作為無線網絡的下一代管理系統,隨著5G網絡的迅猛發展,該系統主要特點如下:架構更先進,采用業界先進的云化、微服務架構,支持系統彈性伸縮,系統部署和升級更加靈活。管理范圍更廣泛,支持管理GSM、UMTS、TD LTE、FDD LTE、NB-IOT、NR及NVF網元。功能更強大,在提供基本無線網絡管理功能的同時,配合5G業務的發展,提供無線網子切片管理、虛擬化網元生命周期管理等增強功能。系統更開放,一方面會繼續提供滿足運營商商用要求的北向接口,另一方面,還會逐步提供基于RestFul的Open API,使管理系統變得更加開放和強大。無線5G基站的EMS網管流程如圖3所示。

圖3 無線5G基站的EMS網管流程

2.4 5G語音和固話融合

建設增強型MEC支持VONR的小型化vIMS網絡。利用VONR-IMS可為5G終端提供VONR語音業務,對外語音需求可通過黃陵礦業的5G核心網出局。

中興程控交換機(行政電話)不支持IP方式,要實現基于虛擬化的VONR-IMS與現網交換機的對接,必須建設增加語音網關MGCF/IM-MGW,如圖4所示。其中MGCF提供控制面,IM-MGW提供媒體面和對外接口。

圖4 5G語音和固話融合流程

IM-MGW通過TDM方式對接到現網程控交換機,可以采用E1或者STM-1方式。

MGCF和IM-MGW通過IP方式注冊到VONR-IMS網絡中。IM-MGW對接至IMS的PCSCF/SBC實現語音媒體流的轉接功能。井下礦用電話采用IP電話,直接增加智能網關和5G VONR-IMS對接及可實現井下與5G通信。5G語音和固話融合流程圖如圖4所示。

3 二號煤礦5G網絡建設創新點

5G網絡建設創新點主要體現在整體規劃、按需建設、5G專網架構合理、要能夠支撐后續發展、網絡自主可控、確保數據“不出”礦區、統一網管,便于后期運維、5G網絡切片,滿足不同的業務需求、超級上行(1D3U)、5G組網架構、獨立專網組網架構共9個點。

通過整體、總體設計、分步建設來進行。優先重點考慮井下兩采兩掘業務覆蓋。然后考慮變電所、主運輸、主斜井、主運大巷以及輔助運輸大巷的5G部署。后期可以支撐主運皮帶運輸以及自動控制,機器人巡檢。也可按照礦區信息化發展需要逐步部署,最終實現全井全業務覆蓋。

采取5G獨立專網的部署架構,同時需要保證黃陵礦業與二號煤礦互聯互通。需要考慮“生產連續性”,即二號礦區與外界的傳輸網絡中斷后,二號煤礦5G網絡承載對內業務不中斷,保證主要生產繼續進行。

采用5G獨立專網的建設,網絡的所有權屬于二號煤礦,無論在網絡使用,還是后期網絡運營維護,用戶都擁有絕對的自主權與控制權。此外,區別于5G公網多用戶共用網絡資源,5G專網用戶可獨享網絡資源,確保資源最大的可用性。

5G獨立專網能夠提供全面的端到端安全,以確保信息、基礎架構和核心生產數據安全。還能夠將生產型業務與普通互聯網業務之間在物理上進行隔離,企業擁有數據主權,可保障礦井下或井上園區內的設備信息、控制面信令流量、用戶面數據流量等數據不出園區,以確保敏感信息保留在本地,從而保障企業數據絕對安全。

5G專網網絡涉及到核心網、增強型MEC、5G、10萬兆環網等,運行在5G網絡上的系統與業務也很多,設計和建設的時候需要充分考慮到當前客戶運維團隊人力不足以及運維能力建設的問題,提供統一的極簡運維方案,并提供相應的培訓和訓練,也可以考慮前期的代維等,共同促進系統高質量運行,促進礦上業務高質量發展。

針對5G獨立專網,采取獨有的網絡切片技術,將網絡資源進行切片化處理,能夠實現針對不同業務靈活設置獨立切片資源,量身定制不同服務系統性能和資源使用,保障各業務的相對獨立及運行的穩定性。

上行增強有兩大類實現方式,專用基站配合上行幀格式以及FAST視頻雙聚合。單獨部署專用基站,專用基站可以采用與大網不同的頻率,采用不同的幀格式可以避免對大網的干擾。針對上行大容量需求可以采用上下行配比為3:1的1D3U的新型幀結構,可以大幅度提升上行容量,使上行速率達到700～800 Mbps以上(傳統技術5G上行速率162 Mbps)來滿足井下特殊場景對網絡大量上行帶寬的需求。網絡拓撲示意如圖5所示。

圖5 5G組網架構

總體分為應用層、網絡層和接入層。應用層包括OMC、視頻監控平臺、調度平臺等各類應用,負責具體的業務提供;網絡層包括增強型MEC,傳輸設備、5G基站,主要支撐高帶寬、低時延、大容量的數據、語音業務;接入層包括CPE終端、手持終端、數據采集設備和遠程控制終端,提供系統的數據接入。

5G組網采用SA架構Option2組網方案,5G-gNB和5GC連接進行5G獨立組網。獨立專網組網架構如圖6所示。

圖6 獨立專網組網架構

4 結論

(1)5G技術以其大帶寬、低延時和廣連接的優勢打通了不同應用場景間信息高效交互的通道,有利于重塑傳統產業發展,助力數字化轉型,牽引云計算、大數據、物聯網、人工智能和移動應用的深度融合,創新應用和服務。

(2)5G獨立專網能夠保證生產數據不出二號煤礦,重要數據不出黃陵礦業公司。5G獨立專網相關技術可應用于礦業開采,使井下、井上實現無縫對接,為智慧礦井、智慧園區等智能化應用提供更有利的基礎網絡保障;為后期實現“無人值守、少人巡檢”智慧礦井建設的追求和目標,做好前期網絡試驗環境。

(3)5G網絡傳輸中增強型MEC的EMS網、傳輸設備的EMS網管、無線5G基站的EMS網管、5G語音和固話融合功能。

(4)5G無線傳輸系統具有整體規劃,按需建設、對內業務不中斷保證主要生產繼續進行、網絡自主可控、確保數據“不出”礦區、統一網管,便于后期運維、滿足不同的業務需求、滿足井下特殊場景對網絡大量上行帶寬的需求、遠程控制終端、獨立專網組網架構等優點。