摘要：“科普”栏目是《智能矿山》精心打造的一个致力于普及煤炭科技知识、弘扬煤炭科学精神、传承煤炭行业文化的特色栏目。本栏目旨在发掘优秀科普人才，聚焦煤炭领域前沿科技动态，展现煤炭科技进步与技术创新，同时将专业化的行业知识转化为通俗易懂且富趣味的科普内容，以帮助大众更
“科普”栏目是《智能矿山》精心打造的一个致力于普及煤炭科技知识、弘扬煤炭科学精神、传承煤炭行业文化的特色栏目。本栏目旨在发掘优秀科普人才，聚焦煤炭领域前沿科技动态，展现煤炭科技进步与技术创新，同时将专业化的行业知识转化为通俗易懂且富趣味的科普内容，以帮助大众更好地了解煤炭乃至能源领域的最新进展，洞察科技发展的趋势。截至目前，该栏目已刊载科普文章和科普视频13篇。
01WHY：为什么需要矿用5G技术
智能矿山建设需要实现矿井人机环数据实时接入的“万物互联”、海量监测监视数据的“高速传输”、移动装备远程控制的“少人生产”以及下一阶段装备群体智能自主控制的“无人生产”。矿井通信需要实现从窄带通信到宽带通信、从有线通信到有线传输+无线移动接入、从信息传输到数据接入+控制功能应用的转变，在高速主干网络的基础上，实现人员与移动装备的无线通信高可靠传输。
矿用5G作为工作在授权频段的新一代移动通信技术，其无线传输的最大单频段带宽为100MHz，上行峰值传输速率可达1Gbit/s以上，依托物理层结构的优化设计、可实现毫秒级传输时延。因此矿用5G的传输能力、时延、可靠性全面满足智能矿山应用场景的低时延控制和大带宽传输需求，成为构建智能矿山高速信息传输通道的最佳选择。
02WHERE：矿用5G+智能矿山场景在哪里
矿用5G除了实现矿井人机环数据实时接入的“万物互联”、海量监测监视数据的“高速传输”，其核心使命是支撑矿用装备的少人化远程控制、无人化智能控制。因此，通过矿用5Ginside，支撑综采、掘进、主运和辅运等生产环节的智能化应用，构建5G+智能综采、5G+智能掘进、5G+智能主运和5G+智能辅运等智能矿山应用场景。矿用5G的应用场景与数据传输的主要类别如图1所示。
2.1 综采工作面部署矿用5G设备
通过采集和分析采煤机、电液控设备运行状态等工况参数，实现生产装备的远程监视、异常分析预警；通过远控平台向采煤机等生产设备发送控制指令，实现设备的远程控制，将井下工作人员撤出工作面等危险系数较高的环境。
图1 矿用5G应用场景与主要数据传输类别
2.2 掘进工作面部署矿用5G设备
对掘锚一体机、锚杆装载机、自移机尾以及顶板支护和运输设备进行状态监测和工况监视，并远程控制掘进设备的运行参数和动作，实现掘进装备远程控制。
2.3 主运巷道部署矿用5G设备
通过矿用视频监控设备可以对带式输送机的运行状态进行远程监控和预警，对于带式输送机的运行状态等参数进行远程调控，实现主运设备远程控制。
2.4 辅运巷道
辅运车载矿用5G设备车辆上的摄像头和传感器等设备，感知到环境信息上传到远控平台，通过巷侧5G+感知设备将环境工况进行实时监视，在远控平台将驾驶策略信息下发到车辆控制单元，实现车辆驾驶行为的调控，保证驾驶策略的制定可有效响应周围环境变化。
综上，矿用5G+生产环节的装备远程智能化控制应用，是实现智能矿山少人化、无人化的核心发展方向，需要持续开展技术攻关和应用验证。
03WHAT：矿用5G网络具体包括什么
按照通信功能和网络架构分层的设计，矿用5G通信网络包括矿用核心网、矿用承载网和矿用无线接入网。矿用核心网作为网络通信系统中枢，主要负责网络的系统性管理、控制和调度等；矿用承载网是连接核心网和无线接入网的“桥梁”，同时也是实现通信数据高速传输的“主干道”；矿用无线接入网主要用于实现井下5G无线信号覆盖，并通过接入采集人机环数据的矿用多模态终端设备，实现数据的高速无线交互。煤矿用5G通信系统架构如图2所示。
图2 矿用5G通信网络架构
3.1 矿用5G核心网
按照智能矿山专网建设的需求以及安标审核发放的专网研发要求，矿用5G核心网需要支撑实现专网组网，以满足独立组网、独立运行的特定需求。针对煤炭集团规模建设智能矿山5G专网和矿井独立建设5G专网的2类场景，矿用5G核心网的组网可分为煤炭集团大规模组网和矿区独立专网2种方式。
（1）煤炭集团大规模组网
