4G+5G 融合調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)在煤礦井下的應(yīng)用研究

王 航

（山西焦煤西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司， 山西 太原 030053）

0 引言

井下調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)作為整體生產(chǎn)中最重要的通信方式，對(duì)提高生產(chǎn)安全性有著積極的意義[1]。但就當(dāng)前我國(guó)煤礦產(chǎn)業(yè)情況而言，很多煤礦在井下網(wǎng)絡(luò)信息傳輸方面都存在著數(shù)據(jù)傳輸量小、傳輸速率低、覆蓋面不全等問(wèn)題，而5G 技術(shù)的出現(xiàn)給煤礦企業(yè)解決此些問(wèn)題提出了新的路徑。其中4G+5G 融合調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)的建立不僅能夠提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，對(duì)智慧礦山的發(fā)展也有著積極的推動(dòng)作用，同時(shí)這也是煤礦產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的必然方向[2]。

1 4G+5G 融合調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)

某煤礦井下巷道總體長(zhǎng)度已經(jīng)超出20 km，隨著生產(chǎn)工作的持續(xù)推進(jìn),井下通信網(wǎng)絡(luò)方面的問(wèn)題也逐漸顯露，其中主要表現(xiàn)為如下方面：通信信號(hào)覆蓋范圍不全；信息傳輸速率低下；傳輸量小。

對(duì)此，本次通過(guò)建立4G+5G 融合調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)以期解決上述問(wèn)題。在4G+5G 融合調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)建立當(dāng)中，需要實(shí)現(xiàn)如下方面內(nèi)容：5G 無(wú)線信號(hào)需要全覆蓋井下工作面；4G 無(wú)線信號(hào)需要全覆蓋井下大巷；降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)性，為遠(yuǎn)程設(shè)備控制提供安全保障。

2 4G+5G 融合調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案

本次網(wǎng)絡(luò)通信方案設(shè)計(jì)主要是基于4G+5G 融合通信系統(tǒng)而完成的。在整體設(shè)計(jì)當(dāng)中，4G 通信系統(tǒng)主要設(shè)置在大巷位置處，主要作為關(guān)鍵業(yè)務(wù)通信方式；而5G 通信系統(tǒng)主要設(shè)置在井下工作面當(dāng)中，主要作為視頻監(jiān)控信息等大數(shù)據(jù)量的傳輸方式。在整個(gè)融合通信系統(tǒng)的建設(shè)過(guò)程中，主要包含有設(shè)備終端、網(wǎng)絡(luò)層以及管理平臺(tái)三部分。

在系統(tǒng)的建立過(guò)程中，需要融合多接入邊緣計(jì)算，通過(guò)在分組傳送網(wǎng)（PTN）與井上調(diào)度服務(wù)平臺(tái)之間布置相應(yīng)的多接入邊緣服務(wù)器，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)低延遲、高帶寬的目的。進(jìn)而調(diào)度服務(wù)平臺(tái)能夠快速、高效地處理監(jiān)控信息等邊緣計(jì)算任務(wù)。

3 井下基站的部署

根據(jù)對(duì)某煤礦的實(shí)際分析，在井下基站部署當(dāng)中主要是通過(guò)光纜來(lái)實(shí)現(xiàn)分組傳送網(wǎng)（PTN）與基帶處理單元（BBU）的連接，之后再利用光纜實(shí)現(xiàn)BBU 與射頻拉遠(yuǎn)模塊（RRU）的連接。在PTN 與BBU 的連接采用4 芯光纜，BBU 與RRU 的連接采用2 芯光纜。在本次基站部署過(guò)程中，所應(yīng)用的組網(wǎng)形式有星形連接、串形連接和環(huán)形連接三種，其中星形連接主要是在井下PTN 與BBU 連接的基礎(chǔ)上，增加多臺(tái)RRU 與BBU 相連接；串形連接是井下PTN 與BBU 經(jīng)過(guò)光纜連接，之后一臺(tái)RRU 通過(guò)光纜與BBU 相連接，并且該臺(tái)RRU 利用自身串口和光纜與下一臺(tái)RRU 相連接；環(huán)形連接指的是井下PTN 通過(guò)4 芯光纜與BBU實(shí)現(xiàn)連接，之后BBU 通過(guò)光纜與1 臺(tái)RRU 相連接，并且RRU 通過(guò)自身串口和光纜與另一臺(tái)RRU 相連接，以此類(lèi)推，最后一臺(tái)RRU 通過(guò)光纜與第一臺(tái)BBU相連接，進(jìn)而形成環(huán)網(wǎng)保護(hù)。

根據(jù)對(duì)某煤礦實(shí)際情況分析，具體基站布置情況如表1 所示。

表1 基站布置情況

4 應(yīng)用效果分析

4.1 測(cè)試設(shè)備及測(cè)試方式

4.1.1 測(cè)試設(shè)備

RRU 型號(hào)為5235E，功率為5 W；無(wú)線終端設(shè)備（CPE）；華為mate 40 pro。

4.1.2 測(cè)試方式

上/下行時(shí)隙配比分別設(shè)置為2∶8 和3∶1 兩種，天線增益設(shè)置為15 dbi。在綜采面測(cè)試過(guò)程中，RRU布置在入口處，天線安裝在RRU 上方，測(cè)試方式為正向測(cè)試；在大巷測(cè)試過(guò)程中，RRU 布置在監(jiān)控車(chē)當(dāng)中，天線安裝在監(jiān)控車(chē)頂部，測(cè)試方向?yàn)檎诚驕y(cè)試。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

