李軍剛

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西省陽泉市 045000）

目前國內(nèi)外絕大部分煤礦井下通信系統(tǒng)采用Wi-Fi、3G、4G，普遍存在通信帶寬窄、延時高、速率低等缺點(diǎn)，僅能實(shí)現(xiàn)語音通訊和少量的視頻通訊，無法實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的大融合。隨著5G 通信技術(shù)的商用與普及，各類新技術(shù)、新應(yīng)用快速發(fā)展，已廣泛應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、航天衛(wèi)星、智能機(jī)器人[1-3]等領(lǐng)域。近年來，國家高度重視煤炭等重工業(yè)行業(yè)向信息化、智能化、自動化等方向轉(zhuǎn)型升級，不斷推進(jìn)將5G 技術(shù)應(yīng)用于智慧礦山建設(shè)、無人開采、智能作業(yè)。

5G 通信技術(shù)作為智慧礦山的重要支撐技術(shù)，成為學(xué)者廣泛研究的熱點(diǎn)方向。文獻(xiàn)[4]針對礦井災(zāi)后救援場景提出了一種5G 直連礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低延時、高效率的礦井應(yīng)急通信需求；文獻(xiàn)[5]以煤礦“5G+智慧礦山”為背景，從遠(yuǎn)程控制、實(shí)時檢測等6 個方面進(jìn)行詳盡分析，提出一套完整的礦用5G 多頻段融合組網(wǎng)建設(shè)方案；文獻(xiàn)[6]基于5G 通信技術(shù)，分別研究了井下固定式和移動式可視化監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井下視頻的實(shí)時監(jiān)控。文獻(xiàn)[7]詳細(xì)分析礦用5G 和基站天線位置對無線傳輸系統(tǒng)的影響，為提高礦井下無線傳輸距離、加強(qiáng)無線通信系統(tǒng)的安全性和可靠性和減少井下組網(wǎng)和基站的維護(hù)成本提供理論基礎(chǔ)。

雖然上述研究成果表明5G 技術(shù)在煤礦建設(shè)中前景可期，但由于5G 基站設(shè)備成本高昂，以及部分技術(shù)尚未成熟，礦用5G 目前處于初期探索階段[8-9]。礦用4G通信技術(shù)具有產(chǎn)品設(shè)備性價比高、技術(shù)成熟的優(yōu)勢，能基本滿足大部分煤礦通信需求，使建立4G 與5G 融合系統(tǒng)成為可行方案。其次，現(xiàn)有礦用無線通信系統(tǒng)內(nèi)部交錯繁雜，缺乏系統(tǒng)統(tǒng)一控制設(shè)備，導(dǎo)致系統(tǒng)安全性、可靠性較差，難以應(yīng)對錯綜復(fù)雜的井下環(huán)境[10]。綜上所述，本文以山西華陽集團(tuán)新景礦為例，在5G 井下應(yīng)用測試結(jié)果的基礎(chǔ)上提出井下4G 和5G混合組網(wǎng)的設(shè)計思路，設(shè)計礦用4G+5G 一網(wǎng)雙芯融合通信系統(tǒng)、礦用4G+5G 隔爆兼本安型基站控制器、礦用4G+5G 本安型信號轉(zhuǎn)換器，組成礦用5G+4G混合組網(wǎng)的無線通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦數(shù)據(jù)安全，井上井下設(shè)備統(tǒng)一控制以及低延時、高可靠的煤礦無線通信。

1 礦井概況與需求分析

華陽集團(tuán)新景礦井田面積54.321 平方公里，地質(zhì)儲量8.123 億噸，可采儲量4.821 億噸，均為優(yōu)質(zhì)無煙煤，礦井核定生產(chǎn)能力450 萬噸/年。新景礦目前主采3#、8#、9#、15#煤，屬于煤與瓦斯突出礦井，現(xiàn)有18 個部室（工區(qū)），39 個隊(duì)組，在崗員工5498 人。

