互联网行业5G地下移动通信网络（5G DMN）白皮书2021版：构建地下智能化综合性通信网络

以煤矿为代表的矿山行业一直以来在我国国民经济发展中起着举足轻重的作用，我国高度重视煤炭产业高质量发展，致力于构建智慧矿山和打造智能感知、智能决策、自动执行的矿山智能化体系。矿山行业环境制约趋紧、要素成本上升，亟待利用5G等新一代信息通信技术加快数智化转型进程实现少人、无人生产，在保障人民群众生命健康安全的同时，为矿山行业带来提质、降本、减碳和增效等巨大商业价值。本白皮书针对地下矿山智能化演进过程中面临的4大类网络挑战，提出全新的5G地下移动通信网络（5G DMN）愿景和连接泛在、性能极致、一网多能、运维极简的技术体系。并对5G DMN的技术路径、应用场景和系列创新技术进行了阐释。本白皮书希望联合广大产业合作伙伴，从技术攻关、标准制定、产业推进和生态构建四方面共同推进5G DMN的发展和成熟，共创以矿山为代表的广阔的井下数智经济发展新空间，促进井下通信产业的范式变革。本白皮书由中国移动、华为、中国煤炭协会、中国矿业大学(北京)共同编制。未经授权，任何单位或个人不得复制或拷贝本白皮书之部分或全部内容。前 言 pOyQoQxPoRwOoRrQpOoRoPbR9R7NmOnNoMnMjMoPpOfQtRvM7NqRrMNZoPrPMYnNmR目 录Contents一、矿山的智能化发展需求和网络挑战 11.1 智能发展需求 11.2 网络挑战严峻 11.2.1 环境特殊 31.2.2 多网并存 31.2.3 性能挑战 31.2.4 运维困难 4二、5G DMN愿景及应用场景 52.1 5G DMN愿景 52.2 5G DMN技术路径 62.3 5G DMN应用场景 82.3.1 看：视频传输 82.3.2 感：物联定位 82.3.3 控：远程控制 92.3.4 连：实时通信 102.3.5 算：现场算力 10三、5G DMN创新技术 113.1 连接泛在 113.1.1 弹性组网技术 123.1.2 高可用组网技术 133.2 性能极致 143.2.1 超级上行技术 143.2.2 高精定位技术 153.3 一网多能 163.3.1 云网业融合技术 163.4 运维极简 173.4.1 自主化技术 17四、5G DMN发展倡议 19五、缩略语 20六、编制单位及人员 22 1矿山的智能化发展需求和网络挑战01 一、矿山的智能化发展需求和网络挑战1.1 智能发展需求矿业在我国国民经济中占有重要地位，年产值超 6 万亿，全国GDP占比超过 7%。煤矿是其中最重要的细分行业，煤炭能源生产占比超过 70%，其中 85%来自地下开采。为促进中国煤炭产业高质量发展,加速智慧煤炭矿山的建设，2020 年 3 月，由国家发展改革委等 8 部门联合印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确到 2035 年，各类煤矿基本实现智能化，构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统，建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。同时，地方积极落实国家政策要求，山西、内蒙古、陕西、河南、新疆等多省出台政策，要求加快推进矿山行业供给侧结构性改革，全面加速矿山智能化发展。中国煤炭协会预测，随着煤炭企业数字化转型和智能化建设深入，“十四五”末期煤炭行业数字经济产业可望达到千亿元/年的市场规模。以5G为代表的新型信息基础设施的泛在部署，促进矿山等各领域数智生产力的发展普及，实现从感知、传输、存储、决策和执行全环节，推动千行百业数智化的孕育发展。国家《十四五》规划提出强调加快建设新型基础设施，并对 5G产业生态发展提出了明确要求。为积极响应国家号召，2021年工信部等10部门印发《5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》，强调深入推进5G赋能千行百业，并着重强调加快煤矿5G通信设备、5G融合基础设施和 5G各类应用的研发建设推广工作。