5G-700 MHz技術(shù)在三元礦井下應(yīng)用

尹東升

（晉能控股裝備制造集團(tuán)）

目前煤礦井下智能化通信網(wǎng)絡(luò)存在環(huán)境復(fù)雜、性能挑戰(zhàn)大、多網(wǎng)并存、運(yùn)維困難等問(wèn)題，在一定程度上制約了礦山全面智能化發(fā)展，亟待利用5G 技術(shù)賦能智能化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)安全、高效、少人、無(wú)人生產(chǎn)。三元礦創(chuàng)新性地提出井下使用5G-700 MHz 技術(shù)，在700 MHz 頻段采用5G-SUL 大上行帶寬方案，即擴(kuò)展原700 MHz 上行帶寬30 MHz 為100 MHz（703～803 MHz），并將700 MHz 頻段原FDD NR 制式改為SUL（輔助上行）工作方式。同時(shí)，在同一5G BOOK RRU模塊中，采用900 MHz 頻段FDD NR 來(lái)完成5G 系統(tǒng)消息廣播和5G上行調(diào)度指令的發(fā)送［1］。基于上述特性，煤礦井下5G-700 MHz 專(zhuān)網(wǎng)具有帶寬大、覆蓋遠(yuǎn)、時(shí)延短、可靠性高、支持海量物聯(lián)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了前端數(shù)據(jù)采集到傳輸網(wǎng)絡(luò)再到順槽控制中心及地面調(diào)度控制中心的全過(guò)程傳輸和遠(yuǎn)程操控，實(shí)現(xiàn)了采煤工作面遠(yuǎn)程操控、綜采工作面視頻拼接、掘進(jìn)設(shè)備遠(yuǎn)程操控、5G+AR巡檢與遠(yuǎn)程診斷。

1 5G-700 MHz關(guān)鍵技術(shù)

2020 年4 月，中國(guó)工信部發(fā)布《關(guān)于調(diào)整700 MHz 頻段頻率使用規(guī)劃的通知》，將702～798 MHz 頻段頻率使用規(guī)劃調(diào)整用于移動(dòng)通信系統(tǒng)，并將703～743、758～798MHz（2×40 MHz）頻段規(guī)劃用于頻分雙工（FDD）工作方式的移動(dòng)通信系統(tǒng)［2］。根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)，N28 全頻段范圍為703～748、758～803 MHz（2×45 MHz），因此我國(guó)用于FDD 移動(dòng)通信的700 MHz 頻段屬于N28 頻段。根據(jù)3GPP R16 定義，在基站側(cè)，R16標(biāo)準(zhǔn)新增支持30、40 MHz 帶寬，即N28 5G 載波帶寬最大為2×40 MHz；在終端側(cè)，R16 標(biāo)準(zhǔn)新增支持30 MHz 帶寬，即手機(jī)能力最大為2×30 MHz，其中，N28全頻段根據(jù)頻段使用范圍不同分為N28A 和N28B 2個(gè)子頻段，N28A 頻段范圍為718～748 MHz 或773～803 MHz，N28B頻段范圍為703～733、758～788 MHz［3］。

2 煤礦網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中面臨的問(wèn)題

煤安認(rèn)證中要求，煤礦井下所有無(wú)線設(shè)備的閾值發(fā)射功率不得超過(guò)6 W［4］，使得已規(guī)模商用的中頻頻段（2.6、3.5GHz）的5G 基站在井下的覆蓋距離相對(duì)較短，導(dǎo)致全礦井部署5G網(wǎng)絡(luò)所需的基站數(shù)目較多，成本較大。

5G 中頻頻段無(wú)法打穿煤礦綜采面（典型長(zhǎng)度300 m），當(dāng)前必須在綜采面中部區(qū)域再額外部署多個(gè)5G 基站，才能滿足煤礦綜采面的覆蓋訴求，但是，綜采面中部區(qū)域由于較難部署5G 回傳所需的光纖，使得煤礦井下部署5G網(wǎng)絡(luò)的難度增加。

5G 低頻頻段（700 MHz 頻段）覆蓋距離相對(duì)較遠(yuǎn)，是5G 網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)家和煤礦業(yè)界專(zhuān)家公認(rèn)的煤礦井下最佳頻段。煤礦井下存在上行大帶寬回傳需求的業(yè)務(wù)（比如，綜采面視頻回傳業(yè)務(wù)等），但是當(dāng)前700 MHz 頻段只有30 MHz 帶寬可以用于上行，難以滿足井下上行大帶寬業(yè)務(wù)的回傳訴求。

