5G通信技术及其在煤矿的应用构想

近年来我国煤矿无线通信系统首选WiFi和4G通信技术,随着煤矿智能化建设的发展,现阶段煤矿无线通信系统的性能已无法满足煤矿智能化发展的各项需求。对比前几代移动通信技术,阐述了第五代移动通信技术(5G)关键技术及其性能优势;给出了矿用5G无线通信系统的组成及组网方式;结合5G通信技术特点和煤矿智能化发展需求,提出了5G通信技术在煤矿的应用场景,如井下无人驾驶及智能运输、全矿井位置服务、设备远程操控、故障远程诊断、大宽带业务数据传输、煤矿机器人云端控制、全矿井安全监测信息采集、虚拟现实/增强现实矿山等;指出针对煤炭行业的5G技术应用场景还需不断挖掘和完善,且由于5G网络对承载网要求较高,煤矿应预估部署成本,结合自身发展状况和需求搭建矿井5G通信网络。     

煤矿5G通信系统安全技术要求和检验方法

用于煤矿井下的5G通信系统必须取得安全标志证书。为更好地推动煤矿智能化建设和煤矿5G技术发展,让送审企业提前熟悉煤矿5G通信系统技术要求和检验要求,缩短送审周期,研究了煤矿5G通信系统安全技术要求和检验方法。从基本要求、组网要求、5G通信技术要求、防爆安全要求、抗干扰要求等方面论述了煤矿5G通信系统安全技术要求,并针对需重点关注的问题提出相关建议。针对煤矿5G通信系统,重点关注系统组网方式判别、核心网检验、抗干扰性能检验;针对5G基站和终端,重点关注5G技术指标的检验和防爆安全要求。对煤矿5G通信系统管理问题、5G基站多天线功率叠加后阈功率的计算问题、抗干扰技术难点、传输速率和时延的技术要求和检验方法、天线一体化基站的检验、矿用5G上下行带宽存在的问题进行了探讨。     

5G技术在煤矿掘进工作面运输系统中的应用

针对掘进工作面运输系统通信网络存在的接入能力不足、传输可靠性低、传输带宽不足等问题,探讨了5G技术在煤矿掘进工作面运输系统中应用的必要性和可行性：经过优化设计的矿用5G系统性能指标达到预期,完全能够满足当前煤矿智能化建设对无线通信系统的需求;矿用5G通信模组、5G客户终端设备（CPE）为掘进工作面各类设备及传感器接入5G网络提供了设备支持。介绍了5G设备的矿用化改造重点解决的问题：建立了矿用5G网络架构,以满足井下5G信号覆盖需求;针对5G设备功耗大的问题,对其结构进行了优化设计,并设计了散热装置;解决了5G基站多路射频输出与天线增益叠加后射频功率超标的问题。给出了掘进工作面运输系统5G网络架构及功能,借助5G网络大带宽、低时延、高可靠、广接入的特性,可实现掘进工作面运输系统各类传感设备的统一接入、各环节的高清视频监控、远程集中控制。     

煤矿井下无线通信技术演进

矿井通信是煤矿智能化发展不可或缺的一环。分析了煤矿井下无线通信不同发展阶段不同通信制式和技术的优缺点,得出目前5G、WiFi6在传输速率、时延、可靠性及用户容量方面具有较大技术优势及较好的适用性,是近阶段矿用无线通信技术的主流解决方案。探讨了井下无线通信系统建设面临的问题及对应的发展方向：(1)技术融合问题。不同场景对带宽、时延、功耗、可靠性有不同要求,单一的通信技术难以满足煤矿所有应用场景的需求,必须根据实际应用情况,选择适合的通信技术来满足应用需求,不同技术通过协议转换器、网关等设备实现融合,形成井上下多技术融合的一体化通信网络平台。(2)系统融合问题。由于各系统由不同厂家提供,通信协议及硬件接口不一致,难以真正实现矿井各系统数据共享,应提供标准接口、开放的网络架构、统一的用户数据,为监控、应急、生产等系统提供互联互通功能,并进一步提供统一数据报文,让数据在各系统内低延时、高并发、实时、同步地流通。(3)设备功耗问题。现有矿用5G基站等由于设备本身功耗大,只能做成功能单一的隔爆型产品,设备笨重、体积大,安装维护困难,制约了5G技术在矿井的普及推广,可从主芯片、射频模块、功率放大模块...     

