CN117880831A - 一种5g矿用无线通讯系统及通讯故障监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种5G矿用无线通讯系统及通讯故障监测方法，系统包括地面调度系统、井下通讯系统及矿区本地部署的5G承载网，5G承载网作为矿区骨干环网，覆盖矿区井上井下，5G承载网采用IPRAN环网设备，地面调度系统和井下通讯系统通过IPRAN环网设备连接；地面调度系统包括5G核心网、核心网络交换机和网管平台，网管平台包括调度服务器和调度台；5G核心网通过5G承载网接入IPRAN环网的核心网络交换机；井下通讯系统包括5G矿用基站设备和通讯终端，各5G矿用基站设备之间连接形成环网，与IPRAN环网形成分层环网架构。本发明采用分层环网设计，利用5G专网端到端切片技术，提高矿区数据传输的安全性和可靠性。

Description

一种5G矿用无线通讯系统及通讯故障监测方法

技术领域

本发明涉及矿区通讯技术领域，尤其涉及一种5G矿用无线通讯系统及通讯故障监测方法。

背景技术

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，进而对通信系统的安全性、可靠性等技术指标提出了更高要求。

目前，煤矿通讯系统主要分为有线通讯系统和无线通讯系统。其中，有线通讯系统由于自身结构和井下特殊环境的限制，普遍存在铺设困难、维护不便、性能不稳定的问题；无线通讯系统可有效解决上述问题，但是，一方面，井下特殊环境不仅要求通信系统具有传输速率高、时延低、并发量大、可靠性高的特点，还对网络覆盖、传输功率、安全防爆、传输绕射、抗干扰等能力有特殊要求；另一方面，随着煤炭行业的发展及矿井智能化水平的提高，包括智能采煤、智能运输、矿井物联网、煤矿大数据、矿用机器视觉、煤矿机器人、虚拟现实等新兴技术的井下应用，井下各类数据趋向规模化和复杂化，现阶段的煤矿无线通讯系统的性能逐渐无法满足智能化发展的各项需求。

即，现有的煤矿通信网络往往存在泛在感知困难、多类型数据同步传输不可靠、远程控制实时性差等问题，也无法实现对通信传输的有效监测，无法保障安全高效的通信传输。

随着通讯技术的发展，5G技术突破传统无线通信技术在传输带宽、时延、连接数方面的制约，逐渐应用到各领域通讯中。而矿井无线宽带通信是智慧矿山建设的关键，搭建矿井5G通信网络将成为煤矿智能化开采、矿井物联网建设、煤矿大数据业务等方面高速率、低时延、大连接、高可靠的通信链路保障。

发明内容

为解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种5G矿用无线通讯系统及通讯故障监测方法，解决现有煤矿通信网络中存在的泛在感知困难、多类型数据同步传输不可靠、远程控制实时性差的问题，应用5G技术，采用分层环网设计，并利用5G专网的端到端切片技术，实现不同业务数据传输的数据隔离与带宽保护，有效提高数据通信传输的安全性和可靠性，实现矿区整体网络的统一管理。

第一方面，本发明提供了一种5G矿用无线通讯系统。

一种5G矿用无线通讯系统，包括地面调度系统、井下通讯系统以及矿区本地部署的5G承载网，5G承载网作为矿区骨干环网，覆盖矿区井上井下，5G承载网采用IPRAN环网设备，所述地面调度系统和所述井下通讯系统通过所述IPRAN环网设备连接；

所述IPRAN环网设备包括多个环形连接的核心网络交换机；

所述地面调度系统包括5G核心网、核心网络交换机和网管平台，所述网管平台包括调度服务器和调度台；所述调度台接入调度服务器，所述调度服务器接入5G核心网，所述5G核心网通过5G承载网接入核心网络交换机；

所述井下通讯系统包括5G矿用基站设备和通讯终端，所述5G矿用基站设备包括5G矿用基站控制器、5G矿用基站接入器和5G矿用基站；各5G矿用基站设备之间连接形成环网，与IPRAN环网形成分层环网架构。