3 5G-700 MHz在三元礦的方案實(shí)施

三元煤業(yè)是山西省晉能控股集團(tuán)下屬公司，核定生產(chǎn)能力260 萬(wàn)t/a。三元煤業(yè)礦井井田面積19.8 km2，批準(zhǔn)開(kāi)采3#～15#煤層，保有儲(chǔ)量3.03 億t。煤層賦存條件良好，煤層傾角0°～10°，現(xiàn)開(kāi)采3#煤層，礦井地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，水文地質(zhì)類(lèi)型為中等。2012 年礦井瓦斯等級(jí)鑒定為高瓦斯礦井。三元煤業(yè)礦井為立井開(kāi)拓，建有5 個(gè)立井井筒和3 條主要大巷?，F(xiàn)有1 個(gè)綜采工作面、1 個(gè)備用工作面和2 個(gè)掘進(jìn)工作面。綜采工作面采用綜合機(jī)械化低位放頂煤工藝。

以“5G 覆蓋”為基本思路，建設(shè)5G 基站，井下所有5G設(shè)備均需進(jìn)行隔爆改造，實(shí)現(xiàn)井下綜采工作面、掘進(jìn)工作面、主運(yùn)大巷（南翼皮帶大巷）、輔運(yùn)大巷、硐室、井底車(chē)場(chǎng)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，滿足井下礦用隔爆型CPE 設(shè)備、智能化監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)、無(wú)人值守、智能巡檢機(jī)器人和高清攝像儀等設(shè)備的5G 系統(tǒng)接入，實(shí)現(xiàn)井下語(yǔ)音通信、訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)、綜采面智能掘進(jìn)、數(shù)據(jù)不出園區(qū)、大帶寬、低時(shí)延、廣連接的功能［5］。三元礦5G-700 MHz 系統(tǒng)專(zhuān)網(wǎng)專(zhuān)建、專(zhuān)網(wǎng)專(zhuān)用，所有業(yè)務(wù)面應(yīng)用及控制面信息直接在礦區(qū)內(nèi)閉環(huán)，保障數(shù)據(jù)不出礦區(qū)，通過(guò)安全網(wǎng)關(guān)與公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)互通。采用本質(zhì)安全型5G融合基站、本質(zhì)安全型5G數(shù)傳終端、本質(zhì)安全型5G 手機(jī)，滿足在井下任何地點(diǎn)、任何時(shí)間的使用需求。支持全礦井5G、4G、有線通信調(diào)度融合，支持UWB人員精確定位、礦用應(yīng)急廣播。具體建設(shè)內(nèi)容分為以下兩部分：

（1）井上部分。建設(shè)從三元礦地面機(jī)房到最近2個(gè)移動(dòng)匯聚機(jī)房的傳輸鏈路，實(shí)現(xiàn)主備鏈路保護(hù)。礦區(qū)已建成有線光纖SPN 骨干環(huán)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)50GE 環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)，具備切片功能，滿足5G傳輸帶寬需求。部署融合創(chuàng)新平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不出礦區(qū)。一方面實(shí)現(xiàn)礦區(qū)數(shù)據(jù)本地終結(jié)，降低傳輸時(shí)延，滿足礦區(qū)工業(yè)控制等低時(shí)延業(yè)務(wù)訴求，同時(shí)保障礦區(qū)數(shù)據(jù)高安全性；另一方面與省側(cè)融合創(chuàng)新平臺(tái)聯(lián)通，滿足井下語(yǔ)音外呼、白名單控制、上網(wǎng)行為管理等需求。

（2）井下部分。建設(shè)31 個(gè)5G 基站，滿足井下人員語(yǔ)音通信、各類(lèi)傳感器信息采集、井下視頻監(jiān)控、井下遠(yuǎn)程控制等場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)需求，實(shí)現(xiàn)智能綜采、掘進(jìn)以及智能化礦井建設(shè)相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景的數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制。

三元礦井下5G-700 MHz 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)總部署覆蓋距離約13 km，覆蓋區(qū)域?yàn)榫C采工作面（包括4306 回采面、4306 運(yùn)輸順槽、4306 回風(fēng)順槽）、掘進(jìn)工作面（4326 回風(fēng)順槽掘進(jìn)面）、主運(yùn)大巷（南翼皮帶大巷）、輔運(yùn)大巷（包括南翼軌道大巷、四采區(qū)膠輪車(chē)大巷）、硐室（包括中央變電所、四采區(qū)變電所）、井底車(chē)場(chǎng)（包括副井底北平巷、井底車(chē)場(chǎng)），建設(shè)31 個(gè)5G 基站，使用6 臺(tái)BBU，31 臺(tái)BOOKRRU。在三元煤礦的重點(diǎn)區(qū)域（4 盤(pán)區(qū)、輔運(yùn)大巷、中央變電所），將會(huì)有5G-700 MHz 網(wǎng)絡(luò)覆蓋，能支持多種不同的5G 煤礦應(yīng)用業(yè)務(wù)，如采煤機(jī)5G遠(yuǎn)控、掘進(jìn)機(jī)5G遠(yuǎn)控、機(jī)電硐室機(jī)器人5G 自動(dòng)巡檢、5G 融合調(diào)度等，三元礦井下5G-700 MHz網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)模如圖1所示。

