煤矿行业是5G专网应用重要的垂直行业之一。近年来，国家出台多项政策和规划，推动5G+智能采矿、5G应用安全、5G规模化应用、设备研制与升级。《5G规模化应用“扬帆”行动升级方案》提出：到2027 年全面实现5G规模化应用，推动5G远程掘进、无人矿用卡车等场景应用，构建数智矿山方案，加速5G安全设备研制及矿山装备升级。

双频5G 融合专网架构特点及功能组成

双频5G 融合专网组网架构

内蒙古蒙泰不连沟煤业有限责任公司（简称不连沟煤矿）的5G专网系统，通过防火墙与办公网、工业环网、调度通信系统、4G系统等外部网络进行互联；5G核心网通过5G万兆承载环网与井下的5G基站等实现互联，双频5G融合专网组网拓扑如图1所示。

图1　双频5G融合专网组网拓扑

双频5G 融合专网特点

矿用双频5G融合专网采用独立方式部署，保证控制面数据和用户面数据均不出矿区，致力于提高矿用5G系统的可靠性、实用性、安全性，满足基于双频5G融合专网的智能化应用需求。

（1） 核心网针对企业级用户定制开发，采用通用X86 硬件和软件定制化方式，支持软硬件解耦，支持控制面和用户面分离，支持单机部署和云化部署，具有易部署、易操作、易维护等特点。对接矿上生产网络和办公网络，与智能矿山建设应用无缝对接，保障生产数据不出矿区，数据安全可靠。

（2） 满足超低时延远程操控，MEC下沉矿井，井下控制中心应用集成至MEC，数据在井下就地处理，保障采掘面超低时延控制类业务。

（3） 满足自主放号免流量费用，终端使用特制白卡接入5G网络，自主发卡，无流量费用。

（4） 利用CPE 把井下不支持5G 的生产设备接入5G网络，实现多业务接入泛在互联。

（5） 基站采用异频设计，充分利用2.6 GHz大带宽，避免同一覆盖范围内同频干扰。

（6） 支持分层环型组网功能，满足井下工作面等特殊环境对网络传输高可靠性、高实时性的需要。

（7） 支持统一网管功能，支持设备状态实时监测、故障实时告警、业务远程动态配置、用户和角色管理、操作日志管理等功能。

双频5G 融合专网的组成

（1） 双频5G核心网及相关系统

在矿井地面机房安装1 套核心网、时钟服务器、万兆工业以太网核心交换机（支持1588 V2） 及移动终端管理平台等软硬件。

核心网的功能主要是提供井下无线网络的注册和控制、业务鉴权、数据交换等功能。核心网为轻量化核心网，针对企业级用户定制开发，同时预留煤矿综合自动化、智能辅助运输等业务系统数据接口，提高煤矿业务数据集成能力和传输效率。采用模块化架构设计，支持核心网和接入网解耦、控制面和用户面分离、网络性能动态优化调整，具有易部署、易操作、易维护等特点。

（2） 双频5G承载网

采用支持高精度时钟的地面万兆交换机、矿用隔爆型万兆交换机组成矿用双频5G万兆承载传输网。根据实际需求，敷设5G网络承载网专用光缆，独立建设矿用5G承载网，地面5G核心网相关系统，通过矿用5G万兆承载网与井下矿用隔爆型数据传输分站（BBU）、矿用隔爆型控制器（MEC）实现互联。

（3） 双频5G接入网

矿用隔爆兼本安型无线基站（RRU）通过光缆连接至矿用隔爆型数据传输分站（BBU），然后通过矿用隔爆型万兆交换机连接至地面双频5G核心网。

按照间隔280 m部署1 台矿用隔爆兼本安型无线基站（RRU），根据井下巷道实际条件，现场进行部署测试，确保重点区域的覆盖效果和数据传输质量。

（4） 本安型无线信号转换器（CPE)

配备本安型无线信号转换器，对接井下不支持双频5G网络的设备接入5G网络。在井下部署摄像机等有线网络设备，可通过矿用本安型无线信号转换器将以太网信号转换为5G信号，接入矿用5G无线通信系统，并上传地面调度室，实现高清视频图像和数据的无线高速实时传输。

（5） 工业安全网关及网管系统

双频5G核心网配置安全隔离防火墙，用于矿用5G无线通信系统与矿办公网、工控网和视频网等外部网络间进行安全连接。地面部署1 套矿用5G网管系统可实现整个系统的统一远程管理和维护，运输大巷及工作面双频5G基站安装场景如图2 所示。

图2　运输大巷及工作面双频5G基站安装场景

双频5G 融合专网的应用需求

煤矿独立组网的行业需求

根据矿山智能化建设信息基础设施的具体要求，定制化的矿用双频5G专网，采用SA独立组网，接入网采用2 级架构，基站支持链形、星形、环形组网。矿山企业对网络自主管理，重要数据不出矿区，满足《煤矿5G通信系统安全技术要求（试行）》的要求。