5G技术在煤矿井下应用架构探讨

通过对比、分析5G非独立组网(NSA)和独立组网(SA)架构的网络部署及优缺点,结合煤矿井下4G"一网一站"已普遍应用的现状,提出了基于NSA的煤矿井下4G与5G融合网络架构,利用4G网络实现语音、调度功能,5G网络拓展其他智能化应用,以最大程度地减少投资。研究了煤矿井下5G网络传输方式,重点探讨了5G承载网的3种前传组网方案及适用场景:光纤直连方案适用于井下水泵房、变电所等场所的机器人巡检,虚拟现实(VR)/增强现实(AR)培训,无人值守工作面等场景;无源波分复用方案适用于井下网络部署简单、独立维护性强的场景;有源光传送网方案可灵活适应不同场景。探讨了智能巡检机器人、环境监测与安全防护、VR/AR智慧煤矿、井下车辆无人驾驶4种煤矿井下5G网络切片应用场景,分析了不同场景下5G组网架构的应用模式。     

煤矿用5G通信系统标准研究制定

为满足煤矿远程监控、视频监视、数据采集、语音通信等需求,煤矿用5G通信系统应具有下列功能：(1)远程控制、监控、定位、监视和语音等不同业务承载功能。(2)采煤机、掘进机、电铲、挖掘机、无轨胶轮车及电机车等远程控制功能。(3)矿用运输车辆应急远程接管功能。(4)摄像机音视频的远程实时传输功能。(5)监控设备、传感器、车辆辅助驾驶等数据采集功能。(6)语音通话功能,支持矿用融合调度系统。(7)端到端切片功能,满足远程控制、监控、视频和语音等差异化的业务性能要求,提供对应的端到端切片资源。(8)支持SA组网方式,支持5G NR的通信制式。(9)支持5G LAN以太网通信。(10)应急惯性运行功能,当矿区专网与通信运营商公用网络失联时,本地业务可持续在线作业。(11)设备级冗余保护功能,当单个物理端口故障时,数据业务不中断。(12)核心网双设备冗余保护功能,当主设备故障时,切换备用设备继续提供服务。(13)核心网控制面传输机密性和完整性保护功能,保证核心网控制面的安全。(14)终端认证、检查和限制接入系统非授权终端的功能,支持煤矿企业安全服务器对终端的认证。(15)防止终端攻击系统和合法终端功...     

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。     

矿用5G智能终端数据交互和共享规范研究

5G技术是实现矿山智能化建设的基础,针对不同厂商之间的矿用5G智能终端与管控平台很难实现互通的问题,需要统一和规范5G系统中的数据交互和共享流程。给出了“5G+智能矿山”的部署架构,即矿用5G智能终端通过井上下5G基站、交换机和5G核心网,与包含管控平台的服务器实现数据交互和共享。介绍了矿用5G系统中传输的消息类型、消息传输格式、消息组成和消息连接方式等。针对矿山领域的具体应用场景,将矿用5G系统中的数据分成语音数据、视频数据、传感数据和控制类数据等,并给出了矿用5G智能终端在不同应用场景下传输的数据类型。分析了矿用5G智能终端及管控平台应具备的能够满足数据交互的基本传输能力,指出矿用5G智能终端与管控平台数据交互时的流程包括设备信息查询与上报、设备升级、日志采集、告警下发及处理和平台配置下发及处理等。给出了矿用5G智能终端数据共享的参与实体、安全等级和流程（包括数据的汇聚、申请、授权、提供和反馈）。通过实施标准化流程,在保证通信可靠性的同时,简化了“5G+智能矿山”系统架构下的数据交互和共享流程,以加速矿山智能化建设。     

