煤矿井下无线通信技术演进.pdf
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1、煤矿井下无线通信技术演进白雪峰,舒晓军(浙江凡双科技有限公司,浙江杭州311112)摘要:矿井通信是煤矿智能化发展不可或缺的一环。分析了煤矿井下无线通信不同发展阶段不同通信制式和技术的优缺点,得出目前 5G、WiFi6 在传输速率、时延、可靠性及用户容量方面具有较大技术优势及较好的适用性,是近阶段矿用无线通信技术的主流解决方案。探讨了井下无线通信系统建设面临的问题及对应的发展方向:技术融合问题。不同场景对带宽、时延、功耗、可靠性有不同要求,单一的通信技术难以满足煤矿所有应用场景的需求,必须根据实际应用情况,选择适合的通信技术来满足应用需求,不同技术通过协议转换器、网关等设备实现融合,形成井上下
2、多技术融合的一体化通信网络平台。系统融合问题。由于各系统由不同厂家提供,通信协议及硬件接口不一致,难以真正实现矿井各系统数据共享,应提供标准接口、开放的网络架构、统一的用户数据,为监控、应急、生产等系统提供互联互通功能,并进一步提供统一数据报文,让数据在各系统内低延时、高并发、实时、同步地流通。设备功耗问题。现有矿用 5G 基站等由于设备本身功耗大,只能做成功能单一的隔爆型产品,设备笨重、体积大,安装维护困难,制约了 5G 技术在矿井的普及推广,可从主芯片、射频模块、功率放大模块 3 个方面着手进行低功耗设计。关键词:煤矿通信;5G;WiFi6;技术融合;系统融合;低功耗设计中图分类号:TD6
3、55.3文献标志码:AWirelesscommunicationtechnologyevolutioninundergroundcoalminesBAIXuefeng,SHUXiaojun(ZhejiangFinsungTechnologyCo.,Ltd.,Hangzhou311112,China)Abstract:Minecommunicationisanindispensablepartoftheintelligentdevelopmentofcoalmines.Thispaper analyzes the advantages and disadvantages of different
4、 communication systems and technologies indifferentdevelopmentstagesofwirelesscommunicationinundergroundcoalmines.Itisconcludedthat5GandWiFi6currentlyhavesignificanttechnologicaladvantagesandgoodapplicabilityintermsoftransmissionrate,delay,reliability,and user capacity.They are the mainstream soluti
5、ons for mine wireless communicationtechnologyinrecentyears.Thispaperdiscussestheproblemsinundergroundwirelesscommunicationsystemconstructionand the corresponding development directions.Technological convergence issues.Differentscenarios have different requirements for bandwidth,delay,power consumpti
6、on and reliability.A singlecommunicationtechnologycannotmeettherequirementsofallapplicationscenariosincoalmines.Itisnecessaryto select appropriate communication technology according to the actual application situation to meet theapplicationrequirements.Differenttechnologiesareintegratedthroughprotoc
7、olconverters,gatewaysandotherdevicestoformanintegratedcommunicationnetworkplatformfortechnologicalconvergenceabovethegroundandunderground.Systemintegrationissues.Sinceeachsystemisprovidedbydifferentmanufacturers,andthecommunicationprotocolandhardwareinterfaceareinconsistent,itisdifficulttotrulyreali