新景礦井下現(xiàn)有礦用無線通信系統(tǒng)采用3G 技術(shù)，現(xiàn)有在用手機(jī)300 多部，但由于無線頻點(diǎn)采用電信和移動的測試頻點(diǎn)，現(xiàn)地面部分該頻點(diǎn)已被移動4G 占用，無法使用。井下頻點(diǎn)雖仍可使用，但井下基站損壞較多，且設(shè)備廠家對應(yīng)產(chǎn)品已停產(chǎn)，無配件可買，導(dǎo)致井下無線通信系統(tǒng)實(shí)際已處于癱瘓狀態(tài)，急需改進(jìn)。為貫徹落實(shí)《山西省“十三五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、《山西省“十三五”工業(yè)和信息化發(fā)展規(guī)劃》，華陽集團(tuán)新景礦進(jìn)行5G 井下試點(diǎn)應(yīng)用測試。通過實(shí)地的工業(yè)性測試，驗(yàn)證5G 技術(shù)適用于井下上傳數(shù)據(jù)量大且設(shè)備需移動的場景應(yīng)用，如綜采工作面和掘進(jìn)工作面等場景，同時發(fā)現(xiàn)5G 基站相比4G 基站有無線覆蓋距離短、成本高等缺點(diǎn)。因此，建立礦用5G+4G混合組網(wǎng)的無線通信系統(tǒng)迫在眉睫。

2 礦用5G+4G混合組網(wǎng)的無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

2.1 總體方案

礦用5G+4G混合組網(wǎng)的無線通信系統(tǒng)總體方案如圖1所示，該系統(tǒng)由一臺SA 本地核心網(wǎng)、匯聚交換機(jī)、移動PTN、地面用廣電轉(zhuǎn)換器、礦用隔爆兼本安型基站控制器、礦用隔爆兼本安型基站、礦用隔爆型電源、礦用本安型轉(zhuǎn)換器、礦用本安型終端及輔料等設(shè)備組成。

圖1：礦用5G+4G混合組網(wǎng)的無線通信系統(tǒng)總體框架

本地核心網(wǎng)采用獨(dú)立組網(wǎng)（SA）架構(gòu)，用于管理煤礦不出局?jǐn)?shù)據(jù)和設(shè)備，所有數(shù)據(jù)保留在煤礦內(nèi)部服務(wù)器；出局?jǐn)?shù)據(jù)通過移動PTN 接入運(yùn)營商核心網(wǎng)，運(yùn)營商核心網(wǎng)通過5G 切片技術(shù)接入井下基站，負(fù)責(zé)出局?jǐn)?shù)據(jù)管理，保障出局?jǐn)?shù)據(jù)安全。井下組網(wǎng)采用4G 基站和5G 基站的融合組網(wǎng)模式，兩種基站獨(dú)立部署，并實(shí)現(xiàn)全礦無線覆蓋。通過礦用隔爆兼本安型基站控制器與兩種基站配合組件井下無線網(wǎng)絡(luò)。井下礦用本安型終端和礦用本安型轉(zhuǎn)換器同時支持4G 和5G 信號，實(shí)現(xiàn)井下人員調(diào)度、設(shè)備互聯(lián)和數(shù)據(jù)上傳等功能。

2.2 礦用4G+5G一網(wǎng)雙芯融合通信系統(tǒng)

