矿用5G频段选择及天线优化设置研究

矿井无线通信和矿用5G移动通信技术是煤矿智能化关键技术之一。为提高煤矿井下无线传输距离、绕射能力及无线通信系统的稳定性和可靠性,减少基站用量、组网成本和维护工作量,研究了矿用5G工作频段和基站天线位置对无线传输损耗和传输距离的影响。主要结论如下:①煤矿井下无线发射功率受本质安全防爆限制,接收灵敏度受电磁噪声限制,天线增益受本质安全防爆和巷道空间限制。在煤矿井下无线发射功率、接收灵敏度、天线增益受限的情况下,应通过优选无线工作频段和优化天线设置位置,提高矿井无线传输距离和绕射能力,提高系统稳定性和可靠性,减少基站用量、组网成本和维护工作量。②矿用5G工作频段应优选700 MHz。煤矿井下700 MHz频段与现有5G其他工作频段2.6,3.5,4.9 GHz相比,具有无线传输损耗小、无线传输距离远、绕射能力强、基站用量少、组网成本低和维护工作量小等优点。③提出的传输损耗/位置变化率分析方法便于分析巷道横向不同区域位置变化引起的无线传输损耗变化情况。④无线基站天线应靠近巷帮设置,距巷帮不小于0.01 m,垂向位于巷道高度约2/5处。这样既不影响行人和行车、便于安装维护,也可以满足无线传输损耗较小、无线传输距离较远的要求。⑤矿用手机、人员定位卡、便携式无线甲烷检测报警仪、多功能无线矿灯、便携式无线摄像机、便携式无线仪器设备、可穿戴无线设备、车辆定位卡、车载无线设备、无线摄像机、无线传感器、物联网设备等无线终端,在不影响使用的条件下应尽量靠近巷道中心,以提高无线传输距离。     

矿井无线中继应急通信系统实现方法

分析了矿井无线中继应急通信系统特点:无线发射功率受防爆限制,矿井无线传输衰减大,无线传输距离近;在保证井下工作的各无线通信设备互不干扰,出井后不影响地面无线设备正常工作的前提下,工作频段不受限制;中继链路在巷道中呈链状分布,整体网络呈树状拓扑结构。为解决煤矿事故造成断缆(电缆或光缆)影响矿井应急通信系统的问题,提出了矿井无线中继应急通信系统的实现方法:将数据传输链路与协议控制链路分离,可提高链路控制的灵活性和路由协议信令的传输效率;链路中各基站的收/发频段与子信道频率按照基站的物理排列顺序进行设置,解决了各级中继站收发相互干扰的问题;数据链路中继传输,链路中各个中继站可与前级和后级节点进行连续的数据交换,解决了多级中继带来的带宽损失、中继时延以及系统稳定性问题;区段式空间复用的中继站频分子信道划分方式,解决了频分信道资源受限的问题;基于固定节点的透传式路由策略,简化了逐级路由寻址和路由发现过程,提高了数据转发效率;正常链路的冗余基站下挂式路由策略,避免了主节点和冗余节点混合传输带来的信道干扰问题;冗余基站、移动终端桥接、本地接入协同的链路断点恢复方法,提高了链路的抗故障能力。     

煤矿智能化与矿用5G和网络硬切片技术

为减少煤矿井下采掘工作面作业人员,提出了采掘工作面无人5G地面远程控制方法:在采掘工作面设置工业摄像机和传感器,将视频、音频和传感器信号通过5G网络传输至地面,地面操作人员远程操作设备,将控制命令通过5G网络传输至采掘工作面,控制采掘设备动作。提出了用于综采工作面无人地面远程控制的无线传输距离和传输带宽计算方法。综采工作面两端头的基站之间无线传输距离应不小于综采工作面长度的1/2。综采工作面无人地面远程控制所需上行传输总带宽与综采工作面长度成正比,与液压支架中心距成反比,与支架和摄像机数量比成反比,与单台摄像机视频压缩后所需传输带宽成正比。为减少综采工作面无人地面远程控制对上行传输带宽的需求,可以只传输邻近采煤机的摄像机视频。综采工作面无人地面远程控制所需上行传输最小带宽与邻近采煤机的摄像机数量成正比,与单台摄像机视频压缩后所需传输带宽成正比。提出了综采工作面无人地面远程控制系统无线传输距离测试方法,用于综采工作面无人地面远程控制的5G等无线传输系统,在保证传输带宽、时延和可靠性的前提下,对无线传输距离进行测试,基站上行无线传输带宽不得小于20Mbit/s,同时无线传输距离不小于150m。提出了基于网络硬切片的全矿井一体化信息传输网,通过网络硬切片,给煤矿安全监控、矿井监控、人员及车辆和设备定位、视频监视、语音通信、5G通信等分配不同的信道,既保证了煤矿安全监控和矿井监控等高可靠、低时延的要求,也统一了煤矿井下信息传输网络,将煤矿安全监控网、矿用工业以太网和矿用5G通信网等多网合一。     

