5G 专网技术及煤矿5G 专网方案分析

霍振龙

（1. 中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州 213015；2. 天地（常州）自动化股份有限公司，江苏 常州 213015）

0 引言

2021 年6 月7 日，国家发展改革委、国家能源局、中央网信办、工业和信息化部联合印发《能源领域5G 应用实施方案》（发改能源〔2021〕807 号），在总体目标中提到了围绕智能煤矿方面，拓展一批5G 典型应用场景，建设一批5G 行业专网或虚拟专网，研制一批满足能源领域5G 应用特定需求的专用技术和配套产品。

5G 作为新一代信息技术，具有高带宽、广连接、低时延等显著优点[1-4]，联合网络切片、边缘计算等核心技术，可以为垂直行业带来变革性的应用场景。但往往企业并不是同时需要满足高带宽、广连接、低时延的苛刻要求，不同业务、不同时段对通信的需求不同[5]。另外，有的企业希望可以获得对5G 网络的所有控制权、高度的可靠性、安全性、隐私性等，公网无法完全满足这些特定需求。专网是指在特定区域实现网络信号覆盖，为特定用户提供通信服务的专业网络。5G 专网提供了企业定制化网络的自由度，可以根据使用场所、工作类型提供不同的配置，在隐私和安全方面都有明显的优势。

煤矿移动通信伴随地面移动通信技术的发展，经历了2G，3G，4G 到目前的5G。在2G，3G，4G 的各个阶段，由于网络及覆盖设备相对单一、网络架构较简单，运营商几乎没有参与矿井通信网络的建设，所以矿井现有的除5G 以外的通信网络大部分是以独立专网的形式存在。到了5G，无线通信在带宽、时延、终端连接数量、可靠性等方面的性能大幅提高，相应地网络架构和组网方式也有了一些新的变化，其中专网方案不再是单一的独立专网方式，还存在混合专网、虚拟专网等方式[6]。煤矿独立专网方案是一种煤矿企业独立建网、自己运营的方案，该方案是完全自主建网、运营、维护，独立于现有运营商的网络，能够最大限度满足矿区的通信需求。虚拟专网、混合专网是由运营商采用网络切片、移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）、5G LAN 和时间敏感网络（Time Sensitive Networking，TSN）等专网关键技术及用户面下沉等方式建网，与公众移动通信网类似，不论是初期的建网到后来的运营、维护、扩容等，都与运营商有关。本文分析了5G 专网技术及煤矿5G 专网方案，以期为煤矿5G 专网的建设提供参考。

1 5G 专网关键技术

1.1 网络切片

网络切片是一种按需组网的方式，在基础设施上分离出多个虚拟的端到端网络，每个网络切片从无线接入网到承载网再到核心网上进行逻辑隔离，以适配各种类型的应用[7]。端到端网络切片包含多个子切片：无线网子切片、承载网子切片和核心网子切片。每个子切片可以单独管理，不同的切片可以提供不同的网络特性，例如速率、时延、可靠性等；各个切片之间可以相互隔离，一个切片的过载不会影响其他切片的性能[8-9]。

在3GPP R15 版本标准中，明确了网络切片得到NG 运行侧支持的主要原则和要求，包括切片的感知、运行侧支持资源隔离和切片资源管理、运行侧网络切片选择、切片对服务质量（Quality of Service，QoS）的支持、用户设备（User Equipment，UE）对多切片的支持和UE 的切片访问验证、切片的颗粒度、运行对实体的选择。

1.2 MEC

MEC 在移动网边缘提供IT 服务环境和云计算能力，强调应用、服务和内容可以实现本地化、近距离、分布式部署，从而在一定程度上满足了5G 增强移动宽带、低时延高可靠及大规模机器通信类终端连接等场景的业务需求。

MEC 相当于是无线网络边缘和基础设施边缘的交汇点-本质上是移动网络和互联网交汇并传递数据流量的地方。通过将传统的数字基础架构置于移动网络的旁边，能够为移动通信、视频流及物联网等新用例带来性能和延迟方面的显著改善，MEC 主要优势为省时、省力、省流量、简单细致高效[6]，目前无线网络和传统互联网基础设施的结合正在越来越多地支持MEC 的应用。

