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        基于5G 直連通信的礦井應(yīng)急通信技術(shù)

        2023-03-27 02:38:48李晨鑫張立亞康守信
        煤礦安全 2023年2期
        關(guān)鍵詞:資源設(shè)備

        李晨鑫,張立亞,劉 斌,康守信

        (1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,北京 100013;2.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 羊場(chǎng)灣煤礦,寧夏 銀川 750411)

        應(yīng)急救援是煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。近年來(lái),隨著煤礦領(lǐng)域無(wú)人化、自動(dòng)化和智能化的發(fā)展,安全生產(chǎn)形式持續(xù)向好,但煤礦事故仍時(shí)有發(fā)生,當(dāng)事故發(fā)生后,原有通信系統(tǒng)損壞,救援隊(duì)員需要快速搭建應(yīng)急通信系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)井上、井下以及救援人員之間環(huán)境監(jiān)測(cè)、健康體征和調(diào)度信息的實(shí)時(shí)可靠傳輸,對(duì)降低人員傷亡、高效處置事故都發(fā)揮著重要作用[1-3]。

        礦井應(yīng)急通信技術(shù)方面已經(jīng)具有一定的研究基礎(chǔ),主要聚焦于Wi-Fi 基于開展無(wú)線Mesh 組網(wǎng)研究。文獻(xiàn)[4]對(duì)基于無(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)的廣播系統(tǒng)在煤礦應(yīng)急通信中應(yīng)用進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[5]提出了在礦井應(yīng)急救援通信中利用跳頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)抗干擾的方案,解決傳輸中的同頻干擾問(wèn)題;文獻(xiàn)[6]研究設(shè)計(jì)了井下無(wú)線MESH 通信系統(tǒng),可支持礦井應(yīng)急通信的組網(wǎng);文獻(xiàn)[7]研究設(shè)計(jì)了礦用KTK100 多功能互聯(lián)話機(jī),在煤礦應(yīng)急救援保障中可實(shí)現(xiàn)應(yīng)急廣播功能。

        然而,基于Wi-Fi 的Mesh 中繼和覆蓋方案由于工作在非授權(quán)頻段,存在信道連續(xù)占用時(shí)間的法規(guī)限制和LBT(Listen before talk)的固定存在難以實(shí)現(xiàn)極低時(shí)延的通信指標(biāo);同時(shí)由于多設(shè)備同一頻段中繼前傳與回傳,容易產(chǎn)生同頻干擾的情況,影響通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

        近些年隨著5G 技術(shù)面向垂直行業(yè)應(yīng)用的拓展研究,5G 直連通信技術(shù)(Sidelink)已經(jīng)被3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化,主要面向應(yīng)急救援相關(guān)的公共安全領(lǐng)域和車聯(lián)網(wǎng)V2X 領(lǐng)域[8-9]。5G 直連通信技術(shù)可以不依賴于基站、基于直通鏈路實(shí)現(xiàn)終端之間的低時(shí)延、高可靠的分布式通信,能夠支撐應(yīng)急救援環(huán)境下原通信網(wǎng)絡(luò)損壞、需要快速構(gòu)建應(yīng)急通信鏈路的需求,并且可以工作在Band47(5 855~5 925 MHz)專用頻段上、能夠規(guī)避Wi-Fi 等非授權(quán)頻段通信技術(shù)受限信道連續(xù)占用時(shí)間的法規(guī)限制和接入前監(jiān)聽等法規(guī)要求、造成低時(shí)延特性無(wú)法保障的問(wèn)題[10-11]。

        為此,針對(duì)礦井高質(zhì)量、低時(shí)延的應(yīng)急通信需求,設(shè)計(jì)了一種礦井應(yīng)急移動(dòng)通信系統(tǒng),以Sidelink直連鏈路通信技術(shù)為核心,提出一種無(wú)線資源免調(diào)度、免路由的極簡(jiǎn)架構(gòu)下的低時(shí)延高可靠的頻譜時(shí)隙資源分配方法,實(shí)現(xiàn)無(wú)同頻干擾、低時(shí)延礦井應(yīng)急移動(dòng)通信。

        1 基于5G 直連通信的礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)

        基于5G 直連通信的礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

        圖1 基于5G 直連通信的礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Mine emergency communication system based on 5G Sidelink communication architecture diagram

