雷志勇

（國家能源集團陜西神延煤炭有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

2020 年，國家能源局等8 部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》[1－2]，要求推動智能化技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，提升煤礦智能化水平，國家能源集團將西灣露天煤礦列入集團5 個智能礦山示范工程。西灣露天煤礦按照國家能源集團《煤礦智能化建設(shè)指南》進行規(guī)劃建設(shè)[3－8]，主要規(guī)劃項目有31 臺220 t 礦卡無人駕駛、6 臺電鏟的無人駕駛、2 套連續(xù)采煤、采坑排水和供電遠程監(jiān)控，各項目的實施均需大帶寬、低時延的5G 無線網(wǎng)絡(luò)來傳輸控制、視頻信號。

5G 技術(shù)是第五代移動通信技術(shù)[9]，應(yīng)用優(yōu)勢顯著，是引領(lǐng)新基建發(fā)展的關(guān)鍵新型技術(shù)，可有效解決行業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸能力要求高、時延低、高可靠性的要求，實現(xiàn)行業(yè)場景業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融通共享，在5G 頻段方面國內(nèi)各運營商分配不同，中國移動2 515～2 675 MHz/4 800～4 900 MHz，中國聯(lián)通3500～3 600 MHz，中國電信3 400～3 500 MHz，中國廣電703～733 MHz/758～788 MHz/4 900～4 960 MHz。

無線電波具有頻率高傳輸衰減快、頻率低傳輸衰減慢，高頻傳輸帶寬高、低頻傳輸帶寬低的特性，而露天礦無人駕駛業(yè)務(wù)需要廣覆蓋，連續(xù)采煤需要大帶寬，在露天礦采坑布置基站過多會影響正常的生產(chǎn)，布置過少實現(xiàn)不了全覆蓋和大帶寬。

中國移動和中國廣電合作共建700 MHz 頻段，使用700M＋2.6G＋4.9G，高中低3 頻組網(wǎng)將能很好的滿足西灣煤礦智能礦山各項業(yè)務(wù)需求。

1 露天礦無線通信需求和搭建難點

1.1 需求分析

無線通信系統(tǒng)是露天礦坑移動和固定設(shè)備與地面管理監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的橋梁，為地面管理與監(jiān)控系統(tǒng)及相關(guān)車載系統(tǒng)提供連續(xù)、雙向、大容量安全可靠的無線傳輸通道，并通過高可靠、易擴充的靈活組網(wǎng)實現(xiàn)語音、圖像、視頻等綜合業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸，具體如下：

1）礦卡無人駕駛業(yè)務(wù)。控制類業(yè)務(wù)單臺上行0.3 Mbps，下行0.5 Mbps，單車視頻上行30 Mbps，合計單車上行約30.3 Mbps，下行0.5 Mbps，時延小于20 ms，共計31 臺礦卡，其中控制類業(yè)務(wù)需同時滿足31臺礦卡需求，視頻業(yè)務(wù)需同時滿足至少6 臺礦卡需求。路測設(shè)備上行帶寬15 Mbps，下行3 Mbps，時延小于20 ms，合計5 套。

2）協(xié)同作業(yè)輔助設(shè)備。上行4 Mbps、下行2 Mbps，時延小于20 ms，合計50 臺。

3）電鏟遠程操控。上行80 Mbps，下行10 Mbps，時延小于20 ms，合計6 臺。

4）輔助設(shè)備遠程操控。上行100 Mbps，下行10 Mbps，時延小于20 ms，合計12 臺。

5）連續(xù)采煤。時延≤20 ms，上行邊緣速率不小于300 Mbps（2 套采煤機，每套上行約150 Mbps 帶寬）。

6）采坑排水、供電。上行50 Mbps，下行10 Mbps，時延小于20 ms，合計30 臺。

1.2 搭建難點

露天礦范圍廣、地表和坑底落差大，搭建無線通訊系統(tǒng)主要難點如下：

1）對年產(chǎn)量為千萬噸級的露天礦，采掘工作線長度達到約2 km，受基站覆蓋半徑限制，礦坑四周基站無法實現(xiàn)對礦坑中心區(qū)域的覆蓋，易出現(xiàn)較大區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)，需在盡可能減少對礦區(qū)生產(chǎn)影響的前提下實現(xiàn)對礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋。