进一步的技术方案，5G矿用基站控制器、5G矿用基站均分别直接接入核心网络交换机。

进一步的技术方案，5G矿用基站接入5G矿用基站接入器，5G矿用基站接入器接入5G矿用基站控制器，5G矿用基站控制器接入核心网络交换机；其中，通过与5G矿用基站一一对应的5G矿用基站接入器，多个5G矿用基站通过级联、环网多种组网模式接入5G矿用基站控制器。

进一步的技术方案，所述5G核心网矿区本地部署，包括控制面和用户面，用于传输并卸载控制流量和数据流量，还用于提供井下通讯网络注册和控制、业务鉴权、语音和数据交换传输的无线通信调度功能。

进一步的技术方案，所述基站包括基带控制单元、远端数据汇聚单元、微型射频拉远单元成用于提供井下5G无线信号覆盖，覆盖范围内的通讯终端实现远程通话与数据传输。

进一步的技术方案，所述5G核心网支持端到端切片，根据不同的业务数据和不同的矿区区域，采用切片技术构建矿区多张隔离的切片专网，每一切片专网中的各通讯终端相互通讯及传输数据。

进一步的技术方案，所述调度台用于对5G矿用无线通讯网络的运行进行监测与诊断，判断通讯是否故障，根据故障情况进行告警并指示故障位置。

第二方面，本发明提供了一种5G矿用无线通讯故障监测方法，基于第一方面所提出的5G矿用无线通讯系统实现，该方法包括：

基于网管平台，对5G矿用无线通讯网络进行扫频，获取5G矿用无线通讯网络的扫频数据；

基于网管平台，通过5G矿用无线通讯网络向网络中接入5G矿用基站的各终端发送测试指令，并获取各终端反馈的测试数据；

将获取的扫频数据和测试数据进行匹配关联，获取数据匹配结果，根据匹配结果对5G矿用无线通讯网络进行故障检测及判断，获取故障检测结果。

进一步的技术方案，根据匹配结果对5G矿用无线通讯网络进行故障检测及判断，包括：

针对所有终端的网络通信传输通道，若存在扫频数据和测试数据的匹配结果超过设定阈值范围，则判断当前传输通道网络故障，反之则判断当前传输通道网络正常。

进一步的技术方案，根据故障检测结果，生成故障告警并指示故障位置。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、本发明提供了一种5G矿用无线通讯系统，将5G技术应用到煤矿通信网络中，通过该系统设计，解决现有煤矿通信网络中存在的泛在感知困难、多类型数据同步传输不可靠、远程控制实时性差的问题，采用分层环网设计，并利用5G专网的端到端切片技术，实现不同业务数据传输的数据隔离与带宽保护，有效提高数据通信传输的安全性和可靠性，实现矿区整体网络的统一管理。

2、考虑到矿井下的恶劣环境，需夜间连续操作，设备防水、防尘、耐高低温等要求，现有设备达不到使用要求，存在泛在感知困难的问题，本发明所提出的矿井5G网络能够在矿井各类复杂环境下长时间稳定运行，满足井下工作面、皮带巷、机电硐室等特殊环境对网络传输高可靠性、高实时性高上行带宽的需要，并能够支持上下行带宽时隙调整；该矿井5G网络建设与矿井现有使用的矿井通信网络实现高度融合，地面5G通信采用公网号码资源井下5G通信应与矿井原有通信号码实现互通；进一步的，矿井5G通信经过网络安全隔离后，可与公网连接，在保障数据安全的条件下实现全方位的互联互通。

3、本发明还提供了一种5G矿用无线通讯故障监测方法，通过对矿区的通信传输进行实时监测，保障5G专用网络的正常运行。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例所述5G矿用无线通讯系统的结构示意图；

图2为本发明实施例所述5G矿用无线通讯系统中各设备的连接示意图；

图3为本发明实施例所述5G矿用无线通讯故障监测方法的流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，仅是为了描述具体实施方式，旨在对本发明提供进一步的说明，并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

