霍振龍

（1. 中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2. 天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

0 引言

煤礦井下通信系統(tǒng)按技術(shù)形態(tài)主要分為有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)兩大部分。無線通信系統(tǒng)與有線通信系統(tǒng)相比具備通信覆蓋范圍廣、連接方便、移動(dòng)性好、組建容易、設(shè)置和維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，在礦井智能化建設(shè)中具有不可替代的作用。礦井無線通信系統(tǒng)主要承載礦井語音、圖像和數(shù)據(jù)傳輸功能，主要應(yīng)用于移動(dòng)通話、移動(dòng)視頻、設(shè)備遠(yuǎn)程控制和傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。礦井無線通信系統(tǒng)可分為全礦井無線通信系統(tǒng)和局部無線通信系統(tǒng)（裝置）兩大類：全礦井無線通信系統(tǒng)傳輸帶寬大、覆蓋范圍廣，一般布置在井下巷道、硐室和采掘工作面等作業(yè)點(diǎn)，滿足礦井語音、圖像和部分?jǐn)?shù)據(jù)的接入需求，如4G，WiFi（IEEE 802.11b/g/n/ac），5G，WiFi6（IEEE 802.11ax）等系統(tǒng)；局部無線通信系統(tǒng)（裝置）主要解決礦井局部區(qū)域傳感數(shù)據(jù)采集上傳和局部語音通信的需求，如漏泄通信、中頻感應(yīng)通信、ZigBee和UWB等系統(tǒng)（裝置），也有將WiFi用于礦井局部通信的情況。本文主要討論全礦井無線通信系統(tǒng)。

1 礦井無線通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

隨著地面通信技術(shù)的發(fā)展，多種礦用無線通信系統(tǒng)在礦井得到規(guī)模應(yīng)用，小靈通、CDMA2000、WiFi、TD-SCDMA、WCDMA和4G等無線通信系統(tǒng)在不同階段基本滿足了礦井生產(chǎn)在語音、部分視頻和數(shù)據(jù)方面的無線通信需求[1]。但隨著礦井智能化建設(shè)的不斷推進(jìn)，對通信的需求不斷增加，除語音通信外，井下視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控、地質(zhì)構(gòu)造監(jiān)測、巷道數(shù)據(jù)采集、即時(shí)信息發(fā)布、井下視頻會(huì)議、輔助運(yùn)輸管理、遠(yuǎn)程遙控作業(yè)等對無線通信系統(tǒng)在帶寬、時(shí)延和連接數(shù)等方面提出了更高的要求，5G和WiFi6系統(tǒng)也相繼在煤礦投入使用。從全國范圍來看，小靈通、2G和3G（CDMA2000，TD-SCDMA，WCDMA）通信系統(tǒng)已逐步被取代和淘汰，4G無線通信系統(tǒng)、WiFi無線通信系統(tǒng)使用較為普遍，而近兩年新投入的5G和WiFi6無線通信系統(tǒng)目前還處于起步階段。下面主要介紹4G，5G，WiFi/WiFi6無線通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀。

1.1 4G無線通信系統(tǒng)

4G改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接入技術(shù)，采用正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）和多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。4G主要特點(diǎn)：在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100 Mbit/s與上行50 Mbit/s的峰值速率，相對于3G網(wǎng)絡(luò)大大提高了基站容量，同時(shí)大大降低了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延；內(nèi)部單向傳輸時(shí)延低于5 ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時(shí)間小于50 ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時(shí)間小于100 ms。

礦用4G無線通信系統(tǒng)由核心網(wǎng)交換機(jī)、地面調(diào)度終端、地面基站、礦用本安型無線基站、礦用本安型手機(jī)和礦用數(shù)據(jù)終端等組成。

礦用4G無線通信系統(tǒng)主要功能：① 音視頻通信。提供語音、視頻、短信等業(yè)務(wù)通信功能[2]。② 多媒體集群調(diào)度。支持語音、視頻、短信、數(shù)據(jù)等集群調(diào)度業(yè)務(wù)及實(shí)時(shí)視頻、數(shù)據(jù)回傳分發(fā)功能，具有組呼、群呼、強(qiáng)插、強(qiáng)拆、會(huì)議、錄音和監(jiān)聽等功能。③ 視頻監(jiān)控。通過井下攝像儀及手機(jī)終端攝像并回傳，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。④ 數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)及各種傳感器數(shù)據(jù)的無線傳輸?shù)取?/p>