矿用5G通信演进技术研究

矿用5G是智能矿山建设的基础,为满足智能矿山多样化的应用需求,需要依托5G通信演进技术推动矿用5G通信演进系统的实现。梳理了矿用5G技术研究及系统部署现状：矿用5G初步实现了音视频通话、高清视频分析、装备远程控制等应用,但存在终端形态单一、上行链路负荷较重、5G通信系统与定位系统分立建设等问题。分析了3GPP Release 17的5G通信演进技术在矿用5G通信中的适用性,指出RedCap轻量化终端技术、NR直连通信技术、NR定位技术将成为矿用5G通信演进的关键技术。研究了矿用5G通信演进关键技术：RedCap轻量化终端技术能够满足矿用无线传感器、单路无线传输的矿用视频监控设备、智能矿灯、智能穿戴设备的低功耗、低成本的多模态终端研发需求;NR直连通信技术应用于矿井自动驾驶车载终端与巷侧设备、应急通信中继设备,可满足矿井自动驾驶和应急通信的低时延、高可靠传输需求;NR定位技术应用于矿井通信定位一体化,可满足矿井通信定位系统融合的技术需求。提出了矿用5G通信演进系统架构,为建设矿用5G全连接矿井、支持多链路无线接入、实现通信感知一体化提供了方向。     

5G通信场景下分布式基站的部署策略

我国5G通信网络技术已处于领先位置,部分城市开始试点建设5G基站。相比4G网络,5G网络在接入能力、数据传输方面均有更高的表现,但5G基站建设需要达到更高的密度。目前,光缆网基础资源与5G网络建设需求存在一定差距,必须大幅度升级、整合光缆网,才能满足5G网络的建设需求。分布式基站(BBU+RRU)将逐步成为移动网络基站的主流形态。     

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。     

F5G工业光环网通信技术及其在煤矿的应用与展望

矿井传统有线通信网络存在带宽固定、有效利用率低、时延较高、系统配置不灵活等问题,无法满足矿井智能化业务发展需求。矿用5G及WiFi6无线通信存在巷道衰减大、可靠性不及有线通信的问题。针对F5G（第5代固定网络）工业光环网通信技术的特点,指出F5G工业光环网通信技术是矿井有线通信的发展趋势。介绍了F5G工业光环网的2个关键技术：10 Gibit/s PON（无源光网络）技术、数智光分配网（DQ ODN）技术;比较了F5G工业光环网与传统有线网络在网络时延、电气安全、业务安全、施工安全、维护安全等方面的优势。结合F5G工业光环网通信技术在煤矿井下应用的需求特点及建设实例,分析了F5G工业光环网通信技术在井下工业远程控制、高清视频回传、工业网络迁移、远程故障诊断、无线网络信号回传等场景的具体应用,指出F5G工业光环网通信技术在矿井应用的不足与前景：(1)基于F5G工业光环网通信技术的矿用设备种类较少。(2)在不同场景的适应性、不同业务种类的适配性方面有待提升。(3) F5G工业光环网通信技术在系统接口与协议方面与传统以太环网通信接口相同,终端设备无需更改适配即可接入使用,是未来煤矿场景工业网...     

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。     

基于5G的多路径数据传输系统设计

针对目前电信运营商5G基站分布不均匀及5G SA模式基站覆盖效果有限的问题,提出通过多路径数据传输协议(MultiPath TCP, MPTCP)与5G技术相结合的方案,聚合不同运营商的5G通信链路,提高5G在应用场景中的传输带宽、连接鲁棒性及网络服务质量。针对该方案,设计基于5G的多路径数据传输系统;该系统以I.MX6ULL作为主控制器,通过两个5G模组完成数据传输,采用局域网与外部终端完成数据交互,USB串口作为控制终台。测试结果表明：系统使用MPTCP协议通过两条5G通信链路进行数据传输的传输速率比单条链路的传输速率提高了一倍左右,并且系统稳定性也明显提高,能够达到既定目标的链路聚合效果,具有较高的实用价值。     

