张建明
（西山煤电（集团）有限责任公司大数据中心，山西 太原 030053）
引言现阶段的煤矿生产作业已经逐步实现智能化生产以及远程控制生产，有效降低了人工成本投入，同时提升了井下作业的安全性，对于规范井下工作面的作业行为也具有积极作用。但在智能化生产以及远程控制过程中，对于通信系统产生了较大的依赖，只有保障通信可靠，才能提高远程控制效果以及各个工作面系统的调度效果。5G 通信技术因具备通信稳定和射频功率高的特性可保障通信可靠性，可以被作为煤矿通信系统的首选通信技术。通过合理建设5G 基站和采取合理的安全应用技术来保障井下通信效果。
1 煤矿5G 通信系统安全应用技术的必要性在当前的煤矿生产作业中，部分煤矿生产企业已经逐步实现了智能化生产，在煤矿开采过程中应用了大量的智能化控制技术，使得综采作业面的自动化程度更高，作业效率也得到了有效的保障。但同时对于井下通信系统的可靠性也提出了更高的要求，只有保障井下通信效果才能实现远程控制目标，确保井下综采作业面各项综采作业的高效开展。而5G 通信技术的应用优势较为突出，基本可以满足井下通信需求。但同时还会受到井下作业环境的影响，致使5G 通信安全难以保障。在5G 通信系统安全受到威胁的情况下，必定会影响煤矿智能技术的应用，致使煤矿开采作业效率和开采作业安全受到威胁，严重的情况下，甚至会导致部分作业面停工的状况。基于此类问题，需要加强对煤矿5G 通信系统安全应用技术的研究力度，找出可靠的安全应用技术措施提高5G 通信系统的运行可靠性，为煤矿智能化技术的应用以及自动控制技术的应用提供保障。
2 煤矿5G 通信系统的技术要求在《有关煤矿5G 通信系统安全技术的管理方案》中明确指出，5G 通信系统需要具备独立稳定运行的特性，即在外网环境安全受到威胁，且外部网络出现故障问题时，5G 通信系统也可独立运行保障通信和数据传输的效果。因此，在建立通信系统框架时，需要考虑到5G 通信系统的安全问题，并在其中增加本安网关。基于上述内容，进行5G 通信系统架构设计，其系统架构图如图1 所示。
3 煤矿5G 通信系统安全设计方案根据上文所提出的通信系统安全应用需求，在进行5G 核心网安全设计时，需要优先选取独立组网架构，确保对各通信服务系统的集中控，5G 通信系统的专网核心网络架构见图2。
如图2 所示，对核心网络采取的是标准服务型架构，在控制面中集合了多种技术功能，是对多系统功能的有效融合。主要包括网络切片功能、会话管理功能、认证管理功能、数据管理功能、策略控制功能、鉴权服务功能和网元存储功能等，用户界面则为用户管理功能。每个网络服务单元均服务于不同的接口，用户可根据自身的服务需求选择特定的网络服务。此外，控制层中的各功能单元也存在相对独立的特征，在实际运用中，可根据煤矿开采以及通信服务需求的不同，对各类功能进行优化和组合，以提高通信服务效果。除此之外，考虑到通信安全问题，还在其中应用了网络安全策略，主要是借助网络功能虚拟化技术以及软件定义网络技术等，实现对软硬件的结耦、控制与转发。这其中切片网络技术有效提升了系统运行的灵活性，且能够将各类通信数据控制在安全范围内，有效隔绝了外部环境的威胁影响，能够达成提高网络系统运行安全的目标[1]。
3.1 软件方案在该通信网络系统中，借助网络切片技术实现网络隔离服务目标，主要作用是使通信网络满足不同作业场景的服务需求。在煤矿通信系统中的数据流向存在一定的特殊性，在搭建5G 通信网络时，需要先使终端设备与基站连接，再由核心交换机对终端设备的数据进行分流处理，使其分别流向不同的业务环境，满足不同作业面和工作面的通信服务需求，确保整个数据流能够在业务内完成本地闭环。这种与外部网络隔离开来，相对独立的数据传输方式可在一定程度上降低外网对5G 通信网络安全的影响，有助于提升通信系统运行的安全性。
煤矿通信业务中网络切片技术的应用可以增强通信系统的适应能力，使其适合不同业务场景的通信需求。同时，可以根据井下作业特点和资源分配需求对特定资源进行优先配置。具体来说，将智能通信终端、生产控制数据、传感数据、监测数据等进行等级划分，并且根据特定场景下的数据传输需求对传输带宽和速率进行优先等级的调整，这样既可实现对通信技术资源的合理分配，也能保障各类通信效率要求较高的业务数据的高效交互，为井下智能控制和远程控制提供可靠的保障。
3.2 硬件设计5G 基站与4G 基站技术的差异在于5G 的功率以及射频指标均优于4G 技术。但在爆炸环境设备的通用要求中明确指出，射频功率要控制在6 W 以下。为此，如何控制射频功率并保障基站通信效率，提高基站运行安全性,成为现阶段需要关注的重点问题。基于此，在进行硬件方案设计时需要重点关注5G 基站硬件的设置，在本次研究中优先选用5G NR 技术既可保障高清视频以及语音通信的有效传输，还能在一定程度上提高数据传输过程的安全性与可靠性，且该基站还支持多种无线组网设备接口，能够实现通信一体化的目标。基站硬件组成见图3 所示：
5G 基站的硬件需要在特定位置中装设天线隔离板，主要作用为对于射频信号进行安全隔离，并且将部分高频能量信号进行过滤处理，确保将超出范围的射频能量能够成功转变为较为安全的本安能量，以提升通信基站运行的安全，使其满足爆破环境的射频功率要求。
为使5G 基站射频功率符合爆炸环境的射频功率要求，需要采取合理的基站射频功率控制措施。主要方法为，借助天线隔离板对基站射频信号进行隔离和过滤处理。此时，由天线隔离板所输出的射频信号会经由天线馈线被接入到外置天线中，在整个过程中存在部分损耗问题，致使基站射频功率发生变化。当基站前端发射功率为26 dBm 时，在信号传输过程中的损耗为2 dBm。此时，其实际发射功率应为24 dBm。而单路射频发射功率为32 dBm，换算之后为1.6 W，即整体射频功率为3.2 W，符合爆炸环境的射频功率[2]。
4 结语5G 通信系统的建设能够提升煤矿智能化发展水平，且能够显着提升远程控制效果。但同时也对5G通信的可靠性提出了更高的要求。在本次研究中，分别针对5G 通信安全技术的软件方案和硬件方案进行阐述，借助网络切片技术以及天线隔离技术可在一定程度上提升5G 基站运行可靠性以及5G 通信系统的运行安全性，降低环境因素对通信效果的影响。