面向多矿区/多矿井联合组网需求，在集团中心部署核心网节点，对下辖厂矿的网络进行集中控制和管理，将业务单元（包括承载网和无线接入网）分布式部署在不同的厂矿，实现数据在矿区的独立传输和煤炭集团及内部的数据汇聚与分析。煤炭集团大规模智能矿山5G专网架构如图3所示。
图3 煤炭集团级大规模智能矿山5G专网架构
（2）矿区独立专网
在矿区内直接部署独立的轻量化核心网，实现该矿区内通信数据的集中管控和策略调度等，实现通信数据在矿区内的闭环传输、独立管理与安全隔离。智能化矿井独立5G专网架构如图4所示。
图4 智能化矿井独立5G专网架构
3.2 矿用5G承载网
矿用5G承载网是信息交互的主干网络，按照智能化煤矿的信息传输需求，需要具备10000Mbit/s以上的高速传输能力。智能矿山主干网络的建设不但需要具备高速传输能力，还需要改变传统承载网“先到先传”的“无差别传输”模式，满足智能矿山数据量大、业务类型多、不同业务传输要求差异化显著等需求。对于在网络存在数据拥塞的情况下，需要确保以装备远控为代表的高优先级业务传输质量，确保生产安全。
矿用5G承载网需要基于网络切片技术形成综合承载网，对承载网物理资源硬隔离，针对不同业务的传输速率和时延等方面的差异需求，定制划分低时延业务切片、大带宽业务切片和工业环网业务切片、交互控制业务切片、预留业务切片等，避免不同类型业务之间的资源竞争。
矿用装备控制类业务可以直接在其专用的交互控制业务切片上传输，不需要和大带宽的矿井现场视频监视类进行业务竞争资源，保证传输时效性。矿用5G综合承载网有效实现多系统一网承载、多业务按需分流以及多应用联合调度。基于矿用5G综合承载网的智能煤矿通感一体系统架构如图5所示。
图5 基于矿用5G综合承载网的智能煤矿通感一体系统架构
3.3 矿用5G无线接入网
矿用5G无线接入网是井下5G无线信号覆盖和5G终端接入网络服务，进行数据传输的入口，由矿用5G基站系统和多模态矿用终端设备组成，支撑视频监控、装备远控、人员健康和环境监测等能力。
（1）矿用5G基站系统
目前已经形成了3类矿用5G基站系统架构，包括矿用基站控制器+矿用基站汇集器+矿用基站的3级分布式架构，矿用基站控制器+矿用基站的2级分布式架构，以及一体化集成1级矿用基站架构。无线接入网络的基站部分自左至右依次给出了3级分布式、2级分布式和1级集成式的矿用5G基站架构如图2所示。
（2）无线传输
矿用5G与公众电信网络5G存在显著差异。公众典型网络5G主要以数以亿计的终端用户请求数据下发的下行传输为主，而矿用5G则以井下视频监视、监测监控、人员和设备数据的上行传输为主，为此需要开展上行传输能力的优化，采用大上行的帧结构配置（DSUUU）或者引入上行辅载波进行传输。
此外，针对煤矿井下受限空间强多径、多遮挡环境的通信覆盖距离受限的难题，综合考虑高频载波、大带宽传输能力和低频载波广覆盖传输能力，开展多频联合组网和覆盖增强设计，以满足井下特定的传输需求。
（3）无线链路
矿用5G当前主要采用了上行+下行的蜂窝网络无线链路。除了蜂窝网上下行链路之外，5G的国际标准化组织在5G演进的协议版本中，还定义了直连通信链路（Sidelink），用于进行邻近终端之间的直接通信，无需基站、核心网和承载网等环节的参与，极大简化了信息交互流程，提供了更为低时延高可靠的传输能力。
直连通信的引入最初面向地面交通行业的车联网场景，但经过理论研究和验证，直连通信可拓展应用于煤矿井下场景。矿用直连通信链路应用场景示意如图6所示，包括矿井灾后应急通信链路的快速搭建、煤矿井下自动驾驶以及矿用装备邻近控制等。
图6 矿用直连通信应用场景
04 结语
随着智能矿山与煤矿智能化的广泛建设，矿用5G在推动智能矿山信息基础设施建设方面发挥着重要作用。矿用5G依托其大带宽、低时延、高可靠的传输能力，构建了智能矿山高速信息传输通道，支撑智能化矿井逐步构建、不断优化人机环“万物互联”、大数据“透明矿山”、少人化“装备远控”等应用场景，为智能矿山建设提供了强有力的支撑。
文章来源：《智能矿山》2024年第11期“太阳石科普”专栏
作者单位：煤炭科学技术研究院有限公司
引用格式：李晨鑫，王亚坤. 智能矿山高速信息传输通道——解密矿用5G通信系统[J]. 智能矿山，2024，5(11)：48-52.
来源：智能矿山杂志