一种5G工业数据传输单元的实现及应用研究

5G时代产业格局调整,终端产业步入成熟发展期,带来新的发展机遇。垂直行业应用是5G发展的一个重要方向,工业数据传输单元(DTU)作为5G网络与行业设备的连接载体,提供的5G能力可以为车联网、工业互联网等多个垂直行业带来巨大提升,降低终端开发难度,丰富工业现场设备选择,构建定制化能力,助力突破行业终端能力边界。文中基于油田采油信息化需求场景,设计了一种5G 工业数据传输单元(DTU),并基于油田场景进行了进一步的应用研究。     

矿用TD-SCDMA无线通信系统在绿水洞煤矿的应用

详细地介绍了矿用TD-SCDMA无线通信系统的方案选型、系统组成及功能特点,阐述了矿用TD-SCDMA无线通信系统在绿水洞煤矿的应用情况。应用结果表明,该系统性能稳定可靠,容量大,通话效果好,基站覆盖范围大,可较好地满足煤矿井下移动通信的需求。     

智慧矿山与5G和WiFi6

宽带无线通信是智慧矿山建设的基础和关键。提出了矿井宽带无线通信特殊要求:需无线全覆盖煤矿井下长达10余千米的巷道;无线发射必须本质安全防爆;无线工作频段不宜过高;无线传输宜具有一定的绕射能力;抗干扰能力强;移动性要求不高等。研究了矿用5G和WiFi6,指出5G和WiFi6均可用于智慧矿山宽带无线通信;矿用5G具有传输速率高、传输时延小、通话质量高等优点,但系统复杂、成本高;矿用WiFi6具有传输速率高、系统简单、成本低等优点,但传输时延大、通话质量低。     

矿用多频段微带天线设计

随着5G技术在煤矿的应用,多系统之间的信号干扰愈发密集,严重影响数据、语音和图像通信的质量,煤矿井下多系统共存问题日益凸显。针对该问题,设计了一种可同时工作于WiMAX/WiFi/4G/5G NR频段的矿用多频段微带天线。该天线在平面单极子天线的基础上,通过加载2个L形枝节及在地板上加载倒L形枝节的方式,使天线能够在多频段工作。仿真结果表明：该天线的中间、右侧和左侧枝节分别产生了2.4,3.5,4.8 GHz的谐振点,而在地板加载的倒L形枝节则提供了1.9 GHz的谐振点,天线可工作在3个频段,分别为1.88～2.73,3.26～3.79,4.7～5.9 GHz,能够有效覆盖WiMAX/WiFi/4G/5G NR煤矿井下全部的工作频段;由天线的峰值增益和归一化方向图可知,该天线在需要的工作频段内增益性能和整体辐射性能良好。     

KT26型矿用无线通信系统在冯家塔煤矿的应用

文章介绍了KT26型矿用无线通信系统的构成及其主要设备,以该系统在冯家塔煤矿的应用为例,说明了系统的设备配置、话务通道计算和所能提供的业务。KT26型无线通信系统根据煤矿特点对在公共网应用成熟的PHS通信系统进行了改造,实现了无线通信系统的下井,扩展了井下调度通信系统的功能,对于煤矿通信技术的发展、新型现代化矿井的建设有着重大的意义。     

光纤直放站在煤矿井下CDMA无线通信系统中的应用

煤矿井下巷道总体呈带状分布,巷道距离远,如采用地面传统的架设无线电通信基站的方式则成本太高,覆盖也较难完善。文章以KT28型矿用CDMA多功能无线通信系统为例,介绍了光纤直放站在矿用CDMA无线通信系统中应用的工作原理及具体实施方案。应用结果表明,光纤直放站能够较经济地解决煤矿井下巷道网络覆盖的问题,且通信质量较好。