煤矿井下无线通信的特殊性需求

双频5G融合专网的BBU实现1 个基带板同时处理700 MHz+2.6 GHz 的TDD 制式5G信号，实现不同频段、不同小区间移动性管理；700 MHz+2.6GHz双频融合无线基站，配套双频双向天线同时发射2 个频段信号，实现低频和高频互补，兼顾各场景大带宽和远距离覆盖需求。

煤矿高可靠组网的需求

轻量化核心网及井下防爆核心网双核心网冗余设计，在地面网络故障时，井下防爆核心网仍能保障网络正常不中断。

煤矿应用场景低时延的需求

将防爆型MEC边缘计算应用于接入网侧，下沉至采掘工作面，实现数据就地分流处理，降低控制时延；将5G LAN技术应用采掘控制，远程控制端到端时延<10 ms。

矿用5G 产品本安化的需求

研发了700 MHz、2.6 GHz、3.5 GHz 的3 种5G本安基站、双频本安CPE 等均采用本质安全型设计，整机功耗<18 W，天线发射总功率<6 W，本安设备的体积、质量较防爆设备大幅减少，信号覆盖距离增加1 倍，提高了矿井无线通信系统的安全性、可靠性、易安装维护性等。

矿用5G 稳定运行的需求

后备电源支撑矿井通信系统的安全可靠运行，设计的3 款大容量锂离子电源采用3 腔设计、智能BMS管理，具备控温、除湿、联锁控制、云化数据采集、远程充放电维护等功能，在保证电池寿命的同时增强矿用电源的安全性。

双频5G 融合专网的应用效果

基于5G 的融合通信

双频5G融合通信实现了5G专网内VONR语音通话、5G专网与工业网专网互通、5G与4G语音互通、数据互通、5G 语音VONR 与调度电话互通、5G专网与办公网互通、5G语音VONR与行政办公电话互通，基于5G专网实现的融合通信如图3所示 。

图3　基于5G专网实现的融合通信

将4G 专网的SIM 卡更换为5G 专网的SIM 卡，同时将4G 专网PLMN 改为与5G 专网PLMN 一致，4G EPC 修改PLMN，SIM 卡需要在EPC 重新开户，同时SIM 也需要在5GCVMS 开户，4G 基站修改PLMN，需要重新激活小区。

4G专网与5G专网实现一卡通后，5G终端优先驻留到5G；在非5G覆盖区域，驻留4G；非5G终端只驻留4G；在5G覆盖区域，采用VONR直接拨号通话，在非5G覆盖区域用原有4G通话，基于5G专网内4G专网一卡通的连接方式如图4 所示。

图4　基于5G专网内4G专网一卡通的连接方式

基于双频5G 的边缘计算

双频5G的MEC平台可管理第三方应用、配置分流规则、虚拟化资源等功能的软件应用程序，为用户提供数据展示、操作、后台数据组合与展现，以及系统资源的应用状态、开放能力信息。通过轻量化云平台，系统可以实现全方位集成化，通过下沉至井下工作面控制中心的方式，在井下综采工作面、掘进工作面部署MEC平台，保证工作面各业务系统对超低时延的边缘计算业务需求，双频5G的MEC边缘计算设备及软件架构如图5 所示。

图5　双频5G的MEC边缘计算设备及软件架构

基于双频5G 的无人驾驶车辆

无人驾驶系统的数据传输要求低时延、大带宽的5G无线网络，在长距离煤巷条件下，通过矿井700 MHz+2.6 GHz的双频5G系统，可实现矿用无人驾驶车辆的视频数据、点云数据、远程控制数据的低时延传输，满足无人驾驶车辆与其他系统的协同定位，以及无人驾驶车辆的编组运行。

无人驾驶系统实时传输巷道3D地图数据和传感器数据，提升车辆的环境感知能力，双频5G专网支持的无人驾驶系统作业效率提升20%。双频5G网络的低时延和高可靠性，无人驾驶车辆实现了精确定位、主动避障和自动错车等功能，显著降低了井下运输事故的发生率，基于双频5G的无人驾驶车辆运行场景如图6所示。

图6　基于双频5G的无人驾驶车辆运行场景

双频5G 的安全监测预警系统

随着5G、5G-A 技术的发展演进，融合双频5G、物联网、人工智能、激光传感、矿用防爆等技术，研制出基于5G的矿用激光CH4和O2传感器及智能传感平台，实现井下CH4、O2等气体的精确感知、异常智能预测、快速应急响应。

基于双频5G专网可实时传输传感器和安全监测系统数据，异常信息在设备侧就近处理，将预警响应时间缩短至毫秒级，双频5G的传感器及智能传感平台如图7所示。

图7　双频5G的传感器及智能传感平台

结 语

不连沟煤矿部署的双频5G融合专网系统，构建了矿用双频5G融合专网的独立组网架构，解决了数据不出矿区的安全问题，实现了井下通信的超低时延、高可靠性和数据安全性，基于双频5G融合专网的无人驾驶和安全监测预警系统的应用，推动了不连沟煤矿的智能化转型升级。

策划：李金松 编辑：刘雅清