煤矿智能化与矿用5G

针对煤矿井下电气防爆、无线传输衰减大等特点,分析了矿用5G技术和适用范围:矿用5G宜采用本质安全型防爆;用于控制的矿用5G应具有较强的抗干扰能力;采煤工作面和掘进工作面地面远程控制宜选用矿用5G;煤矿井下车辆无人驾驶地面远程控制宜选用矿用5G;没有针对矿井移动通信特点研发的矿用5G性价比低于矿用WiFi移动通信系统;严禁用矿用5G移动通信系统替代矿用有线调度通信系统;没有针对煤矿安全监控特点研发的矿用5G不能替代煤矿安全监控系统;没有针对矿井动目标精确定位特点研发的矿用5G定位精度低于矿用UWB精确定位系统;450～6 000 MHz频率范围的矿用5G传输速率低于矿用WiFi6;没有针对煤矿井下固定设备监控特点研发的矿用5G可靠性低于矿用有线监控系统。指出了亟需针对煤矿井下安全生产特点,研发矿用5G,而不仅仅是对现有地面5G产品进行防爆改造。     

煤矿井下无线传输分析方法

目前,矿井移动通信系统、人员和车辆定位系统设计和规划主要靠经验和现场测试,存在工作量大、通信基站和定位分站布置及其天线设置难以优化等问题。为促进煤矿井下无线传输分析方法在矿井移动通信系统、人员和车辆定位系统设计和规划,以及通信基站和定位分站布置及其天线设置中的应用,分析了不同煤矿井下无线传输分析方法适用范围和优缺点：(1)抛物方程法具有算法简单、所需计算内存资源量较小等优点,但不适用于分析巷道起伏、支护、纵向导体和横向导体等因素对矿井无线传输衰减的影响。(2)时域有限差分法适用范围较广,但需较大的计算内存资源量,分析巷道弯曲、起伏、断面形状不规则等因素对矿井无线传输衰减的影响时,误差较大。(3)有限元法适用范围最广,可以采用四面体网格,相比于时域有限差分法中使用的六面体网格,可以更好地拟合不规则结构巷道,但所需计算内存资源量最大,现有高档服务器内存容量难以满足需求,适用于小断面、短距离、低频率煤矿井下无线传输分析。(4)射线追踪法具有算法简单、所需计算内存资源量最小等优点,但适用范围小,仅适用于分析高频段无线工作频率、断面形状、围岩介质、巷道弯曲等因素对矿井无线传输衰减的影响,不能分析...     

矿井宽带无线传输技术研究

提出了矿井宽带无线传输技术是解决采掘工作面移动监控、监视和语音通信需求的关键技术。提出了矿井宽带无线传输应满足传输带宽宽、便于接入有线宽带网络、中继设备少、体积小、发射功率小、电磁兼容性好、安全性好、传输协议标准化、电源电压波动适应能力强等要求。提出了漏泄通信不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下局部通信等;感应通信不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下救灾通信等;透地通信不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下避难硐室等应急通信;小灵通、CDMA、GSM、Bluetooth不能用作矿井宽带无线传输技术;RFID不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿物联网、矿用设备管理和防碰撞等;ZigBee不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下人员、胶轮车、电机车等动目标精确定位和矿用传感器无线传输等;UWB不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下生命探测、防碰撞、煤矿井下人员和胶轮车等动目标精确定位等;WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等3G不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下语音移动通信等。提出了矿井宽带无线传输技术宜采用WiFi,4G有可能成为未来矿井宽带无线传输技术。     