1.3 5G LAN

5G LAN 主要针对行业网客户提供安全高质量的私有移动局域网服务，实现本地或跨域互联，同时5G LAN 支持指定的终端组基于Ethernet 或IP 进行点对点通信，满足工业互联网、企业办公、车联网等业务需求[10]。运营商对5G LAN 的网络部署，一般优先满足固定园区场景的需求，采用专用用户平面功能（User Plane Function，UPF）通过本地交换能力完成用户数据的本地交换；若园区分布在多地，一般选择基于N19 的用户面组网方式，实现跨园区多UPF 之间的互通。

1.4 TSN

3GPP 在R16 版本标准引入了5G 与工业网络互通架构-时间敏感通信（Time Sensitive Communication，TSC），TSC 将5G 系统作为一 个TSN 网桥集成在TSN 系统中，通过高精度时间同步、确定性转发、TSN 管理协同及网络拓扑发现等能力，在固网覆盖困难或存在移动性要求的业务场景辅助TSN，提供确定性网络传输服务[11]。

TSN 是以标准以太网为基础，在数据链路层提供确定性数据传输服务的标准化网络技术。为实现确定性传输，满足部分流量对传输实时性的要求，增强了流量整形、时钟同步、网络管理配置等机制，通过集中管理和协调调度确保实时应用的可靠性。

2 常用5G 专网方案

2021 年1 月，工业和信息化部印发《工业互联网创新发展行动计划（2021-2023 年）》，明确表示要深化“5G+工业互联网”，支持工业企业探索5G 专网建设及运营模式，规划5G 工业互联网专用频率，开展工业5G 专网试点。为此，三大运营商皆推出自身专网解决方案：中国电信针对不同的网络需求，推出了“致远、比邻、如翼”3 种服务模式，为行业应用提供了端到端、系列化的解决方案；中国联通采用虚拟专网、混合专网和专属专网的5G 专网解决方案；中国移动推出了“优享、专享、尊享”3 种模式的5G 专网[12]。结合华为、中兴、大唐等推出的专网方案，5G 专网方案归结起来主要有虚拟专网、混合专网、独立专网3 种。

2.1 虚拟专网

虚拟专网与公网共享统一数据管理（Unified Data Management，UDM）、5G 核心网控制面（5G Core Control Plane，5GC CP）、UPF、MEC 和5G 基站，也就是端到端网络切片，通过5G 切片技术，可以实现多个逻辑隔离的专属管道，实现专网用户与公共用户的业务隔离，互不影响，保障用户业务安全。用户信息和数据流量的安全性取决于网络切片能力，而时延保障则取决于运营商边缘云的部署位置。核心网依托于运营商，公网、专网统一放号，可以实现矿区内外“一号通”。5G 系统的管理、维护、放号等均依赖运营商；5G 系统与运营商公网相连，数据和控制全部要经过运营商网络，安全性较独立专网差；移动语音调度等行业应用功能目前尚难以实现。

通过切片方式构建的5G 虚拟专网具有服务范围广、灵活性高、成本低、建设周期短等特点，适于各种覆盖范围广、接入终端在时间和空间上不固定，同时又有一定的业务质量要求和一定程度的数据隔离要求的应用，如智慧城市、智慧景区、智慧小区及智能交通等场景。

2.2 混合专网

混合专网和公网之间共享5G 基站（gNB）、5GC CP 和UDM（RAN 和控制平面共享），专用的UPF 和MEC 内置于企业中，企业专网的gNB 和UPF 通过N2/N4 接口连接到运营商的网络并由其管理。与虚拟专网不同，利用混合专网，企业的内部数据不再需要从公网UPF 转一圈，而是通过企业园区内部的专用UPF 直接传输到企业内网，传输路径更短，数据不出园区，安全性更高。由于传输路径短，网络的端到端时延可以有效降低到15 ms 以下，个别场景的时延可以小于10 ms，超低的时延可以让5G 应用到时延要求苛刻的控制环节。另外，由于MEC 和UPF 部署在园区内部，企业对网络的控制程度得以提高，可以进行多种灵活的自主服务，如自主配置、告警提醒等。

