5G,下井!

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行业观察

正在到来的2021年,将是5G SA专网开启规模化落地助力重点行业智能化转型的元年。国民经济的重要组成部分——煤炭工业即是这样的重点行业之一。业界已经有了把5G应用于煤矿的初步实践,但是面向智能煤矿综采的煤矿井下网络对5G系统的性能、可靠性有着相当高的要求,5G微信公众平台(ID:angmobile)在近期观察到紫光股份旗下新华三集团在该方面取得了最新进展。

Page  1  智能化煤矿综采,网络可靠极重要

煤炭是主要的能源和重要工业原材料,国内现有的5300多处煤矿,分布区域广泛,开采地质条件复杂多变,煤与瓦斯突出、冲击地压、水、火等多种灾害并存,建设安全、高效、绿色的智能煤矿势在必行。智能煤矿建设将直接关系国民经济和社会智能化的进程——今年2月,八部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》拉开了煤矿智能化综采的序幕。

制约智能化综采技术发展的核心问题主要表现在数据传输的带宽、设备控制的即时性和多元数据融合智能分析等方面,归根结底,是由于现有网络在带宽、延时、并发数量等方面的限制导致大数据、AI、VR/AR等先进技术难以被应用到煤炭开采——国内94%的煤矿为井工开采煤矿,是典型的深部空间作业,具有环境恶劣高危、生产现场环境动态多变、作业线长、设备数量庞大、用人多等特点。井下工业环网能力不足、有线网络难以满足大规模接入要求、有线通信也难以实现对移动生产设备的控制。5G微信公众平台(ID:angmobile)观察到,煤炭工业界正在寻求具有大带宽、超低时延、高可靠通信、海量连接等优势的5G网络对现有网络形成强大的优势互补,有效解决传统人工作业操作危险系数大、劳动强度高等问题,同时提升生产效率。

一方面,煤矿井下空间狭小、环境复杂、温度高、湿度大、粉尘多、光线不足、瓦斯等易燃易爆气体积聚、生产条件恶劣;开采煤矿需要对矿井进行通风,存在水、火、煤尘、顶板、瓦斯等潜在灾害发生的可能;煤矿开采为常态化移动性地下作业,生产环节多,地质条件经常发生变化。这些特点决定了其对井下通信系统及设备的可靠性要求非常高。另一方面,煤矿智能综采工作面的高精度定位装备惯性自主导航系统、智能协调控制系统、高密度传感器接入系统、智能机器人巡检系统、高清视频回传系统、辅助运输系统无人化等共同组成的设备群需要通过中心控制系统进行统一协调处理和快速反馈控制,对通信网络的可靠性提出了很高要求。

比如,采煤机的姿态、速度、煤岩识别等一系列判定和动作都需要在一定的逻辑控制序列中瞬间完成,要求5G网络端到端时延达到毫秒级并具备高可靠性。又如,辅助运输系统需要具备实时获取厘米级精确定位、高清图像视频等信息以便实现主动避障、自动错车、风门联动等功能,从而需要高可靠的5G网络。再如,煤矿智能综采离不开井下移动机器人的规模化使用,这些机器人大量的数据采集和传输以及极低时延的控制操作,对于网络的可靠性有着更高要求。

Page  2  五方面全方位保障网络高可靠

综上,矿用5G系统部署在环境复杂、条件恶劣的煤矿井下,系统整体的可靠性受到外界环境极大影响,从而需要对矿用5G系统功能及设备进行优化以提高其可靠性。5G微信公众平台(ID:angmobile)观察到,通信界正在大力打造煤炭行业“高可靠”5G组网解决方案,比如笔者近期调研的新华三集团相关解决方案(如下图),深入分析下来,除了具有优秀性能,在多个关键方面均具备高可靠性。

4.1

● 核心网的高可靠性

对于煤矿企业而言,通过5G独立专网一来可大幅减小时延,满足业务按需分层隔离的切片需求,从而提高业务系统可靠性;二来可保障数据和信息安全;三来可不受运营商外部网络发生故障或断开的影响,能安全、独立、稳定运行,保证无线通信及数据传输的稳定、可靠,从而保障煤矿业务不中断,满足井上井下安全隔离的相关规定。

