5G,专网在平朔东露天智能化矿山建设中的应用

何鹏宇

（中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036006）

近年来，无人驾驶、远程遥控、智能传感等技术在露天矿的逐步推广和应用，原有的4G、Wi－Fi、Mesh 等无线通信技术，对于智能化矿山数据传输的带宽、实时性和可靠性等的要求已逐步产生制约[1]。5G 作为新一代移动通信技术，通过一系列重大技术革新，在各项关键性能指标方面均有质的提升，已成为引领矿山转型升级的新型基础设施[2]。平朔东露天矿通过搭建5G 无线网络，利用大带宽、低时延以及广连接的特性，支撑丰富的业务场景和应用，促进矿山数字化和智能化的融合，实现企业的可持续发展。

智能化矿山所涉及的诸多新技术的落地，均依托于5G 网络所具备的卓越的性能和特点。5G 网络性能的提升不是依靠单一技术的进步，而是在多种技术共同发展和相互配合下实现的。

1）网络切片技术。第3 代合作伙伴计划（3GPP）定义了增强型移动宽带（eMBB）、高可靠低延迟通信（mMTC）、海量机器类通信（uRLLC）3 大典型5G 应用场景。5G 采用了网络切片技术，对网络资源进行动态分配和相互隔离，从而满足多样化的业务需求。在东露天智能化矿山5G 应用场景中，无人驾驶卡车和无人值守钻机中的多路高清视频回传，要求网络具备超高速率的传输性能；
远程控制和无人驾驶则对网络的时延性提出了极高的要求。因此，采用网络切片技术能够为智能化矿山的不同的业务场景提供相对独立、安全的无线网络服务。5G 网络切片技术由核心网、传输网和无线网子切片技术构成，共同组成了整个网络的切片功能[3]。核心网的切片技术支持媒体面和控制面完全独立或半独立等多种灵活切片方式。其中，完全独立模式具备隔离性高，安全性好等优点，适用于远程控制等应用场景；
半独立模式的实现则较为经济，适用于视频监控等应用场景。传输网切片技术兼具软硬切片能力，可面向不同业务类型灵活配置。常用的FlexE 接口绑定技术，满足灵活带宽和通道硬隔离的需求，面向高可靠性、低时延的业务使用需求。5G 无线网切片技术根据不同区域业务差异，可对无线网功能进行灵活切分。

2）超大带宽技术。超大的带宽技术是5G 通信技术的突出性能之一，是支撑智能化矿山建设中大带宽应用如多路高清视频传输的基础保障。在空口侧，采用了全新的信道调制编码技术和大规模天线阵列技术（Massive MIMO）等，峰值速率理论上达到20 Gb/s，较上一代通信技术提升40 倍左右，满足智能化矿山中多路高清视频上传以及海量无线传感器接入的带宽需求。在网络侧，前传网络接口由cPRI 接口重构为ecPRI 接口，接口速率由10 Gb/s提升至25 Gb/s。对于5G 回传网络，接入层、汇聚层和核心层的带宽也相比4G 网络有了大幅提升[4]。

3）超低时延技术。无人值守钻机和无人驾驶卡车等智能化矿山应用场景，对网络的超低时延性能提出了非常严苛的要求。采用网络切片技术可以为超低时延业务提供切片通道，但该切片通道自身首先应满足低时延的要求。5G 网络在无线网、传输网和核心网方面均提出了一系列超低时延新技术[5]。在无线网方面，通过对帧结构技术全面革新，缩短子帧的长度，空口时延得到降低；
在传输网方面，通过对传输设备技术升级，采用时隙硬管道、减少封装层级等技术，大幅度降低传输时延；
在核心网方面，将MEC 服务器下沉至无线接入网边缘，使业务在本地得到处理，从而缩短了用户端至服务器的时延。

5G 多项关键技术的应用，使其各项性能大幅提高。与4G 技术相比，5G 技术在传输速率、连接密度、时延和频谱效率等方面均有突出优势，4G 和5G 通信技术性能指标对比见表1。

表1 4G 和5G 通信技术性能指标对比

2.1 5G 网络需求

以服务平朔东露天矿的生产为核心，以满足智能化矿山应用为重点，通过5G 网络建设，为平朔东露天矿1 台套无人驾驶卡车和1 台无人值守钻机提供网络覆盖，用以上传车载摄像头监控图像和传感器采集信息等数据，并下发控制信息数据。其中，1台套卡车无人驾驶设备包括：卡车7 台，辅助车辆5台。各类车辆均安装有5G 工业终端。1 台套卡车自动驾驶的5G 性能技术要求见表2，1 台无人值守钻机的5G 性能技术要求见表3。