礦用4G無線通信系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)：① 組網(wǎng)靈活。4G采用全I(xiàn)P的分布式結(jié)構(gòu)，融合性好，可與WiFi等不同無線技術(shù)在同一架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)融合、共存，并可方便地與采用軟交換技術(shù)或IP-PBX交換機(jī)的有線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度通信系統(tǒng)融合，形成井上下有線無線一體化的綜合調(diào)度通信系統(tǒng)。② 覆蓋范圍廣。礦區(qū)地面基站覆蓋半徑不小于5 km，井下覆蓋范圍800 m，并能適應(yīng)不同規(guī)模組網(wǎng)，大大減少基站數(shù)量，節(jié)約用戶投資。③ 技術(shù)和產(chǎn)品成熟。經(jīng)過多年的應(yīng)用和完善，4G系統(tǒng)穩(wěn)定性和對環(huán)境的適應(yīng)性不斷提高，終端設(shè)備相對豐富。

礦用4G無線通信系統(tǒng)主要缺點(diǎn)是帶寬和實(shí)時(shí)性指標(biāo)方面無法達(dá)到高清智能視頻和遠(yuǎn)程控制等應(yīng)用場景的需求。

1.2 5G無線通信系統(tǒng)

5G是具有高速率、低時(shí)延和廣連接特點(diǎn)的新一代寬帶移動(dòng)通信技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。國際電信聯(lián)盟定義了5G的三大類應(yīng)用場景，即增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠低時(shí)延通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）和海量機(jī)器類通信（Massive Machine Type Communication，mMTC）。

5G和4G相比，傳輸速率提升10～100倍，峰值速率達(dá)10 Gbit/s，端到端時(shí)延達(dá)到毫秒級，連接設(shè)備密度增加100倍，流量密度提升100倍，能效提升100倍，頻譜效率提升3～5倍，能夠在500 km/h的速度下保證用戶體驗(yàn)。5G與4G關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對比見表1[2]。

表1 5G與4G關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對比Table 1 Comparison of 5G and 4G key technical indicators

5G無線空口技術(shù)（Radio Interface Technology，RIT）方案基于3GPP新空口（New Radio，NR）和窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技術(shù)。其中，NR重點(diǎn)滿足eMBB，uRLLC場景的技術(shù)需求，NB-IoT滿足mMTC場景的技術(shù)需求。

礦用5G無線通信系統(tǒng)主要由地面調(diào)度終端、地面5G核心網(wǎng)（5G Core Network，5GC）、礦用基站控制器（Base Band Unit，BBU）、礦用網(wǎng)絡(luò)集線器（Remote Radio Unit Hub，RHUB）、礦用基站射頻單元（Remote Radio Unit，RRU）、礦用手機(jī)、礦用客戶前置設(shè)備（Customer Premise Equipment，CPE）、光纜、光纜分/接線盒、礦用電源（也可與礦用基站、BBU、RHUB等構(gòu)成一體）等組成[3-4]。

5G在煤礦的可應(yīng)用場景：① 超可靠、低時(shí)延通信。無人駕駛運(yùn)輸、設(shè)備遠(yuǎn)程操控、移動(dòng)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控、煤礦機(jī)器人控制等。② 增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶。井下視頻監(jiān)控、語音通信、廣播調(diào)度、智能終端、虛擬礦山構(gòu)建、混合現(xiàn)實(shí)采礦等。③ 低成本、低能耗、廣連接。井下電子圍欄、車輛運(yùn)輸管理、智能穿戴設(shè)備、安全系統(tǒng)監(jiān)控、作業(yè)安全監(jiān)控、人員精確定位等[1]。