2）隨著露天礦工作面的不斷推進，工作面會逐步移出礦區(qū)基站的覆蓋范圍，為保證礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，需對基站進行不斷移設(shè)。

3）露天礦各個基站之間和核心網(wǎng)與基站之間均需要光纖連接，各個基站均需要電纜供電，而在露天礦坑底不易進行光電纜敷設(shè)，如何解決光電纜敷設(shè)和網(wǎng)絡(luò)覆蓋的問題需要進行詳細方案設(shè)計。

4）礦用卡車無人駕駛系統(tǒng)要求網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全覆蓋以保證車輛安全運行，露天礦面積大，只有單基站覆蓋半徑大，才能有效減少基站數(shù)量。

5）電鏟和輔助設(shè)備的遠程控制、連續(xù)采煤遠程控制會大量使用攝像頭，而圖像的傳輸需要大帶寬，單基站要實現(xiàn)大帶寬則需要使用高頻傳輸。

2 露天礦5G 3 個頻段混合組網(wǎng)方案

使用中國移動5G授權(quán)頻段，700MHz＋2.6GHz＋4.9 GHz 載波聚合，SA 三頻混合組網(wǎng)、薄厚覆蓋方案[10-11]，其中2.6 GHz 作為主頻段，700 MHz 頻段作為打底廣覆蓋頻段，提升弱覆蓋區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，4.9 GHz 頻段優(yōu)化礦區(qū)上行大帶寬應(yīng)用需求區(qū)域的無線容量增強，西灣煤礦在采區(qū)新建6 個5G宏站，部署2 套MEC 邊緣計算節(jié)點，1 用1 熱備，數(shù)據(jù)流經(jīng)基站進入礦區(qū)數(shù)據(jù)中心機房MEC 直接與礦區(qū)應(yīng)用系統(tǒng)互連，保障數(shù)據(jù)不出礦區(qū)，確保數(shù)據(jù)安全，實現(xiàn)采區(qū)網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。在滿足礦區(qū)5G 業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上，不單獨增加4G 基站，后期通過5G 基站反開3D MIMO，為礦區(qū)提供綠色的、大容量的4G 語音和數(shù)據(jù)接入能力，保障礦區(qū)公網(wǎng)對講、語音通信需求。

2.1 站點布置方案

站址分布如圖1。

圖1 5G 基站站址分布

礦區(qū)布置6 個5G 基站，站址分布如圖1。1 號、4 號基站為新增700 MHz＋4.9 GHz 微波基站，700 MHz 用于實現(xiàn)廣覆蓋，4.9 GHz 為連續(xù)采煤提供大帶寬數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，為保證安全建設(shè)有2 套微波作為主備鏈路。

通過中國移動豐富的5G 頻率優(yōu)勢，可實現(xiàn)2.6 GHz 100M＋60M 帶內(nèi)CA 場景理論下行峰值2.7G bps，有效提升用戶感知：2.6 GHz 100M＋4.9 GHz 100M 跨載波CA 場景，滿足超高流量區(qū)域的上下行容量增強；以及2.6 GHz 100M＋700M 30M CA 場景，大幅提升小區(qū)覆蓋能力，改善邊緣用戶體驗，小區(qū)中心2T4R 用戶支持2.6 GHz 雙流，中點支持2.6 GHz＋700 MHz 并發(fā)，遠點采用700 MHz 提升上行體驗，進一步提升上行容量（近點20%～60%，遠點200%～400%）。

2.2 傳輸網(wǎng)方案

為保障西灣露天礦5G 網(wǎng)絡(luò)可靠的運行，本次項目新增宏站6 個，采用D－RAN方式接入，前傳方案采用光纜／無源波分的形式。SPN 等傳輸設(shè)備位于露天礦山附近礦企機房內(nèi)，核心機房以2 路主備路由接入上聯(lián)，礦區(qū)光纜使用全介質(zhì)光纜，提升光纜傳輸安全性能。