煤礦井下5G-700 MHz 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)重構(gòu)地下頻譜使用模式，同時(shí)達(dá)成煤礦井下綜采面所需的既要覆蓋遠(yuǎn)、又要傳輸速率高的需求。利用700 MHz頻段上行100 MHz頻譜使能上行大帶寬業(yè)務(wù)，在綜采面可提供約1 Gbps 傳輸速率（在綜采面兩端各部署一個(gè)5G-700 MHz 基站兩邊對(duì)打），為井下多路高清視頻回傳等大上行業(yè)務(wù)場(chǎng)景提供了支撐?；? 萬(wàn)M工業(yè)環(huán)網(wǎng)，既能用作5G傳輸承載，也可以支持其他業(yè)務(wù)承載（如：視頻監(jiān)控、有線電話等），多種業(yè)務(wù)承載通過(guò)采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)保證各類(lèi)業(yè)務(wù)的性能，可滿足未來(lái)5～10 a 煤礦智能化發(fā)展的帶寬訴求。采用礦區(qū)創(chuàng)新平臺(tái)（即5G核心網(wǎng)）可實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)在礦內(nèi)閉環(huán)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)不出礦區(qū)。

煤礦井下5G-700 MHz 網(wǎng)絡(luò)具有適用場(chǎng)景廣泛、網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)異的特點(diǎn)，在巷道場(chǎng)景下5G 信號(hào)覆蓋距離相對(duì)2.6、3.5 GHz 頻段提升約50%；在綜采面場(chǎng)景下，通過(guò)機(jī)頭、機(jī)尾各布置1個(gè)基站，便可使得綜采面5G 信號(hào)全覆蓋，無(wú)需在綜采面中部額外布置基站。有助于幫助煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)綜采工作面、掘進(jìn)面少人、無(wú)人目標(biāo)，進(jìn)一步保障煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)目標(biāo)。2.6、3.5 GHz頻段的5G網(wǎng)絡(luò)在煤礦井下已有應(yīng)用，但是煤礦井下5G-700 MHz 方案在三元煤礦屬于全球首創(chuàng)商用局點(diǎn)。

4 5G-700 MHz在三元礦的應(yīng)用成果

4.1 采煤工作面遠(yuǎn)程操控

目前采煤機(jī)遠(yuǎn)程操控多采用現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)或區(qū)域無(wú)線模式，在工作面進(jìn)行有線敷設(shè)比較困難且維護(hù)工作量大，難以滿足地面遠(yuǎn)程操控對(duì)時(shí)延及傳輸可靠性的要求。為了更好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，從前端數(shù)據(jù)采集到傳輸網(wǎng)絡(luò)再到順槽控制中心及地面調(diào)度控制中心，可采用全5G 傳輸技術(shù)，即“5G+環(huán)網(wǎng)”，利用其大帶寬、低時(shí)延、高可靠、硬隔離的特性，將“UPF+MEC”直接下沉到工作面，從而搭建起穩(wěn)定可靠的端到端綜采工作方式。

當(dāng)前，綜采工作面采煤機(jī)遠(yuǎn)程操控的數(shù)據(jù)傳輸主要通過(guò)礦用無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器（5G CPE）來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)在綜采面機(jī)頭和機(jī)尾各布置1個(gè)5G-700 MHz基站就能使5G 信號(hào)打穿整個(gè)工作面，將采煤機(jī)現(xiàn)有回傳系統(tǒng)改造為5G-700 MHz 回傳系統(tǒng)，同時(shí)新增1 套控制信號(hào)雙發(fā)選收系統(tǒng)（遠(yuǎn)控信號(hào)同時(shí)發(fā)送2 份，接收端擇優(yōu)選取），從而進(jìn)一步提升遠(yuǎn)程控制的可靠性。改造方式如圖2所示。

4.2 5G-700 MHz綜采面全景視頻拼接

井下實(shí)時(shí)視頻是遠(yuǎn)程操控的前提，為解決精確遠(yuǎn)控的視頻瓶頸問(wèn)題，需建設(shè)1套綜采面全景視頻拼接系統(tǒng)。系統(tǒng)提供1 幅長(zhǎng)的“畫(huà)卷”實(shí)現(xiàn)綜采面全景可視，同時(shí)疊加煤機(jī)前后滾筒工作區(qū)的特定視角，整體提供“身臨其境”的煤機(jī)駕駛感受，精準(zhǔn)指導(dǎo)遠(yuǎn)程操控作業(yè)。