8、zethedatasharingofeachsysteminthemine.Itisnecessarytoprovidestandardinterfaces,opennetworkarchitecture,andunifieduserdatatoprovideinterconnectionandinter-workingfunctionsformonitoring,emergency,production,andother收稿日期:2023-02-03;修回日期:2023-07-11;责任编辑:胡娴。作者简介:白雪峰(1973),男,辽宁营口人,工程师,主要从事无线专网通信方面的工作,E-ma
9、il:。引用格式:白雪峰,舒晓军.煤矿井下无线通信技术演进J.工矿自动化,2023,49(7):14-18.BAI Xuefeng,SHU Xiaojun.Wireless communication technology evolution in underground coal minesJ.Journal of MineAutomation,2023,49(7):14-18.第49卷第7期工矿自动化Vol.49No.72023年7月JournalofMineAutomationJul.2023文章编号:1671251X(2023)07001405DOI:10.13272/j.issn.1
10、671-251x.2023020012systems.Itisfurtherrequiredtoprovideunifieddatamessagestoenabledatatransmissionwithlowdelay,highconcurrency,real-time,and synchronization within each system.Device power consumption issues.Theexistingmine5Gbasestationandotherequipmentcanonlybemadeintoasingleflameproofproductduetot
11、heirhighpowerconsumption.Theequipmentisbulky,large,anddifficulttoinstallandmaintain,whichrestrictsthepopularizationof5Gtechnologyincoalmine.Low-powerdesigncanbestartedfromthemainchip,RFmodule,andpoweramplifiermodule.Key words:coalminecommunication;5G;WiFi6;technologicalconvergence;systemintegration;
12、low-powerdesign 0引言为推动煤矿智能化发展,国家先后出台了一系列相关政策和规划1-3,针对煤矿智能化发展、能源领域 5G应用场景及阶段性发展目标给出了指导意见及实施方案。矿井通信是煤矿智能化发展不可或缺的一环,是煤矿智能化建设的重要技术支撑。我国煤矿井下无线通信历经小灵通、WiFi、3G、4G 等阶段,目前正处于 4G 转 5G 的过程中4。本文立足于煤矿行业无线通信理论研究和实践发展,对井下无线信号传输、井下无线通信系统特点和应用情况进行对比分析研究,总结了目前所面临的问题,并提出了未来发展方向。1井下无线信号传输分析与地面环境相比,煤矿井下无线电环境较简单,干扰较小,基站信
13、噪处理更容易,但井下生产环境比较特殊:工作面设备多,且位置随开采掘进不断变化;巷道较长,转弯多且角度大;各类硐室比较多,硐室密闭性好。根据上述特性,得出无线通信覆盖设计要求:线性巷道覆盖占比大,信号覆盖硐室、工作面区域空间,通信量相对较少。文献5-6通过理论计算和实验相结合的方式研究了电磁波频率对井下电磁波传输特性的影响,采用金属波导法分析了圆形、拱形及弯曲隧道中电磁波的传输特性,并给出衰减率近似公式,得出结论:在平直隧道中,频率越高,衰减率越小,越有利于电磁波传播;在弯曲隧道中,频率越高,衰减率越大,越不利于电磁波传播;900MHz 左右为井下无线通信系统最佳频段。井下巷道是管状线性结构,适