礦用5G無線通信系統(tǒng)的推廣和使用目前仍處于起步階段，終端方面（如5G手機(jī)、礦用CPE等）已取得相關(guān)煤安認(rèn)證，具備了井下應(yīng)用條件[5]，涉及R16 NB-IoT的礦用產(chǎn)品暫未完成煤安認(rèn)證。因此，5G在煤礦的實(shí)際應(yīng)用場景相對有限，主要有以下方面：① 遠(yuǎn)程控制。5G低時(shí)延特性結(jié)合多樣化傳感器和邊緣計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對煤礦井下綜采、掘進(jìn)、排水、通風(fēng)、運(yùn)輸、變電等方面的集中遠(yuǎn)程控制管理，如智能綜采工作面集中控制、智能掘進(jìn)工作面集中控制和無人駕駛等。② 智能視頻。部署礦用高清攝像裝置，結(jié)合移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）連接視頻智能分析平臺，通過對視頻的實(shí)時(shí)分析，對異常事件（如塌方、人員不戴安全帽等行為異常、設(shè)備運(yùn)行異常等）進(jìn)行探測并告警，實(shí)現(xiàn)對主運(yùn)煤流的監(jiān)測等。③ 綜合調(diào)度。利用5G大帶寬、低時(shí)延、廣連接的特性，構(gòu)建了集語音、數(shù)據(jù)、視頻于一體的融合調(diào)度通信系統(tǒng)，擴(kuò)展接入IP廣播系統(tǒng)、人員監(jiān)測、安全監(jiān)測等行業(yè)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了多種應(yīng)用場景的一網(wǎng)接入，為井下萬物互聯(lián)提供了通信平臺，解決了當(dāng)前各類系統(tǒng)之間相互獨(dú)立、無法互通的問題。

5G具有傳輸速率高、時(shí)延低、并發(fā)能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際使用中存在以下問題：① 多系統(tǒng)、多天線情況下，無線發(fā)射信號的安全問題。根據(jù)GB 3836.1-2010《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求》，煤礦瓦斯氣體環(huán)境中射頻天線的發(fā)射功率不得超過6W，導(dǎo)致無線覆蓋范圍小、設(shè)備投資高、安裝維護(hù)工作量大等問題，不利于推廣。② 5G基站以隔爆兼本安型為主，質(zhì)量大、體積大，使用不便且使用場合受限。③ 5G終端生態(tài)匱乏，通信模組價(jià)格高、功耗大，不具備規(guī)模行業(yè)應(yīng)用條件[5]。④ 實(shí)際應(yīng)用案例少，應(yīng)用場景有待進(jìn)一步挖掘[6]。

1.3 WiFi/WiFi6無線通信系統(tǒng)

WiFi/WiFi6是IEEE推出的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.11最初發(fā)表于1997年，其中定義了介質(zhì)訪問接入控制層和物理層，工作頻段為2.4 GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為2 Mbit/s。隨著通信技術(shù)的發(fā)展和通信需求的增長，IEEE先后推出了802.11a，802.11b，802.11g，802.11n，802.11ac，802.11ax等標(biāo)準(zhǔn)。

WiFi6工作在2.4 GHz和5 GHz頻段，和以往標(biāo)準(zhǔn)相比，在傳輸速率、并發(fā)數(shù)量、時(shí)延等方面有較大提升，峰值速率達(dá)9.6 Gbit/s（160 MHz帶寬，8T8R），每個(gè)接入點(diǎn)最多接入數(shù)為1 024個(gè)，并發(fā)用戶數(shù)最大可達(dá)72個(gè)，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延不大于20 ms[7]。

WiFi/WiFi6無線通信系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)，組成結(jié)構(gòu)相對簡單，系統(tǒng)主要由IP調(diào)度交換系統(tǒng)、地面環(huán)網(wǎng)接入器、礦用環(huán)網(wǎng)接入器、礦用本安型無線基站、礦用本安型WiFi手機(jī)、礦用攝像頭及其他配套設(shè)備組成，能實(shí)現(xiàn)礦區(qū)井上與井下的語音、數(shù)據(jù)、圖像傳輸功能。目前WiFi/WiFi6無線通信系統(tǒng)主要用于以下方面：① 語音通話、語音調(diào)度。包括雙向通話、組呼、群呼、強(qiáng)插、強(qiáng)拆、會(huì)議、錄音和監(jiān)聽等。② 人員定位。利用場強(qiáng)大小和指紋特征等信息，判斷手機(jī)持有人員所在大致位置。③ 視頻傳輸。WiFi的特點(diǎn)之一是大帶寬，可實(shí)現(xiàn)相對低成本但時(shí)延要求不高的視頻傳輸。