表2 1 台套卡车自动驾驶的5G 性能技术要求

表3 1 台无人值守钻机的5G 性能技术要求

5G 网络的覆盖范围是平朔东露天矿南帮1260平盘至西向东的采装、运输和排土等作业区域，该区域东西运输距离长约1 800 m，采装和排弃2 个区域南北长度各约600 m。

2.2 整体方案

1）网络架构。按照网络安全相关标准，结合东露天矿5G 网络需求情况，采用5G 核心网＋边缘计算服务器（5GC＋MEC）的整体方案。矿区核心网基于5G公网的核心网架构，将5G UPF 和MEC 下沉矿区，既可满足业务及安全需求，保证数据不出矿区，又可大幅降低业务端到端时延。主干传输采用切片分组网（SPN）架构，满足10～100 Gb/s 传输带宽，支持切片带宽动态调整及路径保护。

2）容灾方案。在矿区部署应急控制面，与中心网络进行实时数据同步，以应对极端情况下，在矿区网络与中心网络连接中断以后，矿区本地网络能够无缝接管业务，保证企业关键生产系统的正常运行。东露天矿MEC 容灾方案采用“共享式UPF Bypass 容灾方案”，共享UPF 基于入驻UPF 的容量做软硬件容灾冗余，预留容量用于矿区UPF 的容灾，发生故障时，矿区UPF 故障后业务通过地市共享UPF 迂回到矿区，保障矿区业务不中断。

3）组网方式。关于5G 网络的组网方式，分为非独立组网（NSA）和独立组网（SA）2 种方式[6]。非独立组网是对4G 网络进行改造，在融合4G 核心网的基础上部署5G 网络，所有信令流程与4G 基本一致，5G 网络相当于原有4G 网络的1 个辅载波。优点是核心网通过简单的改造就可以享受5G 无线的大带宽能力，网络投资较低；
缺点是上下行速率和时延性能方面均无法达到5G 网络在独立组网下的特性。独立组网所用基站和基础设施均重新部署和建设，其核心网架构以及信令格式等都是重新定义的。能支持更多4G 无法支持的性能，实现“专网专用”，满足高带宽、低时延的需求。由于东露天智能化矿山建设的网络需求对于时延特性要求极高，且矿区无现有4G 专网，因此东露天矿5G 网络选用独立组网模式。

2.3 核心网

平朔东露天矿5G 核心网功能实体为边缘计算服务器（MEC）。MEC 是电信技术（CT）和互联网技术（IT）融合的产物。其价值在于通过CT 联接和IT 计算承载的业务，加上运营商的一体化服务能力，实现最终独特的价值交付。一方面实现本地数据分流到本地网络，不仅保障矿区数据高安全性，而且节省上行带宽资源；
另一方面MEC 的边缘部署可以减小数据传输距离，降低传输时延，满足矿区工业控制等低时延业务诉求[7]。MEC 在矿方独立部署、独立使用，通过内置防火墙，可保证网络的安全性。

2.4 传输网

5G 传输采用支持5G 承载新特性的SPN 进行组网，满足5G 业务需求，并具备系统扩容和升级的能力。配置2 台接入层SPN 设备，上行对接城域SPN设备，并通过城域SPN 设备传输至中心核心网，横向对接矿区MEC，2B 业务不出矿区。

承载网均采用双归3 点环的方式连接到地面的2 台汇聚设备，提升设备和链路的可靠性[8]。目前部署3 个FlexE 切片，1 个切片承载卡车无人驾驶业务，1 个切片承载钻机无人值守业务，业务间硬隔离满足各自网络使用要求，第3 个切片为将来业务发展预留。

2.5 无线网

1）基站类型选择。基站是5G 网络的核心设备，主要用于提供5G 空口协议功能，为有线通信网络与无线终端之间提供无线信号传输。按照逻辑功能划分，5G 基站可分为基带单元（BBU）和射频单元（AAU）2 部分[9]。5G 基站根据覆盖能力大致分为2 类，即宏基站和微基站。由于平朔东露天矿的网络覆盖区域为东西1 800 m，南北600 m 的1 个U 形带状区域，统筹考虑东露天矿的地形环境特征以及网络的容量、速率、覆盖等因素，选择以宏站覆盖为主，待宏站建设完成网络优化调整后，根据测试结果和现场实际需求对弱覆盖区部位进行深度覆盖。