本实施例提供了一种5G矿用无线通讯系统，如图1所示，包括地面调度系统、井下通讯系统以及矿区本地部署的5G承载网，5G承载网作为矿区骨干环网，覆盖矿区井上井下，考虑到传统工业以太网无法承载5G的信令传输，因此，本实施例中采用IPRAN环网代理传统的工业以太网，5G承载网采用IPRAN环网设备，地面调度系统和井下通讯系统通过该IPRAN环网设备连接，以此实现井上井下一张网，形成高速可靠的万兆工业环网，能够满足5G大带宽应用的需求。

进一步的，IPRAN环网设备包括多个环形连接的核心网络交换机，地面调度系统包括5G核心网、核心网络交换机和网管平台，该网管平台包括调度服务器和调度台，其中，调度台接入调度服务器，调度服务器接入5G核心网，5G核心网通过5G承载网接入核心网络交换机；而井下通讯系统包括5G矿用基站设备和通讯终端，5G矿用基站设备包括5G矿用基站控制器、5G矿用基站接入器和5G矿用基站；各5G矿用基站设备之间连接，与IPRAN环网形成分层环网架构，通过分层环网架构提高井下通信可靠性。

上述分层环网架构如图2所示，5G矿用基站BBU-FSW-pRRU采用eCPRI协议，支持环网协议，具备环网故障排除及快速自愈能力，与IPRAN骨干环网形成分层环网架构，提升矿区网络可靠性。

具体的，5G矿用无线通讯系统采用5G SA独立组网架构，整个5G专网主要由5G核心网、5G承载网、5G矿用基站设备及网管平台(即调度平台)组成。在本实施例中，如图1所示，地面调度系统包括5G核心网、调度服务器、调度台，还包括打印机、电源防雷器等，核心网络交换机采用矿用隔爆兼本质安全型万兆网络交换机，井下通讯系统包括KDW660/18B矿用隔爆兼本安型直流稳压电源、KT768(5G)-K矿用隔爆型基站控制器、KT768(5G)-J矿用隔爆型基站接入器、KT768(5G)-F矿用隔爆型基站、KT768(5G)-F1矿用隔爆型基站、KT768(5G)-F2矿用隔爆型基站、KT586-S1矿用本安型手机(即通讯终端)、KTW271(5G)本安型手机。其中，该通讯终端具备选呼、急呼功能且具备超出服务区域提示功能和当前信道繁忙提示功能，以及低电压报警功能，经授权的通讯终端具备组呼和全呼功能等。

其中，5G矿用基站控制器、5G矿用基站分别直接接入核心网络交换机，或，5G矿用基站接入5G矿用基站接入器，5G矿用基站接入器接入5G矿用基站控制器，5G矿用基站控制器接入核心网络交换机；其中，通过与5G矿用基站一一对应的5G矿用基站接入器，多个5G矿用基站通过级联、环网多种组网模式接入5G矿用基站控制器。

在本实施例中，5G矿用无线通讯系统可容纳1台核心网络交换机，每台核心交换机最大可容纳3台KT768(5G)-K矿用隔爆型基站控制器、8台KT768(5G)-F2矿用本安型基站；每台KT768(5G)-K矿用隔爆型基站控制器最大可容纳6台KT768(5G)-J矿用隔爆型基站接入器；每台KT768(5G)-J矿用隔爆型基站接入器最大可容纳8台矿用隔爆型基站(包括KT768(5G)-F、KT768(5G)-F1)；基站内可容纳32台手机(包括KTW271(5G))同时通讯，基站间可容纳32台手机(包括KTW271(5G))同时通讯。

上述5G矿用无线通讯系统中，5G核心网矿区本地部署，包括控制面和用户面，与运营商公网完全隔离，满足矿企对数据安全的要求，用于传输并卸载控制流量和数据流量，使数据不出矿区，避免数据流绕行，满足矿山关键应用端到端的时延要求；该5G核心网还用于提供井下通讯网络注册和控制、业务鉴权、语音和数据交换传输的无线通信调度功能。

