5G专网为智慧矿山打造安全高效的网络基座
发布时间：2022-01-21 作者：中兴通讯 王晓明 阅读量：
矿产资源是国民经济建设与社会发展的重要物质基础。我国矿产资源主要包括煤炭和有色金属，其中煤炭在我国能源体系中发挥着基础性保障作用。矿山生产环境恶劣，工作环境复杂，安全生产一直是矿企的重中之重，通过数字化转型实现无人少人生产是矿企努力追求的方向。5G网络以其低时延大宽带大连接的能力，可以实现矿山生产环节的智能感知、泛在连接、精准控制，催生成熟工作面智能采掘、巷道智能巡检等多个智慧矿山应用场景，为矿山数字化转型提供坚实的网络基础。
矿山网络情况较为复杂，分为井上和井下，井下部分又有巷道和工作面，有大量的环境监控信息、各类设备的状态信息/操控信息等数据需要传输。不同应用场景对网络需求各有侧重，比如工作面智能采掘，需要网络提供极高的上行带宽以传送大量的高清监控视频流，以及低时延高可靠特性保障命令准确及时下发；而巷道单兵通信以及井下车联网，则需要网络提供良好的覆盖。此外，矿山通信系统还有一些普适的要求，比如设备安全、数据安全等。因此在设计矿山专网时，需要在产品形态、覆盖方案、网络架构、网络特性等几个方面综合考虑。
产品形态
煤矿企业对下井设备有着严格的安全要求，所有下井设备必须通过防爆认证，获得相关的煤矿安全证书。中兴通讯与业界领先的矿山行业集成商合作，选择适合煤矿井下部署和使用的低功率皮基站（Qcell）进行结构散热和耐压隔离方面的优化改造，共同推出了隔爆型防爆5G基站产品。优化和改造后的隔爆型防爆5G基站产品综合体积重量可以较原来减少50%，支持挂墙安装，有效节省巷道内的占用空间；扁平的贴壳散热设计，散热效率提升40%，防止高温导致的器件失效，提高设备运行稳定性。同时为了更好地服务矿山企业，中兴通讯联合领域内专业的企业和机构进行了本安防爆基站的研制，为矿企提供体积更小重量更轻的井下5G解决方案。
覆盖方案
井下巷道是一个狭长而且封闭的空间，宽度、高度不一，空间受限严重，无线传播环境特殊。针对这种典型的线状覆盖场景，在每个5G 皮站的点位，向左右两个方向各拉一面定向天线覆盖两个方向。井下基站的覆盖半径随频段选择、巷道环境、业务要求而不同，一般2.6G/3.5GHz在100~300m左右。中兴通讯与合作伙伴一道首次把700MHz频段引入井下，实测700MHz覆盖距离大约是2.6G/3.5G的3~4倍。
网络架构
矿山5G专网在选择组网方案时通常会考虑独立专网、混合专网两种模式。独立专网由企业自主建设，专网专用。独立专网可以为矿山用户提供与公网物理隔离的端到端网络设备，信令和数据不出园区，保障矿山数据的高度安全。混合专网方案可以通过与运营商公网共享网络资源，降低专网建设成本，同时通过UPF（User Plane Function）下沉满足矿山数据不出园区的需求。
为了帮助矿山企业快速构建井下专网，中兴通讯推出了直接在基站侧进行本地分流的NodeEngine方案。该方案避免了核心网下沉所需要的复杂对接流程，简单高效，并可以进一步降低通信时延。
网络特性
矿山专网需要配置一些运营商公网不需要的特性。针对很多矿山应用场景的大上行带宽要求，中兴通讯开发了支持上行大带宽的帧结构，与合作伙伴实地验证，在100MHz带宽下获得大于600Mbps的峰值上行速率。
此外，矿山专网对可靠性要求非常高，业主要求即使对外通信链路中断，专网承载的业务仍然可以继续。为此中兴通讯提出了两级网络容灾解决方案，确保断纤不断网（见图1）。一级容灾是指在基站部署NodeEngine或核心网UPF下沉到矿区，当出现传输链路故障而导致核心网和矿区内无线系统控制面和用户面连接断开时，确保已经进入网络的终端和应用能保持而不影响生产作业；二级容灾更进一步，在矿区本地部署备份i5GC控制面系统，当出现传输链路故障，专网自动切换到本地i5GC进行工作，确保已经进入网络的终端和应用能保持的同时，新接入用户也不受影响。
图1 矿山专网断链保活方案
中兴通讯联合运营商和第三方集成商，已经与多个矿企进行了5G专网部署实践。在晋煤赵庄矿，通过深入井下掘进面的5G专网，实现了全国首例远程操控智能掘进试点；在大海则煤矿，实现了首个井下700MHz频段的5G覆盖，大大降低了井下覆盖所需基站数目；联合富家凹煤业，完成国内首个5G+综采面远程控制+全景视频融合；与山能集团合作，验证了NodeEngine方案在井下就近分流快速构建本地专网的能力。未来，随着更多的5G+应用场景被发掘，5G赋能会更深入渗透到煤矿的生产各环节，而中兴通讯将继续提升5G专网的成熟度，为矿山智能化转型贡献力量。
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