5G通信技術(shù)應用于煤礦智能化開(kāi)采中已成為目前各界的共識。然而，井下的無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境、煤礦開(kāi)采的具體業(yè)務(wù)需求不明導致無(wú)法直接將5G通信系統應用于煤礦智能化開(kāi)采之中，需要進(jìn)一步研究5G適應性技術(shù)以滿(mǎn)足煤礦智能化開(kāi)采的無(wú)線(xiàn)通信與信息處理需求?！　?/p>

　　近日，礦大（北京）、煤科總院以及陜煤陜北煤業(yè)的科研人員在系統介紹煤礦5G的關(guān)鍵技術(shù)研究、標準化制定、設備研發(fā)及網(wǎng)絡(luò )建設現狀的基礎上，從網(wǎng)絡(luò )部署、業(yè)務(wù)應用的角度，研究了5G網(wǎng)絡(luò )規劃、網(wǎng)絡(luò )切片以及移動(dòng)邊緣計算三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，并對面向煤礦智能化的5G技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。成果以《面向煤礦智能化的5G關(guān)鍵技術(shù)研究》為題在《煤炭科學(xué)技術(shù)》進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò )首發(fā)?！　?/p>

　　一、煤礦5G技術(shù)研究及網(wǎng)絡(luò )建設現狀　　

　　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)研究方面，主要集中于分析煤礦應用5G技術(shù)的必要性及可能的應用場(chǎng)景?！　?/p>

　　標準化制定進(jìn)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(fā)布了《煤礦5G通信系統安全技術(shù)要求（試行）》及《煤礦5G通信系統安全標志管理方案（試行）》兩個(gè)標準，規定了5G系統的組網(wǎng)運行、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(zhù)手制定《煤礦5G高速傳輸技術(shù)要求》的國家標準?！　?/p>

　　實(shí)驗室創(chuàng )立及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立現狀。目前，面向煤礦智能化的5G實(shí)驗室創(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、山東兗礦集團及中興通訊合作成立了5G+智慧礦業(yè)聯(lián)合實(shí)驗室。2019年11月14日，中國聯(lián)通、中國煤炭科工集團以及中國礦業(yè)大學(xué)（北京）組建了地下空間5G技術(shù)創(chuàng )新應用聯(lián)合實(shí)驗室。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(yáng)煤集團與華為公司作為合作成立了5G通信煤炭產(chǎn)業(yè)應用創(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(yáng)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(lián)盟?！　?/p>

　　煤礦5G網(wǎng)絡(luò )建設現狀。在煤礦5G試點(diǎn)應用與項目落地方面，進(jìn)展速度相對更快。2019年，5G商用牌照頒發(fā)不久，各大煤礦集團就相繼開(kāi)通了5G網(wǎng)絡(luò )。此外，煤礦無(wú)人駕駛車(chē)、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用。然而，目前的網(wǎng)絡(luò )建設和試點(diǎn)示范仍然處于實(shí)驗階段，對5G所能支持的三大場(chǎng)景尚未全面落地，且現有試點(diǎn)應用離業(yè)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(guān)鍵技術(shù)

　?。ㄒ唬┟旱V5G網(wǎng)絡(luò )規劃部署

　　煤礦5G網(wǎng)絡(luò )需要同時(shí)覆蓋地面和井下兩個(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(wú)線(xiàn)通信設備的安全防爆要求和無(wú)線(xiàn)電磁波的井下傳輸特性：首先，井下傳播空間通常比較狹長(cháng)且存在多分支；其次，巷道壁對無(wú)線(xiàn)電波易產(chǎn)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(huì )產(chǎn)生強磁干擾；最后，開(kāi)采環(huán)境存在比較多的粉塵，對毫米波傳輸損耗影響較大?！　?/p>

　　綜上，煤礦5G網(wǎng)絡(luò )規劃部署與普通5G網(wǎng)絡(luò )規劃存在著(zhù)很大的不同，既要考慮這兩種使用環(huán)境下的不同無(wú)線(xiàn)覆蓋、無(wú)線(xiàn)傳輸特性、業(yè)務(wù)類(lèi)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(wǎng)絡(luò )”的煤礦智能化網(wǎng)絡(luò )建設需求。

