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基于5G无线网络技术的智慧矿山方案研究

摘要：随着全球范围内信息化、数字化、智能化技术的迅猛发展，传统矿山行业正借助相关技术进行变革转型。为了全面提升传统矿山企业在国际市场的综合竞争力，以及未来可持续发展的能力，我国先后提出以工业互联网、智能制造、人工智能和5G等新一代信息技术赋能矿业的指导政策，旨在推进“互联网+矿山”建设智能矿山，实现传统矿业的数字化转型和智能化升级。随着信息技术的发展，5G具备更低的时延，更高的速率，更大的带宽，更好的业务体验，有感知泛在、连接泛在、智能泛在的特点，正在逐步成为未来工业互联网的网络基石。同时，5G技术依托机器学习、人工智能、工业互联网等先进技术，可进一步解决数据利用率低、展示能力弱、传输不可靠、远程控制实时性差、智能决策效率低等问题。为推动传统矿山的智能化转型，降低安全风险和生产成本，提高生产效率，可借助5G技术优势打造矿山工业互联网平台、井下融合组网、高清视频监控、无人化采掘、矿用机械远程控制领域的信息化建设和发展。基于此，本篇文章对基于5G无线网络技术的智慧矿山方案进行研究，以供参考。

关键词：5G无线网络技术；智慧矿山；方案研究

引言

全球范围内5G商用早已全面展开，我国作为5G技术的领导者，走在全球5G商用的前列。截止目前，我国5G商用基站已经部署150.6万站，其中大部分5G网络面向的是ToC业务，即向大众消费者提供高速下行服务。目前移动运营商、垂直行业和业内厂家正在积极探索5G在工业互联网、智能交通、智能电网以及智慧矿山中的应用。随着5G技术在各行各业中的应用,将助力我国传统生产制造行业转型，实现生产制造的数字化、网络化和智能化。矿山行业在我国经济中占据重要的地位，当前矿山建设行业面临很多亟待解决的问题，如安全事故频发、人力成本高、网络信息化能力不足等，严重制约矿山行业的发展。因此，5G+智慧矿山成为解决以上问题的重要技术方案。

15G技术概述

从2013年成立5G推进组，2018年底基本完成5G技术的关键技术、技术方案和组网的测试验证，到2019年推出5G手机，这标志着我国正式进入5G时代。5G技术的典型特征是增强型移动宽带、低延时、高速率、高可靠性以及海量的物联网通信。规划中，5G的最高速率可以达到10～50Gb·s-1，具有更大的带宽。5G的终端设备数量呈爆炸性增长，为了实现海量终端全覆盖，接入网采用微基站技术，特点是布设密度较大、基站辐射小、终端功耗降低，传送时延小。

5G的关键技术:(1)多址接入技术。5G采用了多种多址接入技术方案，通过在空/时/频/码域的信号发送的叠加方案，提升不同场景下的接入能力和频谱效率；采用多用户共享接入技术实现低功耗、低成本和海量连接；采用稀疏编码多址接入技术，完成物理层资源映射功能；采用非正交多址接入技术，可大幅度提升未来网络设备的计算能力；采用图样分割多址接入技术，实现通信系统的性能优化和联合检测。5G系统的新型多址技术能够满足智能制造的大规模连接需要。（2）时间敏感网络。5G利用高精准的时间同步技术，实现生产上信息处理的时间敏感性（Time-SensitiveNetwork，TSN），从根本上保障了智能工厂业务传输低时延的需求。

2矿山5G网络架构

矿山5G核心网通过专网通信平台实现矿用5G独立组网、独立运行的需求；通过用户平面功能（UserPlaneFunction，UPF）和多接入边缘计算(Multi-AcessEdgeComputing，MEC)下沉，在实现低时延传输性能的同时，采用智能传输网（SmartTransportNetwork，STN）设备控制数据的内网/外网流向，实现对接公网情况下的数据矿区内/外的管控和分流。矿山5G终端在矿山5G网络注册后，核心网根据接入点的数据网络名称（DataNetworkName，DNN）和无线基站归属，确定下沉的UPF，用户面数据经过基站和承载网络（SmartTransportNetwork，STN）设备，之后回传到下沉的UPF，进而通往矿山数据中心的防火墙，再接入内网。矿山5G承载网设备用于实现井上井下的数据交换，在承载网设备中集成信息安全模块、进行数据安全审计监测和传输控制，实现井上井下数据安全隔离，同时设计网络切片和QoS（QualityofService，服务质量）管理模块，对不同业务进行信道划分和隔离，实现多种业务共存信道隔离和传输性能保障。矿山5G接入网采用基站控制器+基站汇集器+基站+终端的方式，实现井下5G信号的分区、按需覆盖，基站与终端的无线空中接口方面，针对不同传输需求指标、采用不同资源调度算法的资源调度机制：为下行低时延数据传输预留空口资源，当下行低时延业务需要传输时，直接采用预留资源，以达到降低时延的效果；为上行大带宽数据传输提供按需调度的空口资源，当上行大带宽业务