煤礦5G通信系統安全技術要求和檢驗方法

鄭小磊， 梁宏

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015；2.國家安全生產常州礦用通訊監控設備檢測檢驗中心， 江蘇 常州 213015)

0 引言

5G是第五代移動通信技術的簡稱，是新一代蜂窩移動通信技術[1]。與4G相比，5G采用大規模多輸入多輸出(Multi Input Multi Output，MIMO)、上下行解耦、波束成形、密集網絡等技術，實現了更快網速和更大網絡容量[2]，具有傳輸速率高、網絡頻譜寬、時延低、可靠性高﹑容量大等優勢[3]，成為特殊行業機器人、無人駕駛、虛擬現實、超清視頻、設備遠程操控、礦井安全監測等應用的技術基礎[4]。

目前，煤礦正處于由人力勞動、機械化向信息化、自動化、智能化升級轉型的關鍵時期。5G技術將發揮其網絡優勢，賦能煤礦生產管理新范式，加速綠色、高效、安全的智慧礦山建設[5]。由于煤礦井下有瓦斯等易燃易爆氣體，直接將地面5G技術應用于煤礦井下有很大的安全風險。根據《中華人民共和國安全生產法》和《煤礦安全規程》等的規定，納入安全標志管理未取得煤礦礦用產品安全標志的產品不得使用[6]。因此，用于煤礦井下的5G通信系統必須取得安全標志證書。

安標國家礦用產品安全標志中心于2020年6月17日發布了《關于發布煤礦5G通信系統安全技術要求、安全標志管理方案的通知》，確定了5G通信系統的煤礦行業準入準則。2020年7月到8月，安標國家礦用產品安全標志中心按照新產品審核發放模式，陸續發放了KT606(5G)礦用無線通信系統、KT28E(5G)礦用無線通信系統和KT659(5G)礦用無線通信系統的安全標志證書。煤礦5G通信系統安全標志證書的發放，標志著5G技術正式開始應用于煤礦井下。由于5G是新技術，目前取證的產品沒有針對煤礦井下安全生產特點進行研發，而是對地面5G產品進行了防爆改造，僅用于礦井語音通信和視頻圖像傳輸[7]。

根據現行的管理方案，煤礦5G通信系統設備中，重點關注下井的5G基站和5G終端，其他傳輸類設備為常規礦用設備，本文不再論述。對于5G基站和5G終端，重點關注5G技術指標的檢驗和防爆安全要求；對于5G通信系統，重點關注組網方式判別、核心網檢驗和抗干擾性能檢驗；系統和單機的其他常規技術要求本文不再論述。

1 煤礦5G通信系統安標管理方案

煤礦5G通信系統按照安標新產品審核發放模式Ⅱ進行審核和發放。在滿足《煤礦5G通信系統安全技術要求》和《礦用產品安全標志審核發放實施規則(通訊系統及裝置)》(ABGZ-MA-HAA-2017-01)的前提下，發放2 a有效期的安全標志新產品證書。隨著煤礦5G技術的發展，安標管理方案可能會作出相應調整。

煤 礦5G通信系統產品名稱型號執行MT 286—1992 《煤礦通信、自動化產品型號編制方法和管理方法》的規定，對于符合要求的煤礦5G通信系統及組成設備，在原型號后加(5G)以示區別，例如KT28E(5G)和KT659(5G)。

煤礦5G通信系統接入公網的設備應按國家有關規定取得進網許可證，在原型機上進行防爆改造后接入公網的設備，應在受控件明細表中注明原型機的名稱、型號和進網許可證號，受控類別為C類。

有源天線應單獨申辦礦用產品安全標志，產品名稱規范為“功率放大器”。無源天線暫不辦理安全標志，作為基站的受控部件，其技術指標應在基站技術文件中明確。

在保證安全性能和降低風險的前提下，開展煤礦井下5G產品安標申請的受理和審核發放工作，滿足了企業取得煤礦5G通信系統安標證書的需求。

2 煤礦5G通信系統安全技術要求

2.1 基本要求

煤礦5G通信系統和組成設備性能要滿足《煤礦安全規程》、MT/T 1115—2011《多基站礦井移動通信系統通用技術條件》、MT 209—1990《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產品通用技術要求》、GB 3836系列標準等的規定，同時滿足井上和井下的安全隔離要求。這是基本要求，其他無線通信系統同樣要滿足。

2.2 組網要求

煤礦5G通信系統應能實現獨立組網、獨立運行，在外部網絡故障或斷開時，應能安全、獨立、穩定運行，保證無線通信及數據傳輸的可靠、穩定。這是煤礦5G通信系統的特殊要求，在送審前需要自行評估是否滿足要求。不管是否接入公網，獨立組網、專網運行是前提條件。如果要接入公網才能實現系統功能，則不滿足安標技術要求。

