2024年2月25日发(作者：谷齐)
基于5G无线网络技术的智慧矿山方案研究
摘要：随着全球范围内信息化、数字化、智能化技术的迅猛发展，传统矿山行业正借助相关技术进行变革转型。为了全面提升传统矿山企业在国际市场的综合竞争力，以及未来可持续发展的能力，我国先后提出以工业互联网、智能制造、人工智能和5G等新一代信息技术赋能矿业的指导政策，旨在推进“互联网+矿山”建设智能矿山，实现传统矿业的数字化转型和智能化升级。随着信息技术的发展，5G具备更低的时延，更高的速率，更大的带宽，更好的业务体验，有感知泛在、连接泛在、智能泛在的特点，正在逐步成为未来工业互联网的网络基石。同时，5G技术依托机器学习、人工智能、工业互联网等先进技术，可进一步解决数据利用率低、展示能力弱、传输不可靠、远程控制实时性差、智能决策效率低等问题。为推动传统矿山的智能化转型，降低安全风险和生产成本，提高生产效率，可借助5G技术优势打造矿山工业互联网平台、井下融合组网、高清视频监控、无人化采掘、矿用机械远程控制领域的信息化建设和发展。基于此，本篇文章对基于5G无线网络技术的智慧矿山方案进行研究，以供参考。
关键词：5G无线网络技术；智慧矿山；方案研究
引言
全球范围内5G商用早已全面展开，我国作为5G技术的领导者，走在全球5G商用的前列。截止目前，我国5G商用基站已经部署150.6万站，其中大部分5G网络面向的是ToC业务，即向大众消费者提供高速下行服务。目前移动运营商、垂直行业和业内厂家正在积极探索5G在工业互联网、智能交通、智能电网以及智慧矿山中的应用。随着5G技术在各行各业中的应用,将助力我国传统生产制造行业转型，实现生产制造的数字化、网络化和智能化。矿山行业在我国经济中占据重要的地位，当前矿山建设行业面临很多亟待解决的问题，如安全事故频发、
人力成本高、网络信息化能力不足等，严重制约矿山行业的发展。因此，5G+智慧矿山成为解决以上问题的重要技术方案。
15G技术概述
从2013年成立5G推进组，2018年底基本完成5G技术的关键技术、技术方案和组网的测试验证，到2019年推出5G手机，这标志着我国正式进入5G时代。5G技术的典型特征是增强型移动宽带、低延时、高速率、高可靠性以及海量的物联网通信。规划中，5G的最高速率可以达到10～50Gb·s-1，具有更大的带宽。5G的终端设备数量呈爆炸性增长，为了实现海量终端全覆盖，接入网采用微基站技术，特点是布设密度较大、基站辐射小、终端功耗降低，传送时延小。
5G的关键技术:(1)多址接入技术。5G采用了多种多址接入技术方案，通过在空/时/频/码域的信号发送的叠加方案，提升不同场景下的接入能力和频谱效率；采用多用户共享接入技术实现低功耗、低成本和海量连接；采用稀疏编码多址接入技术，完成物理层资源映射功能；采用非正交多址接入技术，可大幅度提升未来网络设备的计算能力；采用图样分割多址接入技术，实现通信系统的性能优化和联合检测。5G系统的新型多址技术能够满足智能制造的大规模连接需要。（2）时间敏感网络。5G利用高精准的时间同步技术，实现生产上信息处理的时间敏感性（Time-SensitiveNetwork，TSN），从根本上保障了智能工厂业务传输低时延的需求。
2矿山5G网络架构
矿山5G核心网通过专网通信平台实现矿用5G独立组网、独立运行的需求；通过用户平面功能（UserPlaneFunction，UPF）和多接入边缘计算(Multi-AcessEdgeComputing，MEC)下沉，在实现低时延传输性能的同时，采用智能传输网（SmartTransportNetwork，STN）设备控制数据的内网/外网流向，实现对接公网情况下的数据矿区内/外的管控和分流。矿山5G终端在矿山5G网络注册后，核心网根据接入点的数据网络名称（DataNetworkName，DNN）和无线基站归属，确定下沉的UPF，用户面数据经过基站和承载网络（SmartTransportNetwork，STN）设备，之后回传到下沉的UPF，进而通往矿山数据中心的防火墙，再接入内