上图中的5G独立专网方案,据悉相关产品支持AUSF、UDM、UPF、SMF、NSSF、NRF、AMF等核心网功能网元,吞吐量高达40Gbps;支持VoNR、业务切片;支持非法用户禁用、基站间切换。据了解,相关方案还通过与运营商大网连接(有安全隔离)以在保障数据安全的前提下实现与外网语音和数据的互联互通,井下5G采用本地核心网和专网,井上5G为运营商网络,矿区员工手机可实现井下接入和井上接入,井下员工可实现与井上员工语音通信。

● 承载网的高可靠性

如果仍以现有5G公网通信系统的星型组网作为煤矿5G专网的组网架构,即煤矿地面部署核心网,井下的每个矿用基站控制器单独通过线缆与核心网连接。那么,由于煤矿井下环境复杂、条件恶劣,线缆极其容易出现断裂、接触不良等状况,当线缆出现单点故障时,就会造成部分设备离线。由此可看出对于煤矿5G专网,星型组网架构的可靠性不高,应采用环型组网来提高5G系统的可靠性,以IPRAN设备构建新型万兆环网,每台IPRAN环网设备占用独立的两/多芯光纤(一主一备/一主多备)与地面的IPRAN环网设备连接,实现井下环网设备之间的相互独立。工程上通过采用多余纤芯预留和过路纤芯直熔可增强环网系统抗灾能力。

从上图看来,新华三煤矿5G组网方案中的“IPRAN骨干环网”即能满足上述需求,天然对单点故障“免疫”,具有很高可靠性。此外笔者进一步了解到,新华三的IPRAN设备本身采用高可靠设计,通过关键部件冗余设计、高性能硬件OAM,以及MPLS L2VPN FRR、MPLS L3VPN FRR、PW冗余等可靠性技术,配合硬件BFD检测,实现网络故障后毫秒级切换进一步提高5G煤矿组网的可靠性。受矿区环境条件所限,网络设备应具备体积小、可持续演进的特点。新华三IPRAN设备在有限的体积内支持100G/50G/25G/10G/GE等丰富的接口,同时支持丰富的SRv6特性以及全面SDN能力,能够保障长期技术演进能力。在配合基站业务方面,通过bits时钟服务器以及1588V2技术可确保各基站的时钟、时间同步,为基站间业务同步提供支撑。

另外图中还显示“保障数据的统一承载”,5G微信公众平台(ID:angmobile)猜测该方案很可能实现了IPRAN环网破除“网络孤岛”(每个系统一张网),对目前煤矿井下部署的主要包括工业以太环网、4G网络、Wi-Fi网络、有线调度通讯系统、应急广播、定位系统等各类网络进行统一承载,从而很好地满足了煤矿智能化过程中对于“向融合通信升级以实现‘一张网’传输”的极大需求,解决严重阻碍煤矿智能综采的互联互通障碍且网络承载能力差,对于提升整体煤矿通信网络的可靠性大有裨益,可为煤矿企业的各类应用系统提供安全、稳定、可靠的工作环境。

● 无线网的高可靠性

煤矿井下环境复杂、条件恶劣,线缆极易断裂。比如综采工作面由于设备较多且液压支架、采煤机、转载机经常需要移动,易压断信号传输线缆。从而,在煤矿5G专网中,如果每个矿用基站(远端射频单元pRRU/5G小站扩展单元FSW)单独通过线缆分别接入所属矿用基站控制器(BBU/FSW),一旦出现单点故障,煤矿业务就会被中断甚至可能出现安全生产隐患。解决这一问题的关键在于把所有pRRU/FSW连接起来形成环网以防止出现单点故障。从上图看来,新华三煤矿5G组网方案中的“井下以太环网”即能做到这一点。笔者进一步了解到,BBU(软硬解耦)-FSW-pRRU(支持2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz频段并可提供RFID、Zigbee、UWB、蓝牙等接入)基于以太网协议,可支持井下环形组网,最大8级FSW,环网总长10km;支持通过有线无线统一传输实现有线无线的有机结合;支持RRPP协议,链路完整时能够防止数据环路引起的广播风暴,其中一条链路断开时能迅速恢复各个节点之间的通信通路;拓扑收敛速度低于50ms,收敛时间与环网上节点数无关。