基于CC2530的矿用无线顶板压力传感器的设计

针对有线顶板压力传感器存在传输线易被砸断、维护困难等问题,提出了一种基于CC2530的矿用无线顶板压力传感器的设计方案,介绍了该传感器的硬件组成和工作流程。该传感器可对采集到的压力变送器数据经处理后通过天线传输至无线监测分站,方便地完成煤矿井下综采工作面液压支架和单体支柱的监测。测试结果表明,该传感器的无线发射功率高,接收灵敏度好,信号调制质量良好。     

综采面无线一体化喷雾降尘系统研究

传统综采工作面喷雾除尘系统存在自动化程度低、喷雾除尘效果不佳、通信电缆繁多等问题,为了克服上述问题,在分析综采工作面粉尘产生来源基础上设计了一种无线一体化喷雾除尘系统,采用红外发射机、无线触控传感器对采煤机运行位置、液压支架移架状态进行监测,通过总站控制防爆电动球阀运行,实现对喷雾位置、喷雾时机的有效控制。在煤矿井下应用实践表明,设计的喷雾系统有效除尘率达到85%以上,改善了采煤工作面作业人员环境。     

矿井无线传感器网络设计及应用

针对煤矿井下现有现场总线通信网络带宽小、传输速率低、布线繁琐等问题,提出了一种矿井无线传感器网络设计方案。该矿井无线传感器网络采用TD-LTE技术,可通过无线基站直接接入无线终端设备,同时利用客户终端设备兼容煤矿井下现场总线通信网络中现有设备和系统,实现区域性数据采集功能。应用结果表明,该矿井无线传感器网络具有带宽大、传输距离远、数据传输稳定、实时性高等特点,满足矿山物联网建设需求。     

煤矿井下有线宽带信息传输研究

指出要实现煤矿井下固定岗位无人值守、综采和综放等采煤工作面少人作业,应装备具有地面远程控制功能的煤矿监控系统、监视系统、矿用调度通信系统和矿井移动通信系统等;提出矿井信息传输系统应满足传输带宽宽、有线与无线相结合、抗故障能力强、传输距离远、可靠性高、标准化、安全性好等要求;在分析星型、环型、树型和总线型等煤矿井下有线传输网络结构优缺点的基础上,提出了双巷双缆、单巷双缆、单缆双树冗余结构,认为理想的煤矿井下有线传输网络应采用双巷双缆或单巷双缆双树冗余结构;提出煤矿井下有线宽带传输应采用基于无源光网络的矿用以太网或基于有源光网络的矿用以太网的观点,并提出了这两种矿用以太网的主要性能与技术指标要求。     

无线Mesh技术在煤矿工作面通信系统中的应用

针对现有煤矿有线、无线通信系统难以在工作面应用的问题,提出了一种基于无线Mesh技术的煤矿工作面通信系统设计方案,主要介绍了该系统的结构、无线Mesh基站的设计及系统功能指标等。该系统带宽高,路由更新时间不大于10s,无线覆盖距离不小于1km,并可接入井下工业以太网,实现对矿井工作面的无线网络覆盖。     

井下实时监控无线传感器网络节点的设计与实现

针对煤矿井下环境在线监测的要求,提出了一种井下实时监控无线传感器网络节点的设计方法,详细介绍了无线传感器网络节点的硬件组成和软件设计。该节点通过微控制器和无线传输模块实时采集、处理、传输井下工作面的瓦斯浓度、CO浓度、温度、湿度等数据。测试结果表明,该节点控制方便、工作稳定,能实现可靠的无线网络传输。     

煤矿掘进面远程视频监控系统的设计与应用

针对煤矿井下工作面掘进机采用人工操作方式而导致操作人员得不到人身安全保障的问题,设计了一套基于无线网络传输的煤矿掘进面远程视频监控,介绍了该系统的组成、功能特点及在云驾岭煤矿12113工作面的应用情况。应用结果表明,该系统运行状况良好,能在多煤尘且剧烈振动的环境下进行视频采集、分析、处理及数据传输,在掘进巷道中的无线视频传输距离达40m,视频监控距离达500～20 000m,实现了掘进机的远程可视化监控。     

集成温度传感器的有源电子标签设计

针对矿井下环境温度在线检测的要求,设计了一种集成了有源RFID射频识别芯片与温度传感器的在线温度检测装置,简要论述了该有源电子标签的硬件结构和软件设计.该装置能够定时采集并无线传输井下工作面的温度值.测试结果表明,该装置携带方便、工作稳定可靠.     