4.2.1 掘進(jìn)機(jī)未阻擋情況下綜采區(qū)測(cè)試

測(cè)試所應(yīng)用終端設(shè)備為CPE，掘進(jìn)機(jī)具體位置處于測(cè)試區(qū)域190 m 外，并未阻擋天線。具體測(cè)試結(jié)果如圖1、圖2 所示。

圖1 上下行速率圖

圖2 上傳速率與信號(hào)接收功率（RSRP）線圖

由圖1、圖2 可知，在信號(hào)RSRP 達(dá)到-105 dBm時(shí)，綜采區(qū)工作面覆蓋5G 信號(hào)覆蓋邊緣達(dá)到151 m，此時(shí)上行速率為42 Mbit/s，滿(mǎn)足煤礦生產(chǎn)過(guò)程中信號(hào)傳輸20 Mbit/s的基礎(chǔ)要求。在5G 信號(hào)上行速率為20 Mbit/s時(shí)，CPE 與天線距離為174 m。

4.2.2 掘進(jìn)機(jī)阻擋情況下綜采區(qū)測(cè)試

測(cè)試所應(yīng)用終端設(shè)備為華為mate 40 pro，掘進(jìn)機(jī)具體位置處于天線前端，天線被影響并覆蓋。

此時(shí)測(cè)試將與天線距離105 m 處（RSRP 為-105 dBm）作為5G 信號(hào)覆蓋邊緣，在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)上行速度為10 Mbit/s，并未滿(mǎn)足信號(hào)傳輸20 Mbit/s的基礎(chǔ)要求。隨著距離的不斷推進(jìn)，在距離98 m 時(shí)上行速度達(dá)到20 Mbit/s。

由此可見(jiàn)，設(shè)備阻擋在一定程度上會(huì)降低信號(hào)的覆蓋范圍，對(duì)數(shù)據(jù)信息傳輸速率也有著一定的影響。因此在煤礦井下RRU 的設(shè)置當(dāng)中，為了保障信號(hào)的全范圍覆蓋，需要在間隔190～196 m范圍內(nèi)設(shè)置一個(gè)RRU。

4.2.3 兩輛車(chē)阻擋情況下大巷測(cè)試

測(cè)試所應(yīng)用的終端設(shè)備為CEP，測(cè)試過(guò)程中距離天線40 m 處有兩輛（一大一?。┻\(yùn)輸車(chē)正在作業(yè)，具體測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 上行速率圖

如圖3 所示，在信號(hào)RSRP 達(dá)到-105 dBm 時(shí)，大巷覆蓋5G 信號(hào)覆蓋邊緣達(dá)到212 m，此時(shí)上行速率為27 Mbit/s，滿(mǎn)足煤礦生產(chǎn)過(guò)程中信號(hào)傳輸20 Mbit/s的基礎(chǔ)要求。在5G 信號(hào)上行速率為20 Mbit/s 時(shí)，CPE與天線距離為221 m。

為此，為了保障煤礦信息傳輸速率能夠達(dá)到20 Mbit/s，并結(jié)合大巷內(nèi)部車(chē)輛作業(yè)實(shí)際情況，建議天線設(shè)置間隔為436～442 m 范圍內(nèi)。

5 應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益

由于4G+5G 融合調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，因信號(hào)傳輸速率較慢導(dǎo)致工作效率低下的問(wèn)題有了進(jìn)一步的緩解。西翼集中軌道大巷輔助運(yùn)輸能力提升27.60%；22122 工作面生產(chǎn)能力提升11.01%；中央1號(hào)變電所監(jiān)控人員數(shù)量由6 人減少到4 人，這也有效地降低了人工成本投入，同時(shí)由于工作效率和生產(chǎn)產(chǎn)量的提升，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益也得到了巨大的提升，預(yù)計(jì)每月可以節(jié)約32 萬(wàn)元。

6 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)某煤礦通信系統(tǒng)缺陷分析，提出4G+5G融合調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主要目的。

2）根據(jù)某煤礦的實(shí)際情況建立以設(shè)備終端、網(wǎng)絡(luò)層以及管理平臺(tái)三部分為主的融合調(diào)度通信系統(tǒng)。

3）針對(duì)某煤礦的現(xiàn)有情況進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)基站的部署，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)煤礦網(wǎng)絡(luò)的全范圍覆蓋。

4）根據(jù)對(duì)該煤礦4G+5G 融合調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，在滿(mǎn)足煤礦上行20 Mbit/s 速率要求的情況下，RRU 覆蓋能力為98 m，因此在綜采面RRU的設(shè)置間隔需要控制在190～196 m 范圍內(nèi)；而在大巷內(nèi)部，天線的覆蓋能力為221 m，因此在大巷天線的設(shè)置間隔需要控制在436～442 m 范圍內(nèi)。并且該煤礦在建設(shè)完成4G+5G 融合調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)后，輔助運(yùn)輸效率和生產(chǎn)能力也有了巨大的提升，其中運(yùn)行監(jiān)控人員有了一定下降，這也是煤礦企業(yè)降本增效的急切需求。