2.3 5G通信技術要求

(1) 組網方式：分為非獨立組網(NSA)和獨立組網(SA)2種[8]。

(2) 通信類別及制式：5G NR。

(3) 工作頻段：應為國家允許頻段范圍，相關信息應在產品技術文件中明確，如果設備工作時應用了不同的無線通信類別、制式及頻段，應分別進行說明。目前國家已經公布的頻段如下。中國移動：2 515～2 675，4 800～4 900 MHz；中國電信：3 400～3 500 MHz；中國聯通：3 500～3 600 MHz；中國廣電：698～806，4 900～5 000 MHz。

(4) 基站和終端的技術性能參數：基站和終端需要明確最大輸出功率、發射端口數量、配接天線數量及配接方式、天線特性(如MIMO、全向或定向、增益、功率放大等)、接收靈敏度、在無遮擋情況下無線信號的最大通信距離等性能參數。

(5) 進網許可證：國家對接入公用電信網使用的電信終端設備、無線電通信設備和涉及網間互聯的電信設備實行進網許可制度。未獲得工信部頒發的進網許可證的設備，不得接入公用電信網使用和在國內銷售。因此，接入公網的設備應按國家有關規定取得進網許可證。

2.4 防爆安全要求

本節主要是針對5G基站和5G終端的防爆安全要求，核心要求是射頻閾功率。閾功率是指發射機的有效輸出功率與天線增益的乘積。

(1) 射頻閾功率。系統中組成設備的發射閾功率應滿足GB 3836.1—2010《爆炸性環境 第1部分：設備 通用要求》中6.6.1節的規定[9]。技術文件中應明確可能產生的最大發射閾功率、嚴酷條件及確定依據。對于采用多天線的設備，應考慮無線信號的疊加，明確無線信號疊加的最嚴酷條件及確定依據。根據GB 3836.1—2010《爆炸性環境 第1部分：設備 通用要求》的規定，發射閾功率以硬件(包括固化不可調的程序)的最大值為依據。

(2) 天線要求。具備增益功能的天線，增益后的發射閾功率應滿足防爆安全要求。在技術文件中應明確天線的具體指標，至少應包括天線類型(無源或有源)、天線類別(單極化、雙極化、陣列天線等)、覆蓋方向(全向、定向等)等參數，明確天線增益，單極化天線、雙極化天線和陣列天線等要明確各端口增益，如為有源天線，需明確功率放大倍數。由于目前5G采用的是多天線技術手段，存在射頻功率疊加的問題，檢驗中心和企業需要考慮多射頻端口功率疊加的問題，疊加后的總閾功率不能超過6 W。同時，不允許企業通過軟件降低發射功率的手段來滿足閾功率不大于6 W的要求。

2.5 抗干擾要求

僅用于語音通信及視頻信號傳輸的煤礦5G通信系統應滿足MT/T 1115—2011《多基站礦井移動通信系統通用技術條件》中的電磁兼容試驗要求。如果防爆改造前的原型機已取得進網許可證，可根據防爆改造具體實施情況，在電磁兼容評定的基礎上確定電磁兼容試驗。

2.6 重點關注問題

(1) 獨立組網要求：不論煤礦5G通信系統是否接入公網，都需要滿足獨立組網、獨立運行的要求。如果需要接入公網，建議選型的時候選擇帶入網許可證的產品。

(2) 5G基站的選型：在滿足使用需求的前提下，必須滿足GB 3836.1—2010《爆炸性環境 第1部分：設備 通用要求》中閾功率的限值要求，同時還要考慮多射頻端口的無線功率疊加問題。因此，在基站選型時，要特別注意發射功率，比如華為微站Book RRU，其自身的標稱發射功率就達到10 W，還沒算上天線的增益，已經不能滿足閾功率要求。

(3) 5G基站配套天線的選型：閾功率是有效輸出功率與天線增益的乘積，因此，在選定基站型號后，要選擇合適增益的天線，經天線增益后的疊加總閾功率不能超過6 W。

(4) 抗干擾要求：煤礦5G通信系統在設計階段就要考慮抗干擾要求，避免后續反復試驗。如果試驗時發現樣機不能滿足要求，可能需要在設計層面進行整改，會影響整體檢驗進度。

(5) 后備電源的配備：雖然MT/T 1115—2011《多基站礦井移動通信系統通用技術條件》僅對基站的后備電源進行了要求，但建議送審時考慮井下其他設備的后備電源問題。如果僅基站配備后備電源，其他設備不配備后備電源，則無線通信系統在斷電后無法正常工作。目前井下設備均為大功耗設備，普通電池不能完全滿足使用時間要求，建議配備井下大容量隔爆型不間斷電源作為后備電源。