混合专网方案中，企业专网的设备信息存储在运营商的服务器中，而且控制信息和用户信息要经过核心网，因此在私密性方面会稍弱。

2.3 独立专网

5G 独立专网采用专有无线设备和核心网，具有gNB、接入和移动性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、会话管理功能（Session Management Function，SMF）、UPF、MEC 等5G 系统的所有网元功能。从无线基站到核心网用户面、控制面，端到端为行业用户单独建设，提供物理独享的5G 专用网络，满足行业用户高带宽、低时延、高安全、高可靠的数据传输需求。这种高度定制化的网络，控制和数据全部在本地，可最大程度地发挥5G网络性能，方便实现覆盖无死角、数据不出园区、生产不中断、上下行带宽优化、超低时延和超高可靠性。

独立专网方案中，由于核心网为自由专网，5G 系统的管理、维护、放号等均自主可控，灵活性较好；5G 系统与运营商公网物理隔离，安全性高；对移动语音调度等行业应用支持度高。

3 煤矿5G 专网方案选择要点

煤矿是个相对特别的场所，智能煤矿的建设在通信带宽、时延等方面提出了较为苛刻的要求，5G 低时延、高带宽、多连接的特性正好满足需求，但在5G 具体建设中需着重考虑一般性原则和煤矿特殊要求。

3.1 一般性原则

5G 专网方案的选择应整体考虑专网的安全性、可用性、可靠性，合理选择专网网络架构和技术方案[6，13]。

（1） 安全性。行业数据安全在企业运营中起到举足轻重的作用，某些机密性和安全性要求较高的核心业务要求数据不出园区，这给网络提出了强隔离及本地化部署的要求。

（2） 可用性。不同行业、不同业务对网络的需求不同：视频、虚拟现实（Virtual Reality，VR）等相关业务要求高吞吐量；自动驾驶要求网络超低的传输时延和极高的可靠性；监控、诊断等业务需要网络具备海量接入能力。

（3） 可靠性。根据业务可靠性容忍度，可按需进行端到端可靠性技术选择，满足行业在正常运营情况和有突发事件时对5G 系统可靠性的要求。

3.2 煤矿特殊要求

《煤矿5G 通信系统安全技术要求（试行）》规定，5G 系统应能够独立组网、独立运行，在外部网络故障或断开时，系统应能安全、独立、稳定运行，保证无线通信及数据传输的可靠、稳定。同时，煤矿的作业环境、安全要求、生产流程和其他行业相比有较大差距，因此在无线通信方面会有以下特殊要求。

（1） 调度功能。调度是煤矿安全生产最基本的功能，需通过煤矿通信系统实现强插、强拆、多方通话等调度功能。同时支持有线无线混合组网，能同时调度有线、无线用户。

（2） 融合需求。煤矿井下应用的多样性导致各类应用场景对网络的需求也不完全相同，现有的共存网络类型包括4G、窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）、WiFi、现场总线、以太网等，为了更合理地规划使用网络并有效利用各种网络的优势，5G 专网需要充分考虑与现有网络的融合，构建与现有系统互联互通并深度融合的异构网络架构。

（3） 自主运营运维。由于煤矿通信系统的特殊性，设备的维护与公众移动通信系统有很大的区别，煤矿大多距离市区偏远，并且外部人员需要申请许可才能进入，存在大量与运营商的协调问题。从煤炭行业用户角度来看，需要拥有简单而必要的自运营和自运维能力，满足网络资源灵活配置、自主网络运营、业务变更调整等需求，主要包括：① 可管理能力。实现用户的自配置和自管理，如告警、巡检、诊断、维护（远程/多地）、升级等。② 可扩展能力。用户可以根据自身需求的改变，在一定条件下动态调整网络，如用户新建/删除、用户权限变更、业务变更、网络微扩容等。