WiFi通信在薄煤层综采工作面的应用

针对薄煤层综采工作面对无线通信高可靠性、高带宽、低延时、广覆盖的需求,以榆家梁煤矿43101薄煤层综采工作面为应用背景,从频段选择、网络拓扑、基站布置、快速漫游切换机制等方面提出了应用于薄煤层综采工作面的WiFi通信方案:选择5.8 GHz为WiFi通信优选频段;该工作面已铺设有线网络,WiFi基站直接连接到有线网络;为确定WiFi基站之间的间距,在该工作面选取2个测试点进行信号强度测试,得出需要每隔约57个支架设置1个WiFi基站,实现相邻WiFi基站之间无线信号重叠覆盖;基于在线扫描、客户端链接质量排序、智能学习、预连接、数据缓存5种技术完成快速漫游切换,确保工作面的客户端始终连接最佳信号的WiFi基站。测试结果表明,该方案实现了工作面无线信号全覆盖,具有较好的通信稳定性,通信速率达30 Mbit/s以上,漫游切换时间为25~50 ms,达到快速漫游目的。     

矿井移动通信的现状及关键科学技术问题

分析了矿井移动通信特点;分析了矿井漏泄、感应、透地、PHS(小灵通)、CDMA等通信系统;提出了"有线/无线转换器+基站"和"基站+交换机"的网络结构;提出并研制成功了WiFi矿井移动通信系统;提出了矿井移动通信关键科学技术问题:(1)矿井无线传输理论;(2)无线电与天线矿用本质安全防爆理论;(3)矿井移动通信网络结构、调制方法、信令等。     

基于ZigBee的矿井压力智能采集装置设计

针对传统的矿井压力有线监测系统存在布线复杂、劳动强度高、监测点设置不够灵活等问题,设计了一种基于ZigBee无线传感器网络的矿井压力智能采集装置。该装置作为ZigBee无线传感器网络的节点分布于各个巷道和工作面上,各个节点采集的数据经ZigBee无线传感器网络汇聚至井下的各个基站,再通过有线网络传输至中央控制室。实际应用表明,该装置布置方便、精度高,满足掘进工作面动态延伸的变化要求。     

现代化矿井通信技术与系统

提出了由矿用有线调度通信系统、矿井移动通信系统、矿井广播通信系统和矿井救灾通信系统等组成的煤矿井下通信技术体系。提出矿用调度通信系统应采用矿用有线调度通信系统。提出全矿井移动通信系统宜采用WiFi、3G、4G等通信技术。提出矿井广播通信系统既可采用矿用有线调度通信系统远程供电广播技术,也可采用基于以太环网和无源光网络的IP通信技术。提出矿井救灾通信系统应采用无线多媒体通信技术,宜采用WiFi和MESH等通信技术。提出矿井移动通信系统应满足手机脱网通信、基站脱网通信、无线自组织网络、接入煤矿井下有线宽带传输平台等要求。指出在手机脱网通信、接入煤矿井下有线宽带传输平台、无线自组织网络、矿用无线摄像机、基站脱网通信、多功能矿井移动通信系统、矿井无线宽带传输等方面,WiFi优于WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。提出多功能矿井移动通信系统和矿井无线宽带传输宜采用WiFi。     

煤矿井下电磁干扰对通信和监控系统的影响分析

文章从电磁波在矩形巷道中的传输特性出发,分析了电磁波低于和高于截止频率的衰减特性,总结了井下各种电磁辐射干扰源产生干扰的情况。通过对井下电磁干扰实测数据的分析,得出井下电磁干扰的频段主要为500 MHz以下;当干扰源与通信和监控系统的距离为几米远时,其对系统基本不会产生影响。     

无线输电技术及其在矿井安全监控系统中的应用

介绍了无线输电技术的概念和发展史,依据现有三大无线电能传输标准,重点阐述了电磁感应式、无线电波式、电磁谐振式3种无线电能传输方式,并认为磁耦合谐振式无线电能传输方式最具研究前景;针对煤矿井下工作环境特点和防爆要求,分析了无线输电技术在矿井中的应用前景,指出矿井安全监控系统是无线输电技术的优先发展领域,并依据《煤矿安全规程》及相关行业标准,通过实例分析了矿井安全监控系统应用无线输电技术的需求和意义;指出了矿井无线输电技术需要解决的关键问题。