3 煤礦5G通信系統檢驗方法

3.1 煤礦5G通信系統的組成

典型的煤礦5G通信系統主要由5G核心網、基站控制器(Base Station Controller，BBU)、基站接入器(匯聚站)、礦用5G基站、礦用5G終端(包含手機和客戶前置設備(Customer Premise Equipment，CPE))等組成，如圖1所示。

圖1 典型的煤礦5G通信系統架構

3.2 檢驗環境和儀器

針對煤礦5G通信系統，應選用符合要求的電磁屏蔽室和電波暗室作為檢驗環境，以排除外界的電磁波干擾。

測量無線信號制式的5G信號分析儀的測量頻率范圍應滿足要求，特別注意分析帶寬要大于測量信號帶寬。目前在用的5G信號的最大帶寬為160 MHz，因此，建議選擇測量帶寬為200 MHz的測量設備。

其他通用型測量儀器如萬用表、光功率計、測距儀、示波器等應滿足相關標準和量值溯源的要求。

3.3 系統檢驗方法

3.3.1 系統組網方式判別

根據第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project，3GPP)的組網方式定義，核查系統的實際組網方式與標準系統構架圖的一致性，初步判斷系統的組網方式。將專用測試終端的入網模式調整為NSA或SA模式，根據系統能否正常通信來判斷其組網方式。

3.3.2 核心網檢驗

以企業的5G獨立核心網設備為基礎搭建5G專用網絡，不與公網連接。用專用5G手機終端(用系統專用卡)測試5G數據通信功能，判斷該核心網是否為5G獨立核心網。如果系統需要接入公網，則在以上檢驗的基礎上，跳過5G獨立核心網設備，用基站或基站控制器直接連接國內運營商5G專線網絡，通過裝有運營商手機卡的專用5G手機終端進行檢測，判斷該系統是否具備公網5G數據通信功能。

3.3.3 抗干擾性能檢驗

針對僅用于語音通信及視頻信號傳輸的煤礦5G通信系統，應按照MT/T 1115—2011《多基站礦井移動通信系統通用技術條件》中5.9節要求的抗干擾性能進行試驗，即不低于1級的射頻電磁場輻射抗擾度試驗、不低于1級的電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗、不低于1級的浪涌(沖擊)抗擾度試驗，試驗中可出現下降或失效，但試驗結束后系統無需人為干預即可自行恢復[10]。

針對對實時性、可靠性要求較高的煤礦5G通信系統，應參照執行AQ 6201—2019《煤礦安全監控系統通用技術要求》中電磁兼容的相關規定。

3.3.4 其他技術指標和功能

其他技術指標和功能按MT/T 1115—2011《多基站礦井移動通信系統通用技術條件》有關要求進行試驗。

3.4 5G基站和終端檢驗方法

3.4.1 5G技術指標的檢驗

(1) 通信類別及制式檢驗。目前礦用5G基站是對地面5G基站直接進行防爆改造，將RRU放置于隔爆外殼后，對射頻端口進行本質安全處理，通過煤礦用射頻同軸電纜將射頻信號引出后接入天線進行發射。針對這種天線外置的設備，可以通過射頻電纜直接連接5G信號分析儀的方式來直接測量。在電磁屏蔽室中，將5G信號分析儀調到NR (5G)檔位，通過射頻電纜連接基站，觀察5G信號分析儀能否正確解調5G NR信號，并結合波形圖、星座圖、誤差向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)等指標來綜合判定通信類別與制式。

針對無天線的手機等終端，可以通過在屏蔽室中與經過通信類別及制式檢驗的基站進行雙向通信來輔助驗證。

(2) 工作頻段及最大有效輸出功率檢驗。對于基站和有天線的終端設備，通過饋線直接引入5G信號分析儀，將被測設備配置為專用的測試模式，確保滿容量最大發射功率發射，通過儀器直接讀取信道功率和工作頻段。

針對無天線的終端類，如果終端不具備測試端口，則將手持終端放置于電波暗室轉臺桌子上，按照水平、垂直方向放置并分別旋轉360°，用信號分析儀掃描其信道功率(保持最大值狀態下)，記錄最大發射功率值和工作頻段。

(3) 天線參數檢驗。有源天線：作為獨立產品，應單獨辦理礦用產品安全標志，并按相關標準進行檢驗。檢驗過程中，通過圖紙和樣品核實方式，確定有源天線是否存在放大可調情況，如果存在，應確定天線最大可調范圍。