（4） 本质安全。煤矿井下条件特殊，电气设备必须具备防爆功能，而本质安全型电气设备是一种比较理想的防爆设备，具备结构简单、体积小、质量轻、安全性能可靠等特点，可适用于煤矿井下任何场合[14]。因此，在满足技术要求的情况下，应优先选用本质安全型电气设备。

4 煤矿5G 专网方案选择

从目前5G 专网的种类结合煤矿对专网的需求特点分析，煤矿可用的5G 专网主要有虚拟专网、混合专网和独立专网。

（1） 虚拟专网。虚拟专网与公网共享UDM，5GC CP，UPF，MEC 和5G 基站，也就是端到端网络切片，用户信息和数据流量的安全性取决于网络切片能力。虚拟专网方案对煤矿来说，建设周期短，但自主性差，网络调整、设备增减都要通过运营商，对煤矿特殊功能的支持度低，适用于煤矿智能化建设初期对数据的保密性、时延、可靠性要求不是太苛刻的情况。随着网络切片等技术的进一步发展，虚拟专网性能会有所提高。

（2） 混合专网。混合专网方案是目前用得最多的方案，专网和公网之间共享5GC CP 和UDM（RAN 和控制平面共享），专用的UPF 和MEC 内置于煤矿，煤矿专网的gNB 和UPF 通过N2/N4 接口连接到运营商的网络并由其管理。煤矿专网的设备信息存储在运营商的服务器中，因此在私密性方面会稍弱，但也满足数据不出矿及低时延的要求，缺点是对移动语音调度等行业应用支持度低，网络调整、设备增减管理相对麻烦。

（3） 独立专网。从无线基站到核心网用户面、控制面，端到端为煤矿用户单独建设，提供物理独享的5G 专用网络。从技术角度看，5G 独立专网方案是最适合煤矿需求的：5G 系统和公网完全隔离，数据不出矿区，确保数据的安全性和私密性；网络的配置管理、用户开户、网络监测、网络能力调用等网络运营运维能力可完全交给用户，符合煤矿行业的传统习惯，提高工作效率；有效保证低时延特性，满足煤矿车辆自动驾驶，设备远程控制、协同作业等需求；核心网为自有专网，对移动语音调度等行业应用支持度高，能完成各种调度功能，同时可接入普通老式电话业务（Plain Old Telephone Service，POTS）的用户，实现有线、无线的融合调度。但独立专网方案受系统成熟度、建设成本及产业链完整度等因素的影响，目前暂不是煤矿的主选方案。

5 结语

5G 无线通信技术具备高带宽、多连接、低时延等优点，满足了智能煤矿建设对传输带宽、时延、可靠性等方面的通信要求[15]，但5G 技术和相关产品的复杂性给煤矿5G 系统建设提出了更高的要求，煤矿5G 网络不再像3G/4G 网络大部分是独立专网模式，而会根据具体情况选择具体的专网方案。目前，在5G 专网分配特定频谱答案未知、核心网价格相对较高的情况下，煤矿采用混合专网和虚拟专网方案相对较多。一方面，随着技术不断发展：在空口技术方面，研究新的灵活的空口参数配置、编码方式及超可靠低时延通信（Ultra-reliable and Low Latency Communications，uRLLC）关键技术，可进一步满足重点行业更低时延和高可靠性要求；在网络技术方面，研究更加灵活智能的网络架构，进一步下沉用户面能力，增强边缘计算和网络开放能力，可进一步加强高带宽数据业务的分发和处理能力，以及行业用户定制化服务水平。因此，混合专网和虚拟专网方案未来一段时间内还有一定的优势。另一方面，随着5G 专网客户需求的增加，小型核心网的生态也会逐步建立[16]，相应地成本随之下降，独立专网方案将会被更多用户认可。因此在今后一定时期内，独立专网、虚拟专网和混合专网将发挥各自的优势，服务于不同时期、不同差异化需求的煤矿智能化建设。