2）频段分析。平朔东露天矿5G 网络采用中国移动网络技术，其5G 占用频段为700 MHz、2.6 GHz、4.9 GHz。其中2.6 GHz 频段拥有160 M 带宽，传输速率高，支持大规模天线阵列技术（Massive MIMO），大幅提高系统的接入量和频谱利用率；
700 MHz 频段被誉为“黄金频段”，拥有2×30 MHz 带宽，具有传播损耗低、覆盖范围广等多种优势，但其缺点是带宽窄，难以实现大规模天线阵列，速率和容量有限，因此700 MHz 频段主要用以补充其他高频段的覆盖广度；
4.9 GHz 频段则主要用于一些室内或重点区域的网络覆盖。东露天矿采用了行业领先的2.6 GHz 和700 MHz 频段融合技术，既满足了作业现场对于高速率传输的要求，又兼顾了信号深度覆盖的需要。

3）基站数量确定。平朔东露天矿网络覆盖场景近似为视距传输（LOS）场景，按照上行边缘速率75 Mbps 计算，2.6 GHz 的覆盖半径约为1 000 m，700 MHz 的覆盖半径约为1 500 m。因此，结合东露天矿的网络覆盖区域地形，坡面相对平缓易覆盖，经现场电测，在1260 平盘规划新建2 个基站塔，利用2.6 GHz ＋700 MHz 频段融合技术即可完成1260 平盘南帮至西向东的采装、运输、排土等作业区域覆盖。

矿坑的推进方向为至东向西。平盘道路西侧为采装区域，无人值守钻机位于该区域，且该区域可能出现多台无人驾驶卡车排队等待电铲装载的情况，因此，在西侧铁塔安装3 套2.6 G BBU 设备和2 套700 M BBU 设备，用以覆盖采装区域和运输道路。道路东侧为排土区域，该区域出现无人驾驶卡车排队的可能性较小，因此在东侧铁塔安装2 套2.6 G BBU 设备，主要用以覆盖运输道路和排土区。

站点部署完成后，对1260 平盘全程拉网电测。在2.6 Hz 网络下，单台终端设备的最大上行速率195.65 Mb/s，平均上行速率112.85 Mb/s，时延小于10 ms；
700 MHz 网络下，西侧作业区域单台终端设备最大上行速率106.44 Mb/s，平均上行速率40.22 Mb/s，时延小于10 ms。从测试结果来看，完全满足钻机无人值守和卡车无人驾驶对网络性能的要求。

平朔东露天矿目前基于5G 网络的应用场景主要是卡车无人驾驶和钻机无人值守。卡车无人驾驶系统具备单车自动行驶以及成套设备（电铲、卡车、推土机等设备）编组运行功能，并能够感知周围环境以及障碍物等信息，做出相应的决策命令，具备自动控制和紧急避障能力。钻机无人值守系统指在无人值守的情况下完成钻机的运行、自动布孔和水平找正等。以上2 个系统均可在包括在远程控制和自动驾驶状态下完成以上功能。平朔东露天矿5G 网络应用场景如图1。

图1 平朔东露天矿5G 网络应用场景

远程控制系统分为车载终端和控制终端2 个部分。车载终端安装在矿用卡车或钻机车体上，接收并执行控制终端的指令，通过高清摄像头采集并上传作业视频，并回传车辆动作信息和状态信息等。控制终端分布在矿坑边帮附近或调度室，接收矿用卡车或钻机发送的各类信息，并发出控制指令。车载终端和控制终端的双向的数据信息以及单向的图像信息通过5G 网络传输。实践证明，5G 网络的大带宽、低延时特点可满足该方案对网络实时性、视频传输高带宽的要求。

基于智能化露天矿建设对高性能无线通信网络需求的问题，探讨了5G 通信技术在赋能智能化露天矿中的关键技术及性能优势。目前，平朔东露天矿5G 网络已经建设完毕并进入了试运行阶段，开创了国内露天矿行业5G 2.6 GHz 和700 MHz 频段的融合组网应用的先河。随着5G 技术的逐步成熟和应用经验的日渐积累，5G 专网已成为打造智能化露天矿的必要条件。利用5G 专网的大带宽、低时延等特性，矿山智能化系统和设备的信息交互变得前所未有的高效和稳定。