WiFi6無線通信系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)，但時(shí)延偏高、移動(dòng)性和可靠性相對較低[7]，加上手機(jī)終端相對不夠成熟，影響了語音通話質(zhì)量。

2 智能礦井對無線通信系統(tǒng)的需求

智能礦井是一個(gè)基于全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測、協(xié)同控制的完整智能系統(tǒng)，需確保礦井在開拓、采掘、運(yùn)通、分選、安全保障、生態(tài)保護(hù)、生產(chǎn)管理等全過程的智能化運(yùn)行。具體來說，要實(shí)現(xiàn)全面感知，就離不開對環(huán)境和設(shè)備的監(jiān)測感知，就會(huì)有大量傳感器接入，傳統(tǒng)的有線接入技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致建設(shè)成本巨大、維護(hù)困難、網(wǎng)絡(luò)可靠性差等問題；要實(shí)現(xiàn)工作面無人或少人化作業(yè)，就要實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自主運(yùn)行或?qū)Σ擅簷C(jī)的遠(yuǎn)程控制，其中涉及移動(dòng)視頻和控制信號的高可靠、低時(shí)延無線傳輸；要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛、設(shè)備間協(xié)同控制等，就要實(shí)現(xiàn)精確定位。歸結(jié)起來，智能礦井對無線通信系統(tǒng)的需求主要體現(xiàn)在以下方面：① 大帶寬需求。滿足移動(dòng)視頻監(jiān)控、虛擬礦山構(gòu)建、多媒體調(diào)度等大數(shù)據(jù)傳輸需求。② 低時(shí)延、高可靠需求。保證語音、高清視頻的傳輸質(zhì)量和遠(yuǎn)程控制功能的及時(shí)性和可靠性。③ 多接入需求。滿足大量機(jī)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和環(huán)境參數(shù)等傳感器數(shù)據(jù)的接入。④ 多系統(tǒng)多接口需求。滿足環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、IP廣播系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)及各種傳感器對接口的不同要求。⑤ 位置信息需求。人機(jī)作業(yè)安全、智能協(xié)同作業(yè)、無人化運(yùn)輸、井下機(jī)器人等應(yīng)用都離不開對位置信息的需求。

3 礦井無線通信系統(tǒng)展望

智能礦井建設(shè)是一個(gè)不斷漸進(jìn)的過程，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)的不斷進(jìn)步和礦井需求的不斷提高，對無線通信系統(tǒng)的要求也將隨之改變，目前主要體現(xiàn)在以下方面：

（1） 系統(tǒng)融合。① 無線通信和有線通信融合。要求制式上能夠整合礦井有線通信、無線通信、廣播等系統(tǒng)，支持手機(jī)、固話、IP電話、4G/5G/WiFi終端、會(huì)話初始協(xié)議（Session Initiation Protocol，SIP）廣播終端等設(shè)備的接入，業(yè)務(wù)上能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、視頻等媒體的多制式融合通信。② 無線通信內(nèi)部融合。不同應(yīng)用場景對通信的要求各不相同，如對井下環(huán)境的感知需大量傳感器接入，這時(shí)用5G NR模組就不是很合適，不僅體積大、成本高，而且功耗大，難以現(xiàn)場實(shí)施，而短距離無線通信技術(shù)（如ZigBee，UWB等[8]）就比較合適。③ 無線通信系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的融合（多系統(tǒng)融合）。提供豐富的對接接口，可對接安全監(jiān)測、風(fēng)門監(jiān)測控制和應(yīng)急救援等系統(tǒng)，滿足井上下人、機(jī)、環(huán)之間的快速信息傳輸與通信，輔助礦井安全生產(chǎn)與決策管理。無線通信系統(tǒng)作為礦井通信聯(lián)絡(luò)裝備的主要組成部分，實(shí)現(xiàn)和其他系統(tǒng)的融合是必然趨勢，除滿足雙向語音通信需求外，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)數(shù)據(jù)上傳和指令有效下達(dá)。