無源天線：應按產品結構及圖紙要求，嚴格核查天線是否存在有源電路或實際為有源天線。如果存在有源電路，應按有源天線方案審查；如果為無源天線，則進行目測和內部結構檢查，并核查通過中國合格評定國家認可委員會(CNAS)認證、中國計量認證(CMA)的第三方檢測檢驗機構出具的3 a內的天線檢測報告，進行增益、單極化、雙極化等類別判斷及定向和全向天線等的核實。

3.4.2 閾功率的計算

對于無天線的終端類設備，閾功率即為最大有效輸出功率。針對有天線的多端口基站類設備，閾功率計算方法如下：

(1) 非陣列天線：假設射頻通道數量為N，天線前端處有效輸出功率均為Pe，對應天線增益均為GT，閾功率為Pth，則發射端電磁波的最大閾功率為NPth，即NPeGT。

3.4.3 其他技術指標

其他技術指標按MT 209—1990《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產品通用技術要求》和GB 3836系列標準中的有關要求進行試驗。

4 問題探討

4.1 煤礦5G通信系統管理問題

目前已經取得安標證書的僅為5G無線通信系統，但是5G作為煤礦井下的“新基建”，如果僅用于語音通信及視頻信號傳輸，將不能充分發揮5G的技術優勢，造成資源的極大浪費。隨著5G應用場景的不斷豐富，相關管理機構和檢驗機構需要提早進行調研和規劃，盡快制定應用于遠程操控、無人駕駛等方面的5G產品的審核發放規則和檢驗方法。

針對已經取得安標證書的煤礦5G通信系統，需要密切追蹤井下實際使用情況，如果發現存在安全隱患和風險，應及時調整審核發放規則和檢驗方法。

4.2 5G基站多天線功率疊加后閾功率的計算問題

目前多天線基站的閾功率計算采用的是簡單而粗暴的直接疊加方式。雖然從防爆安全角度來說，這是最安全有效的方法，但是直接疊加造成的后果是基站的5G射頻發射功率被限制得很小。

現在井下5G基站普遍采用的是標稱發射功率為250 mW的微基站，經過防爆改造后，考慮饋線損耗和隔離元器件的損耗，實際發射功率更小，實際測試最大通信距離僅為100～200 m，邊緣傳輸速率只有10 Mbit/s左右。井下布置5G基站的時候，由于傳輸距離較短，基站布置密度大，增加了組網成本和維護工作量。

因此，應盡快研究科學合理的功率疊加模型，以促進煤礦5G技術的后續發展。

4.3 抗干擾技術難點

采用電容和電感濾波是提高設備抗干擾能力的常見而有效的方法。但是，電容和電感是儲能元件，在進行本質安全處理時必須限制電容和電感值。因此，在滿足防爆本質安全要求的前提下提高煤礦5G通信系統的抗干擾能力，是亟需解決的技術難題。

4.4 傳輸速率和時延的技術要求和檢驗方法

目前煤礦行業未對5G通信系統的傳輸速率和時延提出要求，因為現有的5G技術主要用于無線通信，對傳輸速率和時延要求不高。隨著煤礦5G技術的不斷發展，5G技術后續將會應用于遠程控制、無人駕駛、機器人巡檢等場景，這些應用場景對傳輸速率和時延要求非常高。因此，應盡快開展相關試驗設備調研和檢驗方法的研究工作。

4.5 天線一體化基站的檢驗

由于功耗等原因，目前煤礦井下5G基站是通過增加隔爆外殼的方式來實現防爆改造。由于金屬外殼的屏蔽作用，無線信號不能有效輸出，必須通過饋線將信號引出至天線進行發射。這種結構的基站可以采用通過饋線接入5G信號測試儀的方式來測試。隨著5G技術的發展，后續可能會出現天線與基站深度融合的一體化基站，這種基站無法采用常規的饋線測試方法，必須提前研究空中下載(Over-The-Air，OTA)測試方法[11]。

4.6 礦用5G上下行帶寬存在的問題

地面用5G設備主要用于下載數據，上傳數據的需求沒有下載大，因此，地面用5G技術具有下行帶寬遠大于上行帶寬的技術特點。礦用5G設備主要用來上傳井下數據，上行帶寬需求遠大于下行帶寬。因此，需對地面用5G設備的上下行帶寬進行改造才能滿足煤礦使用需求。

5 結語

介紹了煤礦5G通信系統安標管理方案，針對煤礦5G通信系統現行的安全技術要求進行了論述，指出應重點關注獨立組網要求、5G基站的選型、5G基站配套天線的選型、抗干擾要求、后備電源的配備。對煤礦5G通信系統、5G基站和終端的檢驗方法進行了研究，并對后續5G技術應用于煤礦的一些難點進行了分析。本文的分析和研究有助于送審企業提前熟悉煤礦5G通信系統技術要求和檢驗要求，縮短送審周期，為煤礦5G技術的發展貢獻力量。