　　因此，“統一規劃、安全經(jīng)濟、全面覆蓋、精細設計”理應成為煤礦5G網(wǎng)絡(luò )的規劃部署原則。在此原則下，研究人員分別從無(wú)線(xiàn)頻段選擇、無(wú)線(xiàn)基站選型、組網(wǎng)方式以及核心網(wǎng)建設四個(gè)方面闡述了煤礦5G網(wǎng)絡(luò )規劃核心要點(diǎn)。

　?。ǘ┟旱V5G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 )基礎物理設備，根據時(shí)延、帶寬、可靠性、安全性等不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)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?！　?/p>

　　由此可見(jiàn)，對于業(yè)務(wù)場(chǎng)景的分析，是進(jìn)行煤礦5G網(wǎng)絡(luò )切片的前提。研究人員重點(diǎn)介紹了智能工作面控制、井下遠程協(xié)同運維、井下安防和巡檢等應用場(chǎng)景中對5G網(wǎng)絡(luò )服務(wù)的需求?！　?/p>

　　研究指出，網(wǎng)絡(luò )切片的粒度并不是越細越好，過(guò)細的切片一方面會(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 )增加切片管理系統的負荷。尤其是在當前煤礦智能化應用場(chǎng)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(lái)智能化業(yè)務(wù)預留一些網(wǎng)絡(luò )資源。

因此，面向煤礦智能化場(chǎng)景的5G網(wǎng)絡(luò )切片既需要針對某些應用場(chǎng)景進(jìn)行切片定制，也需要針對網(wǎng)絡(luò )利用率高或者SLA要求不高的場(chǎng)景提供公共網(wǎng)絡(luò )切片。

　　面向煤礦智能化的5G網(wǎng)絡(luò )切片參考架構，將網(wǎng)絡(luò )資源劃分為分為專(zhuān)用切片和共用切片。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）、接入和移動(dòng)管理功能、用戶(hù)面管理功能、統一數據管理功能、會(huì )話(huà)管理功能；此外，還包含移動(dòng)邊緣計算功能?！　?/p>

　　專(zhuān)用切片擁有從無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)、核心網(wǎng)以及邊緣計算等一整套的虛擬5G網(wǎng)元設備，主要服務(wù)對象是生產(chǎn)控制類(lèi)等對QoS有極其嚴苛要求的應用場(chǎng)景?！　?/p>

　　公用切片的主要服務(wù)對象是對QoS要求有一定容忍度或者網(wǎng)絡(luò )資源利用率低的場(chǎng)景，比如遠程協(xié)同運維雖然對QoS要求嚴格，但由于不經(jīng)常利用網(wǎng)絡(luò )，因此將其劃分到公用切片中，以提升網(wǎng)絡(luò )資源利用率。值得注意的是，公用切片支持eMBB、URLLC以及mMTC三類(lèi)切片，具體應用場(chǎng)景則可以聯(lián)合使用這三大類(lèi)切片完成信息傳輸?！　?/p>

　?。ㄈ┟旱V5G移動(dòng)邊緣計算技術(shù)　　

　　移動(dòng)邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）通過(guò)在靠近終端用戶(hù)提供IT服務(wù)環(huán)境和計算能力，將部分網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)下沉到靠近終端用戶(hù)的移動(dòng)節點(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(hù)體驗質(zhì)量。因此，MEC目前已成為5G網(wǎng)絡(luò )的必備基礎設施之一，且在車(chē)聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景中得以廣泛應用。然而，移動(dòng)邊緣計算從節點(diǎn)部署到關(guān)鍵技術(shù)都需要根據具體應用場(chǎng)景進(jìn)行方案設計，也即是現有的移動(dòng)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(dòng)邊緣計算應用于煤礦智能化仍需進(jìn)行架構設計，并研發(fā)適用的云邊協(xié)同、計算任務(wù)卸載與遷移等關(guān)鍵技術(shù)?！　?/p>

　　三、前景展望　　

　　隨著(zhù)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(lái)越多的應用案例表明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)行應用場(chǎng)景規劃，并面向特定場(chǎng)景進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò )規劃、網(wǎng)絡(luò )切片以及移動(dòng)邊緣計算等關(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，最新凍結的3GPP R16版本雖然對垂直行業(yè)的支撐進(jìn)行了業(yè)務(wù)增強，但在R17版本中仍然在探索新的增強型技術(shù)，因此在面向煤礦智能化的5G關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)過(guò)程中，理應及時(shí)關(guān)注最新技術(shù)進(jìn)展情況，以經(jīng)濟有效的方式切實(shí)推動(dòng)煤礦智能化進(jìn)程。