网。矿山5G承载网设备用于实现井上井下的数据交换，在承载网设备中集成信息安全模块、进行数据安全审计监测和传输控制，实现井上井下数据安全隔离，同时设计网络切片和QoS（QualityofService，服务质量）管理模块，对不同业务进行信道划分和隔离，实现多种业务共存信道隔离和传输性能保障。矿山5G接入网采用基站控制器+基站汇集器+基站+终端的方式，实现井下5G信号的分区、按需覆盖，基站与终端的无线空中接口方面，针对不同传输需求指标、采用不同资源调度算法的资源调度机制：为下行低时延数据传输预留空口资源，当下行低时延业务需要传输时，直接采用预留资源，以达到降低时延的效果；为上行大带宽数据传输提供按需调度的空口资源，当上行大带宽业务需要传输时，采用“资源请求-业务缓存报告资源分配-业务缓存-数据传输资源分配”的空口资源调度方式，确保大带宽传输资源得到保证；通过上述资源调度机制，确保下行低时延传输和上行大带宽传输性能同时得到保障。基站与终端之间的空中接口通过载波聚合技术为上行大带宽传输提供更多的空口传输资源。
3实际测试结果
在实际网络环境中，由于受到信道衰落、噪声和干扰等的影响，实际的峰值速率不会达到理论的峰值速率。下面给出某矿山环境下实际的5G网络测试结果，其中5G网络整体架构如第2.3节所述，5G核心网采用新华三vSCN5100设备，BBU采用BBU5100设备，井上和井下天线采用pRRU5202系列天线，天线模块和BBU之间通过FSW5100设备相连接，终端采用2T4R天线。该矿山5G网络的上下行峰值速率和边缘数据速率的测试结果如表1所示，可以看出，实际上下行峰值速率略低于理论分析值。考虑实际的信状态和干扰，实测结果验证了理论分析结果的准确性。
表1某矿山5G网络测试结果
对于时延，在实际测试过程中无法单独测试用户面时延，可采用ping包的形式测试端到端时延。根据实际测试结果，井上ping包时延为10.5ms,那么单向端到端时延为5.25ms,井下ping包时延为13ms。相应地，单向端到端时延为6.5ms。可以看出，本文提出的方案能够满足5G智慧矿山对低时延的需求。
结束语
智能矿山是新技术在矿业领域应用而带来的未来矿山的目标，应在工业互联网的架构之上，借助5G技术的优势，彻底解决矿山数据从采集、传输到分析决策全流程的数据烟囱问题，进而逐步实现生产流程的优化和管理流程的重塑。5G网络与多种新技术的融合将全面促进矿山“矿石流”的信息化管控、无人化开采、智能化运营。随着5G技术的不断研发及推广，其技术逐渐下沉至垂直行业将会引发更多具备通信知识的多专业复合型人才的涌现，5G网络在矿山的大范围落地应用将会把智能矿山推入新的发展阶段。
参考文献
[1]李凤英,季现伟,张维国,谷龙飞,张海胜.智能矿山5G技术发展与应用场景分析[J].中国矿山工程,2020,51(04):89-92..
[2]蒋建峰,陈四华,尤澜涛.智慧矿山5G网络上行速率增强算法[J].工矿自动化,2020,47(12):62-67.
[3]任志青.5G赋能，拥抱智慧矿山时代[J].中国煤炭工业,2020(08):12-15.
[4]申雪,卜小平,余文科.基于5G技术的“智慧矿山”建设研究[J].中国电子科学研究院学报,2020,15(07):620-624.
[5]王小东,王存政,王冲,马加国.浅谈5G技术在智慧矿山建设中的应用前景[J].内蒙古煤炭经济,2020(12):168-169.