        基于5G 直連通信的礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)主要由井上管控平臺(tái)、傳輸網(wǎng)、中繼器以及礦用應(yīng)急救援終端組成。井上管控平臺(tái)位于煤礦井上,指揮人員可以通過(guò)該平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)急線路的調(diào)控、環(huán)境參數(shù)的調(diào)控、音視頻的監(jiān)控和調(diào)度等;傳輸光纖環(huán)網(wǎng),在井上管理平臺(tái)與中繼器之間建立有線連接,用于傳輸通信數(shù)據(jù)與鏈路調(diào)控?cái)?shù)據(jù);Sidelink 中繼器,通過(guò)5G直連通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳輸鏈路的搭建,并通過(guò)末端的中繼器實(shí)現(xiàn)救援現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線覆蓋;礦用應(yīng)急救援終端包括礦用手機(jī)、智能穿戴、生命傳感器等設(shè)備,由救援人員佩戴,用于采集和生成救援人員語(yǔ)音視頻、人員定位、生命體征參數(shù)監(jiān)測(cè)等通信數(shù)據(jù),并將通信數(shù)據(jù)發(fā)送至Sidelink 中繼器。通過(guò)上述通信系統(tǒng),井上指揮部與井下救援人員建立信息通道,井下救援人員所處的環(huán)境和身體特征狀況、救援現(xiàn)場(chǎng)情況能夠及時(shí)上傳到井上指揮部,井上指揮人員根據(jù)井下上傳的信息,科學(xué)精準(zhǔn)的做出判斷指導(dǎo)井下救援工作。

        2 中繼器5G 直連通信組網(wǎng)機(jī)制

        為實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、無(wú)同頻干擾的高質(zhì)量礦井應(yīng)急通信,中繼器采用ITS(Intelligent Transport Systems,智能運(yùn)輸系統(tǒng))專用頻段5 855~5 925 MHz(band47)以及采用5G 直連通信的技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線鏈路的建立和傳輸。5G 直連通信的示意圖如圖2,圖中N 為可復(fù)用相同傳輸資源的間隔設(shè)備數(shù)。

        圖2 5G 直連通信的示意圖Fig.2 Schematic diagram of 5G direct connection communication

        具體實(shí)現(xiàn)方法如下:①中繼器部署時(shí)按照設(shè)備編號(hào)順序排布,或部署時(shí)順次自動(dòng)生成編號(hào)設(shè)備ID(Identity Document,身份標(biāo)識(shí)號(hào)碼),如圖2 中的1#中繼器、2#中繼器等等;②以通信數(shù)據(jù)的傳輸資源的時(shí)域資源粒度為調(diào)度單位,將通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l域資源劃分為2 個(gè)傳輸資源集合,分別為傳輸資源集合subset1、傳輸資源集合subset2,時(shí)域資源粒度是指在時(shí)域上傳輸通信數(shù)據(jù)所需的傳輸資源的調(diào)度單位即時(shí)隙;③基于所述中繼器的編號(hào),結(jié)合預(yù)設(shè)規(guī)則,確定傳輸所述通信數(shù)據(jù)的時(shí)隙信息和傳輸資源集合。

        中繼器預(yù)設(shè)規(guī)則設(shè)計(jì)如下:

        1)確定中繼器前/后傳傳輸資源集合。設(shè)計(jì)中繼器回傳使用傳輸資源集合subset1、前傳使用傳輸資源集合subset2。

        2)中繼器接收通信數(shù)據(jù)。根據(jù)式(1)可以確定不同編號(hào)中繼器對(duì)應(yīng)的接收通信的時(shí)隙編號(hào)信息。

        式中:mod(x,y)為求余函數(shù),“Time resourcenumber”為傳輸資源的時(shí)隙信息;N 為可復(fù)用相同傳輸資源的間隔設(shè)備數(shù),N>2,且N 為正整數(shù);SID 為待進(jìn)行通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^器所對(duì)應(yīng)的編號(hào)。

        3)中繼器發(fā)送前傳通信數(shù)據(jù)。根據(jù)式(2)可以確定不同編號(hào)中繼器對(duì)應(yīng)的前傳通信的時(shí)隙編號(hào),結(jié)合前傳通信是傳輸資源集合subset2,可以確定中繼器發(fā)送前傳的通信時(shí)隙信息。