具体包括：一是加快可适应采矿环境具有防爆等要求的 5G通信设备研制和认证；二是推进露天矿山和地下矿区 5G网络系统、智能化矿区管控平台、企业云平台等融合基础设施建设；三是推广 5G在各类矿区的应用，拓展采矿业远程控制、无人驾驶等5G应用场景，推进地下核心采矿装备的远程操控和集群化作业、深部高危区域采矿装备的无人化作业、露天矿区的智能连续作业和无人化运输。1.2 网络挑战严峻矿山行业环境制约趋紧、要素成本上升，亟待利用 5G等新一代信息通信技术加快数智化转型进程，实现少人、无人生产，在保障人民群众生命健康安全和破解招工难用工荒的同时，为矿山行业带来提质、降本和增效等巨大商业价值。 2矿山的智能化发展需求হ网络挑战01加快建设以 5G为代表的信息基础设施和部署 5G基础矿山网络，促进矿山智能化快速发展。目前，全国已建成新元矿、麻地梁、乌海老石旦、三山岛金矿、察哈素等多个 5G基础矿山网络。初步实现掘进工作面、综采工作面内的少人操作和固定岗位的远程监控。但是，地下复杂的作业环境带来的安全隐患、人力成本、监管手段和业务孤岛等种种问题在不同程度上制约着矿山全面智能化升级的步伐。地下矿山生产区域完全封闭且作业环境非常复杂，主要包括 8 大工作场景： 图1-1 地下煤矿8大工作场景1. 主巷道：是矿井的主要运输巷道。主巷道长度十至上百公里，大部分可以通行两辆车。2. 管线：包括电缆电线、光纤、瓦斯抽采管道。管线沿主巷道布置。3. 综采面：是矿井的采煤工作面现场。一般2-4米高（取决于煤层的厚度），宽约100~300 米，长度 2 公里左右。4. 主工作巷道：地下生产系统监控中心和检修巷道。5. 输煤皮带：矿井主要的煤矿输送装置，即时输送煤炭至井上洗煤中心。6. 机电硐室：用于存放煤矿关键的电气设备。7.掘进面：是巷道等空间的掘进工作面现场，通过掘进机对岩壁掘进形成多个井下巷道，同时将井下煤层切割为多个煤块，可提供多个综采作业面。8. 地面监控指挥中心：用于煤炭地下作业的远程监控与控制。 3矿山的智能化发展需求和网络挑战01针对上述 8 大地下核心工作场景，矿山行业在进行智能化改造时，目前面临 4 大关键网络挑战：1.2.1 环境特殊◆ 特殊环境导致网络建设困难：一是对网络设备功能形成挑战。地下环境复杂，存在粉尘、瓦斯等多种杂质，对设备的隔爆功能和发射功率提出要求（无线设备射频阈功率不超过 6W）；地下线缆部署困难，空间狭窄且作业面移动，对基站设备集成度和可移动性提出更高要求。二是对网络覆盖能力形成挑战。地下工作环境多为狭长线状分布，无线传播环境与地面差异大，地下低发射功率和特殊传播环境容易造成覆盖受限；地下构造特殊，随意部署站点容易造成线缆拉扯，因此存在选址难问题，导致覆盖进一步受限。三是网络可用性挑战。地下安全生产管理和少人无人作业对网络的容灾能力提出高要求。一是需要把断网的时长降至最低可能，二是在网络设备出现故障时保证网断业不断，实现连续作业和避免重大安全风险。1.2.2 多网并存◆ 地下多网并存不利于智能化发展：一是网络数据采集和控制执行能力过于分散。目前多张NB-IoT、UWB、2/3/4G语音通信网络、工业生产控制现场总线网络并存，实现环境、视频、定位、设备运营等多维数据的采集和对设备的控制执行和指令下发。多网并存带来部署难题，持续增加的采集感知设备和复杂的地下环境也对地下网络的大物联能力提出挑战。二是网络数据处理和决策能力过于分散。多个数据处理和决策服务算力单元地上地下独立无序部署，使得生产和监控数据难以融会贯通，易形成数据孤岛和降低数据协同处理效率，从而加大信息、数据综合感知和智能化控制决策的难度，并影响决策敏捷度。如：通风、排水系统均独立部署。1.2.3 性能挑战◆ 地下少人无人作业驱使极致网络性能：矿山在智能化转型过程中，一方面需要具备露天矿山相似的网络能力，如：低时延、高可靠、确定性、安全隔离、数据不出场。另外，地下特殊的作业环境对部分网络性能带来了更大的挑战。一是上行速率和容量挑战。地下人员、环境、生产等全流程安全监控作业需求迫切。