作者简介：周强（1986-），重庆垫江人，工程师，本科，2011年毕业于重庆交通大学，主要从事瓦斯监测系统现场应用技术、仪器仪表、综合自动化、煤矿智能化等方面的研究与技术推广等工作。
2024年2月25日发(作者：谷齐)
基于5G无线网络技术的智慧矿山方案研究
摘要：随着全球范围内信息化、数字化、智能化技术的迅猛发展，传统矿山行业正借助相关技术进行变革转型。为了全面提升传统矿山企业在国际市场的综合竞争力，以及未来可持续发展的能力，我国先后提出以工业互联网、智能制造、人工智能和5G等新一代信息技术赋能矿业的指导政策，旨在推进“互联网+矿山”建设智能矿山，实现传统矿业的数字化转型和智能化升级。随着信息技术的发展，5G具备更低的时延，更高的速率，更大的带宽，更好的业务体验，有感知泛在、连接泛在、智能泛在的特点，正在逐步成为未来工业互联网的网络基石。同时，5G技术依托机器学习、人工智能、工业互联网等先进技术，可进一步解决数据利用率低、展示能力弱、传输不可靠、远程控制实时性差、智能决策效率低等问题。为推动传统矿山的智能化转型，降低安全风险和生产成本，提高生产效率，可借助5G技术优势打造矿山工业互联网平台、井下融合组网、高清视频监控、无人化采掘、矿用机械远程控制领域的信息化建设和发展。基于此，本篇文章对基于5G无线网络技术的智慧矿山方案进行研究，以供参考。
关键词：5G无线网络技术；智慧矿山；方案研究
引言
全球范围内5G商用早已全面展开，我国作为5G技术的领导者，走在全球5G商用的前列。截止目前，我国5G商用基站已经部署150.6万站，其中大部分5G网络面向的是ToC业务，即向大众消费者提供高速下行服务。目前移动运营商、垂直行业和业内厂家正在积极探索5G在工业互联网、智能交通、智能电网以及智慧矿山中的应用。随着5G技术在各行各业中的应用,将助力我国传统生产制造行业转型，实现生产制造的数字化、网络化和智能化。矿山行业在我国经济中占据重要的地位，当前矿山建设行业面临很多亟待解决的问题，如安全事故频发、
人力成本高、网络信息化能力不足等，严重制约矿山行业的发展。因此，5G+智慧矿山成为解决以上问题的重要技术方案。
15G技术概述
从2013年成立5G推进组，2018年底基本完成5G技术的关键技术、技术方案和组网的测试验证，到2019年推出5G手机，这标志着我国正式进入5G时代。5G技术的典型特征是增强型移动宽带、低延时、高速率、高可靠性以及海量的物联网通信。规划中，5G的最高速率可以达到10～50Gb·s-1，具有更大的带宽。5G的终端设备数量呈爆炸性增长，为了实现海量终端全覆盖，接入网采用微基站技术，特点是布设密度较大、基站辐射小、终端功耗降低，传送时延小。
5G的关键技术:(1)多址接入技术。5G采用了多种多址接入技术方案，通过在空/时/频/码域的信号发送的叠加方案，提升不同场景下的接入能力和频谱效率；采用多用户共享接入技术实现低功耗、低成本和海量连接；采用稀疏编码多址接入技术，完成物理层资源映射功能；采用非正交多址接入技术，可大幅度提升未来网络设备的计算能力；采用图样分割多址接入技术，实现通信系统的性能优化和联合检测。5G系统的新型多址技术能够满足智能制造的大规模连接需要。（2）时间敏感网络。5G利用高精准的时间同步技术，实现生产上信息处理的时间敏感性（Time-SensitiveNetwork，TSN），从根本上保障了智能工厂业务传输低时延的需求。
2矿山5G网络架构
矿山5G核心网通过专网通信平台实现矿用5G独立组网、独立运行的需求；通过用户平面功能（UserPlaneFunction，UPF）和多接入边缘计算(Multi-AcessEdgeComputing，MEC)下沉，在实现低时延传输性能的同时，采用智能传输网（SmartTransportNetwork，STN）设备控制数据的内网/外网流向，实现对接公网情况下的数据矿区内/外的管控和分流。矿山5G终端在矿山5G网络注册后，核心网根据接入点的数据网络名称（DataNetworkName，DNN）和无线基站归属，确定下沉的UPF，用户面数据经过基站和承载网络（SmartTransportNetwork，STN）设备，之后回传到下沉的UPF，进而通往矿山数据中心的防火墙，再接入内