根據(jù)華陽集團(tuán)新景礦井的現(xiàn)場實(shí)際勘察結(jié)果，采用礦用4G+5G 一網(wǎng)雙芯融合通信系統(tǒng)，在解決現(xiàn)實(shí)需求的同時，結(jié)合了4G 技術(shù)低成本、高覆蓋和5G 技術(shù)低延時、大帶寬的優(yōu)勢，在新技術(shù)應(yīng)用和成本之間取得了較好的平衡。該系統(tǒng)采用統(tǒng)一的IP 系統(tǒng)架構(gòu)，支持多種已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的接口，具有高兼容性、大帶寬、安全可靠等特性。其中在井下輔助運(yùn)輸巷、皮帶巷等數(shù)據(jù)量上傳不大的應(yīng)用場景建設(shè)4G 基站，保障井下人員調(diào)度、巡檢、設(shè)備數(shù)據(jù)上傳的需求；在掘進(jìn)工作面、綜采工作面等對移動帶寬有較高要求的場景采用5G 基站覆蓋，滿足綜采工作面無線視頻監(jiān)控、采煤機(jī)、刮板機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和無線上傳和遠(yuǎn)程控制的需求，保障自動化綜采工作面設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時上傳和遠(yuǎn)程控制。經(jīng)實(shí)際測試，4G 單基站無線覆蓋直徑達(dá)1200 米，在同等環(huán)境下5G 基站覆蓋直徑為400 米。

由煤礦5G 通信系統(tǒng)安標(biāo)檢驗(yàn)方案（試行）的規(guī)定，礦用5G 通信系統(tǒng)網(wǎng)采用SA 組網(wǎng)方式，將本地5G 核心網(wǎng)與運(yùn)營商5G 核心網(wǎng)相結(jié)合，設(shè)計5G 一網(wǎng)雙芯組網(wǎng)方案。SA 組網(wǎng)方式是完全獨(dú)立的5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，支持5G 網(wǎng)絡(luò)的所有新功能和新特性，具有較高的靈活性和安全性。在礦上布置SA 組網(wǎng)的本地5G 核心網(wǎng)，管理井下基站控制器和基站，負(fù)責(zé)煤礦不出局?jǐn)?shù)據(jù)和設(shè)備管理；對外數(shù)據(jù)采用運(yùn)營商SA 核心網(wǎng)，利用5G 切片技術(shù)共享井下基站控制器和基站，負(fù)責(zé)出局?jǐn)?shù)據(jù)的專網(wǎng)切片管理，一張網(wǎng)兩套核心網(wǎng)分開管理，保障出局?jǐn)?shù)據(jù)的安全。在運(yùn)營商核心網(wǎng)掉線情況下不影響本地核心網(wǎng)的運(yùn)行，煤礦本地業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流只到企業(yè)5G 核心網(wǎng)，本地數(shù)據(jù)不出局，不上公網(wǎng)，保證了本地數(shù)據(jù)的安全。兩種核心網(wǎng)同時支持4G 基站和5G 基站。

5G 礦用隔爆兼本安型基站是井下5G 無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的主要設(shè)備，我們采用華為RRU5235E 型5G 基站，實(shí)現(xiàn)基站信號和射頻信號的調(diào)制解調(diào)、數(shù)據(jù)處理、合/分路等功能，完成5G 無線信號的覆蓋。由于華為RRU5235E5G 天線單通道輸出功率為15W，不符合安標(biāo)規(guī)定，為此我們在華為RRU5235E 型5G 基站的基礎(chǔ)上增加限幅隔離模塊如圖2(a)所示。限幅隔離模塊電路圖如圖2(b)所示主要實(shí)現(xiàn)兩個功能：

圖2

（1）從硬件上將華為RRU5235E 基站天線輸出的15W 功率通過硬衰減的方式衰減到1W；

（2）使無線信號只能輸出，不能輸入，達(dá)到隔離效果，并經(jīng)過1500V 耐壓測試，不能擊穿。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，我們的新型華為RRU5235E 符合安標(biāo)要求。

2.3 礦用4G+5G隔爆兼本安型基站控制器

為實(shí)現(xiàn)井上核心網(wǎng)和井下防爆基站的控制管理，設(shè)計礦用隔爆兼本安型基站控制器作為基站的控制和管理單元，如圖所示。礦用隔爆兼本安型基站控制器同時具備4G 和5G 基站的管理和組網(wǎng)功能，對上支持本地核心網(wǎng)和運(yùn)營商核心網(wǎng)的云端管理，對下配合兩種基站組建4G 和5G 無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)井下4G 和5G 無線網(wǎng)絡(luò)融合覆蓋。并支持在井下接入環(huán)網(wǎng)，為地面調(diào)度中心提示監(jiān)控數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人員、設(shè)備實(shí)時調(diào)控。

