5G通信技術(shù)應(yīng)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(huán)境、煤礦開采的具體業(yè)務(wù)需求不明導(dǎo)致無法直接將5G通信系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦智能化開采之中，需要進(jìn)一步研究5G適應(yīng)性技術(shù)以滿足煤礦智能化開采的無線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(tǒng)介紹煤礦5G的關(guān)鍵技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)化制定、設(shè)備研發(fā)及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從網(wǎng)絡(luò)部署、業(yè)務(wù)應(yīng)用的角度，研究了5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)切片以及移動邊緣計(jì)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)。　　

　　一、煤礦5G技術(shù)研究及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)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(yīng)用5G技術(shù)的必要性及可能的應(yīng)用場景。　　

　　標(biāo)準(zhǔn)化制定進(jìn)展。在煤礦5G標(biāo)準(zhǔn)制定方面，2020年6月17日，由安標(biāo)國家中心發(fā)布了《煤礦5G通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求（試行）》及《煤礦5G通信系統(tǒng)安全標(biāo)志管理方案（試行）》兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了5G系統(tǒng)的組網(wǎng)運(yùn)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(tǒng)檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)所應(yīng)具備的能力。此外，中國煤炭科工集團(tuán)也正在著手制定《煤礦5G高速傳輸技術(shù)要求》的國家標(biāo)準(zhǔn)?！　?/p>

　　實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)立及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立現(xiàn)狀。目前，面向煤礦智能化的5G實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)立，主要是中國聯(lián)通在推動。2019年8月20日，山東聯(lián)通、山東兗礦集團(tuán)及中興通訊合作成立了5G+智慧礦業(yè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。2019年11月14日，中國聯(lián)通、中國煤炭科工集團(tuán)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(yīng)用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。產(chǎn)業(yè)聯(lián)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(tuán)與華為公司作為合作成立了5G通信煤炭產(chǎn)業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新聯(lián)盟。2020年6月18日，中國移動聯(lián)合清華大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)（北京）、陽煤集團(tuán)、中國煤炭科工集團(tuán)、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(shè)現(xiàn)狀。在煤礦5G試點(diǎn)應(yīng)用與項(xiàng)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(tuán)就相繼開通了5G網(wǎng)絡(luò)。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(yīng)用。然而，目前的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和試點(diǎn)示范仍然處于實(shí)驗(yàn)階段，對5G所能支持的三大場景尚未全面落地，且現(xiàn)有試點(diǎn)應(yīng)用離業(yè)界所構(gòu)想的煤炭智能化應(yīng)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(guī)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)考慮無線通信設(shè)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(chǎn)生吸收或干擾；再次，井下的各種設(shè)備布設(shè)復(fù)雜，且大多數(shù)都需要供電，會產(chǎn)生強(qiáng)磁干擾；最后，開采環(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(guī)劃部署與普通5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃存在著很大的不同，既要考慮這兩種使用環(huán)境下的不同無線覆蓋、無線傳輸特性、業(yè)務(wù)類型和安全可靠等方面的差異性要求，還應(yīng)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(shè)需求。

　　因此，“統(tǒng)一規(guī)劃、安全經(jīng)濟(jì)、全面覆蓋、精細(xì)設(shè)計(jì)”理應(yīng)成為煤礦5G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)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(wǎng)方式以及核心網(wǎng)建設(shè)四個(gè)方面闡述了煤礦5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)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(chǔ)物理設(shè)備，根據(jù)時(shí)延、帶寬、可靠性、安全性等不同的業(yè)務(wù)場景服務(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，對于業(yè)務(wù)場景的分析，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(yuǎn)程協(xié)同運(yùn)維、井下安防和巡檢等應(yīng)用場景中對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(xì)越好，過細(xì)的切片一方面會在不進(jìn)行信息傳輸時(shí)占用大量的網(wǎng)絡(luò)資源，另外一方面會增加切片管理系統(tǒng)的負(fù)荷。尤其是在當(dāng)前煤礦智能化應(yīng)用場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，亦需要為未來智能化業(yè)務(wù)預(yù)留一些網(wǎng)絡(luò)資源。

因此，面向煤礦智能化場景的5G網(wǎng)絡(luò)切片既需要針對某些應(yīng)用場景進(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(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)資源劃分為分為專用切片和共用切片。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）、接入和移動管理功能、用戶面管理功能、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能、會話管理功能；此外，還包含移動邊緣計(jì)算功能?！　?/p>

　　專用切片擁有從無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)以及邊緣計(jì)算等一整套的虛擬5G網(wǎng)元設(shè)備，主要服務(wù)對象是生產(chǎn)控制類等對QoS有極其嚴(yán)苛要求的應(yīng)用場景?！　?/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)資源利用率低的場景，比如遠(yuǎn)程協(xié)同運(yùn)維雖然對QoS要求嚴(yán)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三類切片，具體應(yīng)用場景則可以聯(lián)合使用這三大類切片完成信息傳輸。　　

　?。ㄈ┟旱V5G移動邊緣計(jì)算技術(shù)　　

　　移動邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）通過在靠近終端用戶提供IT服務(wù)環(huán)境和計(jì)算能力，將部分網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)下沉到靠近終端用戶的移動節(jié)點(diǎn)，從而縮短網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延，助力5G網(wǎng)絡(luò)提升用戶體驗(yàn)質(zhì)量。因此，MEC目前已成為5G網(wǎng)絡(luò)的必備基礎(chǔ)設(shè)施之一，且在車聯(lián)網(wǎng)等場景中得以廣泛應(yīng)用。然而，移動邊緣計(jì)算從節(jié)點(diǎn)部署到關(guān)鍵技術(shù)都需要根據(jù)具體應(yīng)用場景進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，也即是現(xiàn)有的移動邊緣計(jì)算方案并不能夠直接應(yīng)用于煤礦智能化應(yīng)用中。因此，將移動邊緣計(jì)算應(yīng)用于煤礦智能化仍需進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，并研發(fā)適用的云邊協(xié)同、計(jì)算任務(wù)卸載與遷移等關(guān)鍵技術(shù)。　　

　　三、前景展望　　

　　隨著煤礦智能化的進(jìn)展以及5G技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的逐步適用，越來越多的應(yīng)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(yīng)用場景規(guī)劃，并面向特定場景進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)切片以及移動邊緣計(jì)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(jié)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(qiáng)，但在R17版本中仍然在探索新的增強(qiáng)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)過程中，理應(yīng)及時(shí)關(guān)注最新技術(shù)進(jìn)展情況，以經(jīng)濟(jì)有效的方式切實(shí)推動煤礦智能化進(jìn)程。