        4)中繼器發(fā)送回傳通信數(shù)據(jù)。根據(jù)式(3)可以確定不同編號(hào)中繼器對(duì)應(yīng)的回傳通信的時(shí)隙編號(hào),結(jié)合回傳通信是傳輸資源集合subset1,可以確定中繼器發(fā)送回傳的通信時(shí)隙信息。

        以N=3 為例,可復(fù)用相同傳輸資源的中繼器設(shè)備數(shù)為3 個(gè),分別編號(hào)為1#中繼器、2#中繼器、3#中繼器。

        根據(jù)式(1)可以得知,1#中繼器接收的通信數(shù)據(jù)是時(shí)隙編號(hào)為1,4,…,3m+1(m 為自然數(shù))的傳輸資源集合subset1 和傳輸資源集合subset2;根據(jù)式(2)可以得知,1#中繼器發(fā)送前傳的通信數(shù)據(jù)是時(shí)隙編號(hào)為2,5,…,3m+2(m 為自然數(shù))的subset2;根據(jù)式(3)可以得知,1#中繼器發(fā)送回傳的通信數(shù)據(jù)是時(shí)隙編號(hào)為3,6,…,3m+3(m 為自然數(shù))的subset1。

        同理可以得知:2#中繼器、3#中繼器的接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)隙信息。N=3 時(shí)中繼器的時(shí)隙信息表1。

        表1 N=3 時(shí)中繼器的時(shí)隙信息Table 1 Time slot information of repeater at N=3

        中繼器5G 直連通信由于是使用預(yù)設(shè)規(guī)則,能夠準(zhǔn)確確定正在傳輸通信數(shù)據(jù)的中繼器所對(duì)應(yīng)的傳輸資源,可以有效提升傳輸資源調(diào)度的效率,進(jìn)一步提升應(yīng)急通信質(zhì)量。此外,如果系統(tǒng)期望具有節(jié)電性能,可通過(guò)配置使中繼器具有空閑狀態(tài)時(shí)隙,即:在所述傳輸鏈路中,可復(fù)用相同傳輸資源的間隔設(shè)備數(shù)的數(shù)量大于3 時(shí),所述中繼器在傳輸所述通信數(shù)據(jù)的時(shí)隙具有空閑狀態(tài),所述空閑狀態(tài)的時(shí)隙數(shù)量為:

        式中:Sleep: Numberslot為所述中繼器在傳輸所述通信數(shù)據(jù)時(shí)處于空閑狀態(tài)的時(shí)隙的數(shù)量。

        3 系統(tǒng)性能分析

        設(shè)計(jì)的基于5G 直連通信的礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)根據(jù)3GPP 協(xié)議在FR1(Frequency Range 1,6 G 以下)頻帶范圍定義,SCS(Sub-Carrier Space,子載波間隔)有15、30、60 kHz[12]。以SCS 取30 kHz 和60 kHz 為例,分析系統(tǒng)性能。

        5G 新空口SCS 可以取2μ×15 kHz, 其中μ 可以取0、1、2、3、4、5;在時(shí)域上1 個(gè)無(wú)線幀=10 ms=10個(gè)子幀,1 個(gè)子幀對(duì)應(yīng)的包括2μ 個(gè)時(shí)隙,即每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度為1/(2μ)ms,當(dāng)SCS 為30 kHz 和60 kHz時(shí),對(duì)應(yīng)的空口時(shí)隙長(zhǎng)度為0.5 ms 和0.25 ms[13]。根據(jù)中繼器直連預(yù)設(shè)的規(guī)則,每個(gè)Sidelink 中繼器接收或者發(fā)送某個(gè)通信數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)的時(shí)域資源循環(huán)的時(shí)隙數(shù)為N,因此業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)等待的時(shí)隙數(shù)量最大為N+1 個(gè)時(shí)隙。

        因此,在SCS 為30 kHz 時(shí)中繼器空口時(shí)延最大是0.5×(N+1)ms,最小為0.5×1 ms,均值為0.5×(1+N+1)/2 ms,因此,20 跳最大10×(N+1)ms,按均值計(jì)算應(yīng)為5×(N+2)ms。

        在SCS 為60 kHz 下,空口時(shí)延最大是0.25×(N+1)ms,最小為0.25×1 ms、均值0.25×(1+N+1)/2 ms,20 跳最大5×(N+1)ms,按均值計(jì)算應(yīng)為2.5×(N+2)ms。