礦用隔爆兼本安型基站控制器主要功能有：

（1）提供基站與核心網(wǎng)連接的物理接口，處理相關(guān)傳輸協(xié)議；

（2）提供與基站通信的CPRI 接口，完成上下行基帶信號處理；

（3）集中管理整個基站系統(tǒng)，包括操作維護(hù)和信令處理；

（4）提供與LMT（LocalMaintenanceTerminal）的維護(hù)通道；

（5）提供時鐘接口、告警監(jiān)控接口、USB 接口等。

2.4 礦用4G+5G本安型信號轉(zhuǎn)換器

礦用本安型信號轉(zhuǎn)換器是為煤礦井下惡劣環(huán)境專門設(shè)計的數(shù)據(jù)接入本安型設(shè)備，是煤礦5G 無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)井下設(shè)備數(shù)據(jù)上傳的關(guān)鍵設(shè)備，是礦用工業(yè)級無線數(shù)據(jù)采集終端，也是實(shí)現(xiàn)井下各系統(tǒng)分布式接入融合的支撐設(shè)備。在實(shí)現(xiàn)井下設(shè)備數(shù)據(jù)無線接入、無線控制、自動化控制當(dāng)中起到設(shè)備與設(shè)備之間、人與設(shè)備之間的連接作用。經(jīng)市場調(diào)研和實(shí)驗(yàn)測試，我們采用華為5G 工業(yè)模組MH5000 作為礦用本安型轉(zhuǎn)換器的核心組件，礦用本安型信號轉(zhuǎn)換器如圖3所示。5G 工業(yè)模組MH5000 支持高速數(shù)據(jù)傳輸，支持5G 全網(wǎng)通、4G、Wi-Fi 等無線網(wǎng)絡(luò)接入方式，集成有實(shí)時以太網(wǎng)、CAN、485 等工業(yè)現(xiàn)場總線，兼容主流的工業(yè)協(xié)議。同時具有高速率、低時延和耐高溫的特性，而且具備面向網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)能力，保護(hù)設(shè)備投資，適用于煤礦井下各種復(fù)雜的應(yīng)用場景。

圖3：礦用本安型信號轉(zhuǎn)換器

礦用本安型信號轉(zhuǎn)換器主要功能有：

（1）具備有線和無線互轉(zhuǎn)功能；

（2）支持4G 和5G 無線信號入網(wǎng)功能；

（3）具有固定IP 地址、透明數(shù)據(jù)傳輸和路由功能，實(shí)現(xiàn)IP 設(shè)備的數(shù)據(jù)接入和回傳；

（4）具有Wi-Fi、RJ45/RS485 等接口；

（5）為用戶提供安全、可靠、方便、靈活的無線數(shù)據(jù)連接，具有高速無線傳輸，豐富的專業(yè)接口，滿足多種主流的數(shù)據(jù)接入需求。

3 結(jié)語

本文以華陽集團(tuán)新景礦為例，通過結(jié)合當(dāng)前技術(shù)背景，分析新景礦具體應(yīng)用需求，介紹了新景礦礦用5G+4G混合組網(wǎng)的無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。通過設(shè)計礦用4G+5G 一網(wǎng)雙芯融合通信系統(tǒng)，保證煤礦數(shù)據(jù)安全，充分發(fā)揮4G 和5G 各自優(yōu)勢；通過設(shè)計礦用4G+5G 隔爆兼本安型基站控制器，實(shí)現(xiàn)井上核心網(wǎng)和井下防爆基站的統(tǒng)一控制管理，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性；通過設(shè)計礦用4G+5G 本安型信號轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的有線和無線互轉(zhuǎn)功能，加強(qiáng)復(fù)雜惡劣環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸能力。該組網(wǎng)方式能夠滿足智能化、多樣化煤礦建設(shè)需求，有較好的應(yīng)用前景。