全景視頻拼接系統(tǒng)將液壓支架處的多路攝像機(jī)進(jìn)行拼接融合，打破視頻離散孤島的現(xiàn)狀，給井上遠(yuǎn)控人員提供1 個(gè)大場(chǎng)景的視頻畫(huà)面，使割煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、液壓支架的運(yùn)行態(tài)勢(shì)盡收眼底。在大場(chǎng)景監(jiān)控基礎(chǔ)上，獲取重點(diǎn)視角的視頻，捕捉上滾筒碰撞護(hù)幫板、下滾筒探底不到位等細(xì)節(jié)。通過(guò)與現(xiàn)網(wǎng)集控系統(tǒng)對(duì)接，獲取煤機(jī)速度、姿態(tài)、液壓支架行程等信息，實(shí)現(xiàn)儀表盤(pán)展示。

三元礦綜采面全景視頻拼接通過(guò)在井下部署5G-700 MHz 骨干網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，用來(lái)承載井下綜采面和液壓支架處部署的5G 攝像機(jī)的視頻上傳。井上機(jī)房，部署視頻拼接服務(wù)器、綜合視頻管理服務(wù)器、拼接算法軟件，承載視頻的接入、拼接、存儲(chǔ)等功能。井上調(diào)度中心，通過(guò)綜合視頻管理軟件，在IOC 調(diào)度大屏、遠(yuǎn)程控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)全景拼接視頻、多視角視頻的展示。

4.3 掘進(jìn)設(shè)備遠(yuǎn)程操控

掘進(jìn)工作面生產(chǎn)設(shè)備移動(dòng)頻繁、電纜（光纜）布設(shè)困難且易受損傷，致使掘進(jìn)機(jī)至順槽監(jiān)控中心有線通信信道無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定通信。在掘進(jìn)工作面部署礦用5G 網(wǎng)元設(shè)備，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)巷道和掘進(jìn)迎頭等生產(chǎn)工作區(qū)域5G 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定覆蓋，在掘進(jìn)機(jī)電控箱內(nèi)或機(jī)身安裝5G CPE，利用5G 網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)（綜掘機(jī)、連采機(jī)、掘錨一體機(jī)）運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、機(jī)載傳感器數(shù)據(jù)、機(jī)載工業(yè)視頻數(shù)據(jù)等信息可靠傳輸至掘進(jìn)工作面監(jiān)控中心及地面調(diào)度信息中心，改造方式如圖3所示。

通過(guò)礦用5G 系統(tǒng)與礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)的融合對(duì)接，實(shí)現(xiàn)工業(yè)監(jiān)控主機(jī)基于5G的掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程集控。工作人員可以使用5G手持智能終端，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)工作面工業(yè)控制主機(jī)、工控網(wǎng)終端設(shè)備、5G入網(wǎng)設(shè)備等進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和信息查詢等多種操作。

4.4 5G+AR巡檢與遠(yuǎn)程診斷

煤礦井下場(chǎng)地狹窄、環(huán)境較差，井下設(shè)備的巡檢、維修工作量大。針對(duì)煤礦井下故障維護(hù)效率低下、巡檢流程標(biāo)準(zhǔn)化難度高等問(wèn)題，行業(yè)開(kāi)發(fā)了5G+AR 巡檢與遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，具備實(shí)時(shí)巡檢、實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)定位、實(shí)時(shí)互聯(lián)、遠(yuǎn)程診斷、近感探測(cè)、語(yǔ)音視頻通話、人機(jī)交互等功能，并可實(shí)現(xiàn)人崗匹配的生物特征識(shí)別，對(duì)邊緣死角單崗作業(yè)人員進(jìn)行定位監(jiān)控與預(yù)報(bào)警聯(lián)動(dòng)等功能。

5 結(jié)語(yǔ)

三元礦以5G-700 MHz 技術(shù)為基礎(chǔ)支撐，對(duì)采掘、供電、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水、洗選、安全保障、經(jīng)營(yíng)管理等各項(xiàng)環(huán)節(jié)進(jìn)行智能互聯(lián)，達(dá)到設(shè)備遠(yuǎn)程操控、數(shù)據(jù)智能分析、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)預(yù)警、科學(xué)合理調(diào)度等目的。架構(gòu)起1張全面感知網(wǎng)絡(luò)，1條高速數(shù)據(jù)傳輸通道，形成1個(gè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用中心，面向不同業(yè)務(wù)部門(mén)實(shí)現(xiàn)按需服務(wù)，實(shí)現(xiàn)礦井?dāng)?shù)據(jù)的綜合分析、智能決策。