14、合采用定向天线提高覆盖距离;要提高信号源复用率,可采用功率分配方式或不同通道连接不同天线,后者无信号损耗,更适合巷道覆盖;硐室密闭性较好,适合采用吸顶天线,相邻硐室可用功率分配方式增加吸顶天线数量,提升覆盖范围;工作面较开阔,适合采用全向天线覆盖,并使用定向天线和吸顶天线补充覆盖盲点。2井下无线通信系统的特点和应用1)WiFi。WiFi 技术设计目的是用于数据业务,特点是要求高带宽,但对实时性和移动性要求不高。WiFi 技术井下覆盖距离短,有效距离不超过200m;WiFi 采用的是小区无线机制,设计上不考虑移动切换问题,即 WiFi 终端需先与当前基站中断连接,再重新搜索新的基站,因此 WiF
15、i 终端无法保证无线通信的移动性和实时性,移动通信存在断续问题;由于 WiFi 标准设计没有定义语音业务,为了实现终端语音通话,需要封装基于 IP 的语音传输(VoiceoverInternetProtocol,VoIP)功能,开销大,延时高,通话质量差;缺乏专业的 WiFi 语音终端,终端兼容性差,终端可靠性和可延续性得不到保障7。WiFi 适用于以无线数据通信应用为主、语音应用较少、对移动通信质量要求不高的场景。WiFi6 是一种新的 WiFi 标准,数据传输速率高达 9.6Gbit/s,具有如下特点:采用正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multi
16、ple Access,OFDMA)技术保障数据传输,速度更快;采用多用户多入多出(Multi-UserMultiple-InputMultiple-Output,MUMIMO)技术允许更多终端同时通信;采用目标唤醒技术减少终端射频发射次数和信号搜索频率,减少电量消耗,提升设备续航时间。WiFi6 比之前的 WiFi 版本更加适应井下无线通信需求,并可用于智慧矿山宽带无线通信8-9。2)小灵通。小灵通初期应用于企业专网、区县范围的区域移动通信,优点是基站发射功率低,体积小,功耗低,易改造成为本质安全型防爆基站,适合煤矿井下移动语音应用。缺点是采用铜缆传输,传输距离不超过 5km,以语音业务为主,
17、数据业务能力不足。小灵通在 2009 年前曾在煤矿井下大量部署10,3G 井下无线通信系统出现后退出煤矿行业。3)3G。相对于 WiFi 和小灵通,3G 通信呈现高速移动、宽带数据、视频通话等新特点,给矿山移动互联网和物联网应用提供了必要的网络基础11-13。煤矿无线通信自 2009 年开始进入了移动数字化时2023年第7期白雪峰等:煤矿井下无线通信技术演进15代,当时在煤矿井下大规模使用的主要有时分同步码分多址(TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess,TDSCDMA)制式和宽带码分多址(WidebandCodeDivisionMu
18、ltipleAccess,WCDMA)制式。TDSCDMA 是中国主导的 3G 标准,网络设备和手机终端全部实现国产化,没有专利陷阱。TDSCDMA 在相同频带内的时域上划分不同时段(时隙),上下行双工通信,时钟同步要求较严格。由于煤矿井下难以引入 GPS/北斗的时钟信号源提供时钟同步,当时井下 TDSCDMA 基站全部是使用专用光纤的射频拉远单元。WCDMA 作为 3G 时代产业链最成熟、网络部署最广泛、终端最丰富的技术,相关网络设备及终端均有强力的支持。WCDMA 采用频分双工进行双工通信,当时井下 WCDMA 基站全部是接入以太网的飞基站。4)4G。煤矿井下 4G 通信网络 2015 年
19、开始建设,4G 提高了速率和带宽,统一了制式,终端兼容,产业链丰富,生命周期长,完全适合煤矿井下无线通信需求,对井下无线通信系统来说是一次历史性的转变14。5)5G。5G 具有超高的传输速率和用户密度、海量终端连接、超低时延、超高移动速度等。随着5G 大规模商用,国家也在大力推动煤矿行业 5G 通信系统建设,5G 已经成为了智能矿山的重要组成部分15-16。井下 5G 无线通信系统在网络建设模式、语音支持、业务应用方面的特性如下。网络建设模式:目前井下无线通信系统实际建设中主要是 5G 混合专网与 5G 独立专网。煤矿企业希望拥有安全可靠的自主 5G 专网系统,完全能够自己管控。理想模式下,可
20、采用专有无线设备和核心网设备构建一张增强带宽、低时延、物理封闭的无线网络,实现用户语音通话与运营商公网完全隔离,且不受公网影响。语音业务实现:在井下无线通信系统中,语音通信仍然是最基础的业务需求。4G 无线通信系统采用的是长期演进语音承载(VoiceoverLong-TermEvolution,VoLTE)方式,WiFi 采用的是 VoIP 方式,按照规范定义,5G 可采用新空口承载语音(VoiceoverNewRadio,VoNR)方式。测试表明,VoLTE/VoNR 的语音通话质量优于 VoIP 方式,是首选方案。在井下无线覆盖中,目前大部分厂家的语音解决方案仍然延续了公网方式,通过 4G
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