5G承载网作为矿区骨干环网，覆盖井上井下，依托硬隔离切片、大带宽、高可靠等特性为井下大数据流回传提供传输平台。本实施例中，5G承载网采用电信级IPRAN设备，IPRAN环网架构具有不低于工业级要求的电信级高可靠设备，能够满足在井下恶劣环境下运行要求，环网容量可根据矿山规模灵活选择，保证容量需求同时具备平滑扩容能力。

调度台用于对整个通讯网络进行调度控制，对5G矿用无线通讯网络的运行进行监测与诊断，判断通讯是否故障，根据故障情况进行告警并指示故障位置。该调度台或称为调度终端，可无阻塞呼叫内部用户，可强拆、强插中继或用户，调度通信畅通无阻；能够接收内部用户的紧急呼叫，显示紧急呼叫的用户号码，并进行声光报警，优先处理并自动录音；具备全呼和组呼功能，具备中继汇接功能以及扬声通话和通话录音功能；该调度终端能同时处理多路呼叫且互不干扰；该调度终端具有用户或中继的状态指示，用户对调度终端的各种呼叫均可通过不同的声、光提示及号码显示，用户状态明了，调度员可方便地运用强插、强拆等功能实施监控。

5G矿用基站，满足煤炭行业安规需求，实现井下5G网络全面覆盖，具备上行大带宽、多模、组网灵活等特点，其中组网支持环形组网和级联组网多种模式，针对不同井下场景灵活部署。5G矿用基站由基带控制单元(BBU)、远端数据汇聚单(FSW)、微型射频拉远单元(pRRU)组成，主要用于提供井下5G无线信号覆盖，覆盖范围内的通信终端实现远程通话与数据传输。其中，基带控制单元BBU用于完成信号的基带处理，提供传输管理及接口，以此管理无线资源。在本实施例中，IPRAN向上连接地面的核心交换网(即核心网络交换机)，向下连接井下基站的基带控制单元(BBU)。

进一步的，上述系统中，5G核心网支持端到端切片，根据不同的业务数据和不同的矿区区域，采用切片技术构建矿区多张隔离的切片专网，每一切片专网中的各通信终端相互通讯及传输数据，以此实现不同业务数据的带宽保障和数据隔离。另外，上述切片方式也可按矿区需求根据业务进行切片。

本实施例所提出的5G矿用无线通讯系统还具备越区切换功能、非法用户禁用功能、自诊断和故障指示功能、数据传输功能、备用电池过放电告警及过充过放保护功能、中继汇接功能、短信功能等。

实施例二

本实施例提供了一种5G矿用无线通讯故障监测方法，基于实施例一所提出的5G矿用无线通讯系统实现，该监测方法包括：

基于网管平台，对5G矿用无线通讯网络进行扫频，获取5G矿用无线通讯网络的扫频数据；

基于网管平台，通过5G矿用无线通讯网络向网络中接入5G矿用基站的各终端发送测试指令，并获取各终端反馈的测试数据；

将获取的扫频数据和测试数据进行匹配关联，获取数据匹配结果，根据匹配结果对5G矿用无线通讯网络进行故障检测及判断，获取故障检测结果。

在本实施例中，通过网管平台实现通讯监测，该网管平台采用新华三iMC智能管理平台，可实现矿区整体网络的统一管理，包括拓扑统一呈现、性能监测、故障告警及配置管理等功能。基于该网管平台，通过上述方法对5G矿用无线通讯系统及网络进行故障监测。

进一步的，根据匹配结果对5G矿用无线通讯网络进行故障检测及判断，包括：针对所有终端的网络通信传输通道，若存在扫频数据和测试数据的匹配结果超过设定阈值范围，则判断当前传输通道网络故障，反之则判断当前传输通道网络正常。当监测到故障时，生成故障告警并指示故障位置。