        選取2 個(gè)典型案例即相同傳輸資源的間隔設(shè)備數(shù)N 取3 和4,分析計(jì)算了2 種配置情況下系統(tǒng)時(shí)延性能,N=3 時(shí)通信系統(tǒng)指標(biāo)見表2,N=4 時(shí)通信系統(tǒng)指標(biāo)見表3。

        表2 N=3 時(shí)通信系統(tǒng)指標(biāo)Table 2 Communication system metric at N=3

        表3 N=4 時(shí)通信系統(tǒng)指標(biāo)Table 3 Communication system metric at N=4

        由表2,在傳輸鏈路中的可復(fù)用相同傳輸資源的間隔設(shè)備數(shù)的數(shù)量為3 時(shí),30 kHz SCS 配置、中繼設(shè)備20 跳的情況下、平均空口時(shí)延25 ms,60 kHz SCS 配置、中繼設(shè)備20 跳的情況下、平均空口時(shí)延低至12.5 ms。

        由表3,當(dāng)N=4 時(shí),中繼器設(shè)備的功耗可降低25%。雖然配置空閑時(shí)隙會(huì)額外增加設(shè)備傳輸?shù)却龝r(shí)間、造成時(shí)延一定程度增大,但30 kHz SCS 配置、中繼設(shè)備20 跳的情況下、平均空口時(shí)延仍可低至30 ms,60 kHz SCS 配置、中繼設(shè)備20 跳的情況下、平均空口時(shí)延仍可低至15 ms,低時(shí)延性能仍可獲得保證。

        當(dāng)可復(fù)用相同傳輸資源的間隔設(shè)備數(shù)的數(shù)量N為4 時(shí),還可配置得到空閑的時(shí)隙、實(shí)現(xiàn)設(shè)備功耗降低,當(dāng)N 為4 時(shí)、每一臺(tái)中繼器在4 個(gè)時(shí)隙資源中有1 個(gè)時(shí)隙可處于空閑狀態(tài),無(wú)需中繼器一直處于收發(fā)狀態(tài),從而有效降低設(shè)備功耗。根據(jù)上述的預(yù)設(shè)規(guī)則分析,間隔設(shè)備數(shù)量為N(N>3)時(shí)降低功耗為((N-3)/N)×100%。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        1)分析了現(xiàn)有礦井應(yīng)急通信常用的基于Wi-Fi技術(shù)作為無(wú)線覆蓋與中繼的技術(shù)存在的非授權(quán)頻段連續(xù)占用時(shí)間以及接入前監(jiān)聽LBT 等無(wú)線電法規(guī)限制,造成固有難以實(shí)現(xiàn)低時(shí)延性能的問(wèn)題,指出同時(shí)多個(gè)中繼設(shè)備利用同一頻段存在同頻干擾的情況。

        2)提出了基于5G 直連通信的礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)架構(gòu),包括井上管控平臺(tái)、傳輸網(wǎng)、中繼器以及礦用應(yīng)急救援終端。提出一種基于5G 直連通信的礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)架構(gòu),設(shè)計(jì)了設(shè)備標(biāo)識(shí)與直連通信鏈路時(shí)頻資源位置的映射方法,設(shè)備通過(guò)預(yù)配置的前傳鏈路和回傳鏈路傳輸資源位置、無(wú)需建立路由連接即可實(shí)現(xiàn)與相鄰前端設(shè)備和后端設(shè)備通信鏈路,利用時(shí)域資源循環(huán)復(fù)用的方式實(shí)現(xiàn)鄰近中繼設(shè)備之間的資源空分復(fù)用和同頻干擾規(guī)避,實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高可靠、免調(diào)度、極簡(jiǎn)路由的礦井應(yīng)急通信中繼路由機(jī)制。

        3)按照5G 典型的子載波間隔SCS 配置和常規(guī)應(yīng)急通信中繼設(shè)備20 跳組網(wǎng)需求,分析了設(shè)計(jì)的5G 直連通信中繼組網(wǎng)機(jī)制下的系統(tǒng)性能,傳輸資源間隔數(shù)量為3、中繼設(shè)備20 跳、載波間隔30 kHz 的情況下,可以實(shí)現(xiàn)空口時(shí)延25 ms;在傳輸資源間隔數(shù)量為4 時(shí),中繼設(shè)備功耗降低25%,在20 跳,載波間隔30 kHz 的情況下,可以實(shí)現(xiàn)空口時(shí)延30 ms;采用更高的子載波間隔空口時(shí)延會(huì)進(jìn)一步降低。

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