（2） 通信定位一體化。礦井各類目標(biāo)的精確位置信息對于建設(shè)智能礦井具有重要作用。一方面，井下各類動(dòng)態(tài)目標(biāo)的精確位置監(jiān)測與實(shí)時(shí)跟蹤能夠有效提升礦井安全管理水平，另一方面，智能礦井少人和無人化發(fā)展趨勢對井下采掘運(yùn)裝備的自主協(xié)同作業(yè)提出了明確需求，裝備能夠感知自身和相互的精確位置是實(shí)現(xiàn)自主協(xié)同作業(yè)的先決條件[6]。目前大多有專門的定位系統(tǒng)（如UWB精確定位系統(tǒng)等），若無線通信系統(tǒng)除通信功能外還具備定位功能，將能更好地滿足礦井智能化建設(shè)需要。未來有2個(gè)途徑：① 通信系統(tǒng)和定位系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，基站中既有通信的模組，也包含定位的模組，射頻部分和天線部分視使用頻段具體設(shè)計(jì)，可以是共用的，也可以是獨(dú)立的。② 直接利用通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位功能，但目前精度有限（如5G系統(tǒng)），使用新的編碼方式、波束賦形、大規(guī)模天線陣列、毫米波頻譜等，有利于參數(shù)估計(jì)，為高精度距離和角度測量提供支持[9]，可望實(shí)現(xiàn)米級的位置監(jiān)測。

（3） 設(shè)備本質(zhì)安全。礦用防爆型設(shè)備在瓦斯超限或停風(fēng)情況下必須停電，不能在瓦斯超限和停風(fēng)斷電控制區(qū)域工作，而本質(zhì)安全型設(shè)備適用于煤礦井下所有場所和瓦斯超限等條件[3]。通信設(shè)備尤其是礦用通信設(shè)備最基本的要求就是不能斷電，特別是在有災(zāi)害發(fā)生的情況下。因此，無線通信設(shè)備的本安化設(shè)計(jì)顯得尤為必要。

（4） 終端模組低功耗。無線通信系統(tǒng)的一大優(yōu)點(diǎn)就是方便接入，但也帶來了終端供電問題。為方便安裝和日常使用，許多終端尤其是傳感設(shè)備采用電池供電方式，要求更換周期6個(gè)月以上，這就要求終端模組必須是低功耗的。

（5） 協(xié)議接口規(guī)范化。除了關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步研究外，作為智能化建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，無線通信和定位相關(guān)技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的制定、頒布也迫在眉睫，如涉及通信和定位的物理接口、空中協(xié)議、傳輸規(guī)范、數(shù)據(jù)交互等。

4 結(jié)論

（1） 無線通信系統(tǒng)在智能礦井建設(shè)中的作用不可替代，主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：① 大量傳感數(shù)據(jù)的接入。② 移動(dòng)場景下，大帶寬、低時(shí)延智能視頻的應(yīng)用和低時(shí)延、高可靠控制信號的傳輸。

（2） 全礦井無線通信系統(tǒng)目前主要有WiFi，3G，4G，5G，WiFi6系統(tǒng)，其中3G系統(tǒng)正逐步被替代，4G和WiFi系統(tǒng)逐步減少，5G和WiFi6系統(tǒng)目前為起步階段，并將逐步成為主流，這些系統(tǒng)以各自在性能和成本等方面的不同優(yōu)勢滿足智能礦井建設(shè)的需求。在實(shí)際使用中，考慮到已有系統(tǒng)和設(shè)備的延續(xù)性，以及不同場景對無線通信系統(tǒng)性能的不同需求，不同系統(tǒng)不是直接替代的關(guān)系，往往并存使用，如5G+4G，4G+WiFi及在此基礎(chǔ)上再融合定位功能是目前較通用的做法。

（3） 5G作為新一代無線通信技術(shù)，現(xiàn)有的產(chǎn)品主要面向地面場景需求，在煤礦井下的應(yīng)用還需在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無線覆蓋特性和功耗方面針對煤礦特點(diǎn)進(jìn)行完善和改進(jìn)。

（4） 在智能礦井建設(shè)中，無論是設(shè)備自主運(yùn)行、環(huán)境智能感知，還是緊急救援實(shí)施，都依賴于準(zhǔn)確的位置信息，另外，智能礦井的全面自主感知、實(shí)時(shí)高效互聯(lián)、精準(zhǔn)協(xié)同控制等都不是由單一的孤立系統(tǒng)獨(dú)自完成的，因此未來的無線通信系統(tǒng)一定是滿足通信定位一體化要求的融合系統(tǒng)。