仅 2 4矿山的智能化发展需求হ网络挑战01公里采煤巷道需部署 40~60 个摄像头，20 公里输煤皮带部署 50~100 个摄像头，综采面远控需要部署 20~30 个摄像头。在地下设备功能受限和覆盖受限基础上实现稳定的大带宽视频传输是一大挑战。二是网络高精度定位挑战。地下高精定位是矿山监控管理、应急救援、事故处理、智能作业不可或缺的保障手段。无线定位精度与定位设备的部署位置和密度具有强相关性。地下空间线状分布且供电传输线缆有限，定位设备无法遵从密集自由部署的原则，对实现地下人员、车辆、设备的米级和厘米级定位精度提出巨大挑战。1.2.4 运维困难◆ 地下安全作业驱使网络运营维护升级：一是统一运维挑战。目前矿山各张网络运营管理平台之间相互独立，运维效率低下且无法形成高效协同。随着矿山智能化水平的提升，需要更加高效实时的智能网络运营管理平台，对业务需求分解下发、网络资源配置管理和网络能力监控开放进行一站式统筹管理。二是现场运维挑战。矿山设备类型多且系统相互独立，地下空间狭窄和线缆布放复杂，网络升级和维护成本高、难度大，需要提升远程自主化运维和智能自动化运维水平。通过上述挑战可以看出，面对地下矿山复杂的作业环境条件和加速实现少人化、无人化的智能化矿山的明确目标，目前矿山行业迫切需要把先进的 5G技术与地下矿山的实际场景紧密结合，基于地面 5G通信网络并且持续增强 5G的内生能力，尽快构建一张创新的地下 5G通信网络，助力基于 5G的矿山智能化进程，同时也将对未来衍生出来的城市管廊、地下管网等井下新产业带来范式变革。 55G DMN愿景及应用场景0255G DMN愿景及应用场景02二、5G DMN 愿景及应用场景2.1 5G DMN愿景面向矿山地下网络的 4 大挑战，5G网络的大带宽、低时延、广联接等特性给运营商及行业生态伙伴应对挑战提供了技术基础，同时基于中国移动与合作伙伴在矿山行业的 5G专网部署经验，提出构建全新 5G地下移动通信网络（5G DMN）及技术体系。5G DMN愿景是基于 5G技术构建一张智能化综合性地下专用移动通信网络，移动通信运营商基于 5G DMN在矿山等地下封闭环境可为公众和企业提供移动通信服务。针对地下业务在无线传播环境的差异性和安全、可靠性等网络性能方面的特殊要求，5G DMN网络通过构建连接泛在、性能极致、一网多能、运维极简的技术体系，支撑矿山实现感知、决策、操控等全智能化。图2-1 5G地下移动通信网络（5G DMN）愿景 65G DMN愿景ࣷ应用场景02◆ 连接泛在建设一张连接随时随地无处不在、易于部署、易于获取、成本经济、高可用的地下网络，实现所有人和设备随时随地可用网络。一是煤矿地下空间环境特殊，需要结合其差无线传播的差异性构建连续深度覆盖的网络，同时矿山地下属于动态生产环境，网络要跟随生产进度动态变化，网络需具备灵活部署的能力；二是为保证网络的随时可用，达到 99.99~99.999%（年断网时间 5-50 分钟）的超高可用性；三是地下设备包含采煤机、运输车、摄像头、温湿度瓦斯传感器等开机后可快速接入。◆ 性能极致建设一张上行能力强、连接密度大、时延超低、定位精度高的地下网络。具备单基站支持20~50 路 4K高清视频采集能力；单基站支持上万的窄带物联连接能力；时延稳定至 20ms以内@99.99%；定位精度要达到米级以内。◆ 一网多能建设一张同时具备通信、定位、感知、算力、绿色等能力的网络，满足矿山所有数智化应用的需求。具备替代或融合UWB网络的能力，支撑地下人和物的高精定位；具备替代或融合物联采集网络的能力，收集现场信息和实现环境全感知；具备与OT现场控制设备融合的能力，实现作业全流程打通；通信设备可具备算力，支撑地下无人化作业系统现场决策。◆ 运维极简5G DMN网络具备良好的兼容性和优异的性能，通过统一的入口和统一的平台，满足各种业务的差异化诉求，简化部署和运维，支撑地下无人化、少人化作业。传统的矿山地下具有多种通信系统，如 3G、4G、WIFI、LORA等，定位有UWB、蓝牙、超声波等，控制有局域网工业总线，一方面需要 5