网。矿山5G承载网设备用于实现井上井下的数据交换，在承载网设备中集成信息安全模块、进行数据安全审计监测和传输控制，实现井上井下数据安全隔离，同时设计网络切片和QoS（QualityofService，服务质量）管理模块，对不同业务进行信道划分和隔离，实现多种业务共存信道隔离和传输性能保障。矿山5G接入网采用基站控制器+基站汇集器+基站+终端的方式，实现井下5G信号的分区、按需覆盖，基站与终端的无线空中接口方面，针对不同传输需求指标、采用不同资源调度算法的资源调度机制：为下行低时延数据传输预留空口资源，当下行低时延业务需要传输时，直接采用预留资源，以达到降低时延的效果；为上行大带宽数据传输提供按需调度的空口资源，当上行大带宽业务需要传输时，采用“资源请求-业务缓存报告资源分配-业务缓存-数据传输资源分配”的空口资源调度方式，确保大带宽传输资源得到保证；通过上述资源调度机制，确保下行低时延传输和上行大带宽传输性能同时得到保障。基站与终端之间的空中接口通过载波聚合技术为上行大带宽传输提供更多的空口传输资源。
3实际测试结果
在实际网络环境中，由于受到信道衰落、噪声和干扰等的影响，实际的峰值速率不会达到理论的峰值速率。下面给出某矿山环境下实际的5G网络测试结果，其中5G网络整体架构如第2.3节所述，5G核心网采用新华三vSCN5100设备，BBU采用BBU5100设备，井上和井下天线采用pRRU5202系列天线，天线模块和BBU之间通过FSW5100设备相连接，终端采用2T4R天线。该矿山5G网络的上下行峰值速率和边缘数据速率的测试结果如表1所示，可以看出，实际上下行峰值速率略低于理论分析值。考虑实际的信状态和干扰，实测结果验证了理论分析结果的准确性。
表1某矿山5G网络测试结果
对于时延，在实际测试过程中无法单独测试用户面时延，可采用ping包的形式测试端到端时延。根据实际测试结果，井上ping包时延为10.5ms,那么单向端到端时延为5.25ms,井下ping包时延为13ms。相应地，单向端到端时延为6.5ms。可以看出，本文提出的方案能够满足5G智慧矿山对低时延的需求。
结束语
智能矿山是新技术在矿业领域应用而带来的未来矿山的目标，应在工业互联网的架构之上，借助5G技术的优势，彻底解决矿山数据从采集、传输到分析决策全流程的数据烟囱问题，进而逐步实现生产流程的优化和管理流程的重塑。5G网络与多种新技术的融合将全面促进矿山“矿石流”的信息化管控、无人化开采、智能化运营。随着5G技术的不断研发及推广，其技术逐渐下沉至垂直行业将会引发更多具备通信知识的多专业复合型人才的涌现，5G网络在矿山的大范围落地应用将会把智能矿山推入新的发展阶段。
参考文献
[1]李凤英,季现伟,张维国,谷龙飞,张海胜.智能矿山5G技术发展与应用场景分析[J].中国矿山工程,2020,51(04):89-92..
[2]蒋建峰,陈四华,尤澜涛.智慧矿山5G网络上行速率增强算法[J].工矿自动化,2020,47(12):62-67.
[3]任志青.5G赋能，拥抱智慧矿山时代[J].中国煤炭工业,2020(08):12-15.
[4]申雪,卜小平,余文科.基于5G技术的“智慧矿山”建设研究[J].中国电子科学研究院学报,2020,15(07):620-624.
[5]王小东,王存政,王冲,马加国.浅谈5G技术在智慧矿山建设中的应用前景[J].内蒙古煤炭经济,2020(12):168-169.
作者简介：周强（1986-），重庆垫江人，工程师，本科，2011年毕业于重庆交通大学，主要从事瓦斯监测系统现场应用技术、仪器仪表、综合自动化、煤矿智能化等方面的研究与技术推广等工作。