对于这种环形组网,5G微信公众平台(ID:angmobile)认为还有一个很大的潜在优势——煤矿井下高可靠性场景(比如工作面)中,在矿用5G基站与矿用5G基站控制器组成环网的基础上,可进一步在井下部署配置有AMF、UDM等功能网元的矿用服务器,以应对当相关区域5G系统与地面核心网通信中断时,保障现场系统业务不中断。

此外,5G微信公众平台(ID:angmobile)觉得,煤矿智能化应用的场景很多,但并非所有场景都需要这种环形组网,还要综合考虑相关场景对于可靠性的要求、成本和施工难易度等实际情况——比如对于主要用于传输控制信息的工作面,由于环境极为复杂、大型设备很多,对于链路的可靠性要求很高,就适宜采用环形组网;而对于部署于普通巷道的pRRU/FSW部署(用于通话、传输图像等),最适宜采用星型/级联组网。上图所示的新华三解决方案中也包括级联组网模式。笔者认为,灵活按需选择环型组网与级联组网架构,不仅可以很好地解决链路单点故障问题、提高网络可靠性,还可以很好地兼顾成本和施工难易程度。

“防爆”是煤矿井下安全生产的基本要求,面向煤矿的极高安全要求和通信设备信号散热等,5G煤矿专网要规模化地迅速复制推广,井下通信设备“本安型”是很好的选择。

● 业务指标的高可靠

隔离性是可靠性的一个重要保障。煤矿企业为解决控制数据、视频监控数据和安全数据的及时传输和隔离难题,独立建设控制通信环网、视频环网和安全环网,虽然一定程度地解决了数据互占通道和安全数据隔离的难题,但带来的投资大、底层物联和上层融合难的问题也很突出。5G网络切片具有虚拟化、按需定制、端到端、隔离性等显著特点,是一种有效的解决方案。通过在煤矿5G专网中部署端到端5G网络切片,对应煤矿井下各应用场景实现业务隔离,保障各业务在带宽、时延等指标方面的可靠性。

笔者进一步了解到煤矿5G组网解决方案中端到端5G网络切片是业务资源隔离的关键:①5G核心网切片采用NSSF实现切片的选择,支持基于NSSAI、位置信息、切片负荷信息等各种策略配置与选择切片;②承载网切片方面,井上IPRAN设备支持FlexE功能,对接口进行切片,区分无线侧不同业务迭代至各个FlexE切片中,确保各类业务的SLA需求得到满足。目前业界最新的标准是FlexE2.1,50GE/100GE端口切片,最小切片粒度为5G;③无线接入切片方面,既可硬切(将频率、时间资源以固定的方式分配给特定的切片,不同业务独占这些静态的无线资源接入切片网络),也可软切(根据切片业务请求的实时达到情况按需分配时频资源)。

● 高效网络运维管理

对于智能煤矿而言,保障业务可靠稳定,确保信息系统及服务的7×24可用性及稳定性是运维的基本目标。业务稳定、运行安全和提效降本的重要抓手是统一的网管系统对核心网、传输网、基站接入以及终端进行统一管理,同时需要实现运营商对煤矿井下网络进行远程运维管理,以协助煤矿企业解决本地无法解决的故障。据悉上图所示新华三煤矿5G组网方案中的iMC即是统一网络管理平台,可对核心网、IPRAN、5G小站、Wi-Fi 6等多设备统一管理,具备灵活的拓扑功能、丰富的FCAPS管理功能,实现全面的基础资源管理、智能的告警管理、完善的性能管理、强大的配置管理。

Page  3  支撑煤炭工业的转型升级更为扎实

5G网络下井后,智能化煤矿综采将有望有力推动煤炭产业的质量变革、效率变革、动力变革,从而实现煤炭工业转型“质”的突破,大幅提高煤矿5G网络的整体可靠性,有利于煤矿井下越来越多应用场景及早享受到5G技术带来的红利,进而更快更好地支撑煤炭工业的转型升级。

来源: 5G

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