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针对煤矿5G通信系统安全应用需求，煤炭科学技术研究院有限公司张立亚副研究员研究了5G核心网侧和无线接入侧的安全应用技术，并在煤矿井下测试了基于本文安全应用技术研发的煤矿5G通信系统覆盖半径、传输速率、通信时延、用户满意度等指标。
一
研究背景
5G技术因其高速率、低时延、广连接等优势，非常契合煤矿智能化对无线网络应用的需求，为解决煤矿智能化建设过程中存在的泛在感知困难、多类型数据同步传输不可靠、远程控制实时性差、融合大数据智能决策效率低等关键问题提供了有效途径。随着煤矿智能化技术的不断发展，煤矿综采工作面、掘进工作面、变电所、主辅运等场所对井下人员、设备、环境的智能化监测需求越来越多，对通信系统的安全性、可靠性等技术指标提出了更高要求。开发煤矿5G通信系统（图1）专网核心网、5G基站等相关产品时，应考虑核心网侧和无线接入侧的安全应用设计，以保障整个系统的安全性。
图1 煤矿5G通信系统
二
研究方法
1、 5G专网核心网安全设计
煤矿5G专网核心网采用SA(独立组网)架构，控制面集中部署在煤矿企业集团，用户面部署在各个矿区。专网核心网安全策略包括NFV(网络功能虚拟化)、SDN(软件定义网络)、安全域隔离、切片等，利用NFV实现软硬件的解耦，利用SDN实现控制和转发的解耦，通过切片实现网络的灵活性和高效性，且凭借数据不出园区的独特优势，实现了良好的网络安全性能。
针对煤矿5G专网业务数据流（图2），引入网络切片技术，实现一张网络同时支持多种类型的业务场景，同时保障井下特定资源的优先权。为保证高优先级业务数据可靠传输，通过比例公平算法实现无线空口资源调度分配，采用RB（资源块）为网络切片资源业务提供优先传输。
图2 煤矿5G专网业务数据流向
2、 矿用5G基站安全应用设计
矿用5G基站在煤矿井下应用需满足GB 3836.1—2010《爆炸性环境 第1部分：设备通用要求》第6.6.1条要求，即射频总的阈功率须≤6 W。5G基站（图3）采用5G NR(新空口)技术规范，基站模块的输入视在功率≤100 VA。天线隔离板通过4个22 pF/6 kV隔离电容对基站射频端口信号进行安全隔离，并过滤高频能量信号，将射频能量由非安转换为本安，实现5G基站输出端的本安设计。经测量和计算，基站射频阈功率为3.2 W，满足射频总的阈功率≤6 W要求。
图3 5G基站硬件组成
三
研究成果
在矿区部署5G通信系统。地面部署专网核心网、核心交换机等设备，在井下综采工作面、变电所、水泵房、避难硐室等场所部署4台基站控制器、24台5G基站、30部智能通信终端，测试信号强度、上传速率、通信时延、用户业务性能等指标。结果表明：在100 m覆盖范围内，基站信号强度最小值为-98 dB，满足不低于-100 dB的要求，且视频通话清晰、稳定；上传速率最大值为850 Mbit/s，最小值为520 Mbit/s，满足基站上传速率不低于最大上传速率60%的要求；平均通信时延为18.56 ms，满足智能矿山数据传输低时延需求；有切片资源调度情况下，用户个数为200时用户满意度较无切片资源调度时提高52.8%。
引用格式
张立亚.煤矿5G通信系统安全应用技术研究[J].工矿自动化，2021,47(12)：8-12.
ZHANG Liya.Research on safety application technology of coal mine 5G communication system[J].Industry and Mine Automation,2021,47(12)：8-12.
作者联系方式
张立亚(1985—)，男，河北定州人，副研究员，博士研究生，现主要从事智能矿山与煤矿通信技术研究工作，E-mail:zhangliya@ccrise.cn。
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