2.3 核心網(wǎng)方案

依托運營商5G 核心網(wǎng)，既可保證業(yè)務(wù)的高度隔離性，又可滿足業(yè)務(wù)響應(yīng)的敏捷性。運用NFV 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)，采用控制面、用戶面分離的方式進行網(wǎng)絡(luò)部署。核心網(wǎng)控制面（AMF、SMF 等）集中部署在大區(qū)中心，大區(qū)內(nèi)部形成雙節(jié)點網(wǎng)絡(luò)布局；考慮到露天煤礦無人駕駛類、遠程控制類、視頻傳輸類、數(shù)據(jù)采集類等場景對5G 網(wǎng)絡(luò)的性能要求，我們將UPF 隨MEC 下沉至礦區(qū)機房，保證低時延、大帶寬和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不出礦區(qū)。并通過采用地域級、設(shè)備級等容災(zāi)方式，進一步提高網(wǎng)絡(luò)的安全性和高可靠性。

通過在機房部署2 套MEC（邊緣增強型一體化UPF），同局址部署設(shè)置，實現(xiàn)設(shè)備物理容災(zāi)，每套UPF 均“V”字型上聯(lián)至主大區(qū)SMF 和備大區(qū)SMF。兩套MEC 日常采用UPF 組POOL 的負載均衡架構(gòu)，啟動1＋1 熱備工作模式負荷分擔(dān)礦區(qū)業(yè)務(wù)，當1 套MEC 發(fā)生故障時，另1 套MEC 將自動接管全量業(yè)務(wù)，確保MEC 側(cè)安全。

3 方案實施

在西灣露天采區(qū)的基站將采用集裝箱基站，特點是建站靈活，占地面積小，只要放在平整的地面就可以了，不需要永久固定，輔以輪式平臺可快速整體搬遷基站，搬遷時塔收縮平放在機房頂部或者背部，本次采用的定制基站相比同類基站穩(wěn)定性佳，升降時間最短；基站的天線掛高可以根據(jù)覆蓋需求進行隨意升高或降低；基站光纜采用明敷方式，鎧裝光纜并套管保護，光纜跨路采用12 m 桿跨路（由于采煤區(qū)整體推進，采煤區(qū)的道路預(yù)計會發(fā)生變化，故需按照現(xiàn)場道路情況架設(shè)跨路桿），每個基站盤留500 m光纜，用于基站搬遷使用，路口采用木桿或龍門架，每個基站預(yù)留500 m 光纜便于調(diào)整。由于礦區(qū)垂直面落差較大，垂直深度約80 m，為提升垂直面覆蓋效果，本次采用64T64R 設(shè)備，礦坑底基站回傳采用微波方式。

4 場景測試

1）2.6 GHz 頻段測試。對已建設(shè)基站5G 現(xiàn)網(wǎng)2.6 GHz 頻段進行測試，在車載道路車速20 km/h 場景下進行測試，覆蓋、速率及時延，測試區(qū)域范圍分別選取100、200、300、400、500、1 000 m。2.6 GHz 頻段場景測試性能表見表1。由表1 可知，在2.6 GHz頻段下5G 網(wǎng)絡(luò)，500 m 范圍內(nèi)下載可達500 Mbps以上，上傳速率可達40 Mbps 以上，平均時延14 ms；采用小包32Bytes 測試，DT 路測時延平均14 ms，最大時延17 ms，最小9 ms。滿足露天礦數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳闲小⑾螺d速率要求和時延要求。

表1 2.6 GHz 頻段場景測試性能表

2）700 MHz 頻段測試。700 MHz 頻段道路覆蓋測試數(shù)據(jù)表見表2。從表2 中可以看出，峰值速率305.6 Mbps，瞬時可到350 Mbps 左右，平均速率281.5 Mbps。

表2 700 MHz 頻段道路覆蓋測試數(shù)據(jù)表

5 結(jié)語

5G 網(wǎng)絡(luò)是礦山構(gòu)建智能化生產(chǎn)平臺的重要支撐，提出了一種分區(qū)域多頻融合組網(wǎng)方案，并在西灣露天煤礦進行了應(yīng)用，實踐結(jié)果表明，多頻融合組網(wǎng)方案可大大減小露天礦盲區(qū)面積，對露天礦無人駕駛、遠程操控、連續(xù)采煤等智能化系統(tǒng)運行起到重要支撐作用，為露天智能化礦山5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供了參考思路。