作为另一种实施方式，网管平台每隔设定时间段进行一次故障监测，及时发现故障并排查故障，以此保障5G矿用无线通讯网络的正常运行。

本实施例通过上述方案对矿区的通信传输进行实时监测，保障5G专用网络的正常运行。

以上实施例二中涉及的各步骤与实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例，虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种5G矿用无线通讯系统，其特征是，包括地面调度系统、井下通讯系统以及矿区本地部署的5G承载网，5G承载网作为矿区骨干环网，覆盖矿区井上井下，5G承载网采用IPRAN环网设备，所述地面调度系统和所述井下通讯系统通过所述IPRAN环网设备连接；

所述IPRAN环网设备包括多个环形连接的核心网络交换机；

所述地面调度系统包括5G核心网、核心网络交换机和网管平台，所述网管平台包括调度服务器和调度台；所述调度台接入调度服务器，所述调度服务器接入5G核心网，所述5G核心网通过5G承载网接入核心网络交换机；

所述井下通讯系统包括5G矿用基站设备和通讯终端，所述5G矿用基站设备包括5G矿用基站控制器、5G矿用基站接入器和5G矿用基站；各5G矿用基站设备之间连接形成环网，与IPRAN环网形成分层环网架构。

2.如权利要求1所述的5G矿用无线通讯系统，其特征是，5G矿用基站控制器、5G矿用基站均分别直接接入核心网络交换机。

3.如权利要求1所述的5G矿用无线通讯系统，其特征是，5G矿用基站接入5G矿用基站接入器，5G矿用基站接入器接入5G矿用基站控制器，5G矿用基站控制器接入核心网络交换机；其中，通过与5G矿用基站一一对应的5G矿用基站接入器，多个5G矿用基站通过级联、环网多种组网模式接入5G矿用基站控制器。

4.如权利要求1所述的5G矿用无线通讯系统，其特征是，所述5G核心网矿区本地部署，包括控制面和用户面，用于传输并卸载控制流量和数据流量，还用于提供井下通讯网络注册和控制、业务鉴权、语音和数据交换传输的无线通信调度功能。

5.如权利要求1所述的5G矿用无线通讯系统，其特征是，所述5G矿用基站包括基带控制单元、远端数据汇聚单元、微型射频拉远单元成用于提供井下5G无线信号覆盖，覆盖范围内的通讯终端实现远程通话与数据传输。

6.如权利要求1所述的5G矿用无线通讯系统，其特征是，所述5G核心网支持端到端切片，根据不同的业务数据和不同的矿区区域，采用切片技术构建矿区多张隔离的切片专网，每一切片专网中的各通讯终端相互通讯及传输数据。

7.如权利要求1所述的5G矿用无线通讯系统，其特征是，所述调度台用于对5G矿用无线通讯网络的运行进行监测与诊断，判断通讯是否故障，根据故障情况进行告警并指示故障位置。

8.一种5G矿用无线通讯故障监测方法，其特征是，基于如权利要求1-7任一项所述的5G矿用无线通讯系统实现，所述方法包括：

基于网管平台，对5G矿用无线通讯网络进行扫频，获取5G矿用无线通讯网络的扫频数据；

基于网管平台，通过5G矿用无线通讯网络向网络中接入5G矿用基站的各终端发送测试指令，并获取各终端反馈的测试数据；

将获取的扫频数据和测试数据进行匹配关联，获取数据匹配结果，根据匹配结果对5G矿用无线通讯网络进行故障检测及判断，获取故障检测结果。

9.如权利要求8所述的5G矿用无线通讯故障监测方法，其特征是，根据匹配结果对5G矿用无线通讯网络进行故障检测及判断，包括：

针对所有终端的网络通信传输通道，若存在扫频数据和测试数据的匹配结果超过设定阈值范围，则判断当前传输通道网络故障，反之则判断当前传输通道网络正常。

10.如权利要求8所述的5G矿用无线通讯故障监测方法，其特征是，根据故障检测结果，生成故障告警并指示故障位置。