煤礦5G通信系統的安全性研究

常 琳，鄭慧瑩，李 鳴

（1.安標國家礦用產品安全標志中心有限公司，北京 100013；2.中國礦業大學 礦山數字化教育部工程研究中心，江蘇 徐州 221000；3.中國礦業大學 計算機科學與技術學院，江蘇 徐州 221000）

第5代移動通信技術（簡稱5G）通信速率高、容量大、可靠性高、時延低，已經在地面得到廣泛的使用[1]。但是目前礦用5G系統還沒有成功下井應用，一方面是由于煤礦井下特殊環境的制約，更重要的是因為礦用5G系統的安全性還缺乏定量的分析。

煤礦井下的環境復雜，開采過程中的風險也多種多樣，瓦斯泄漏、煤塵爆炸、水災、火災等都有可能對工作人員造成生命威脅。為了確切掌握井下作業人員的位置、綜合調度、快速通知、遠程控制等，需要建立一套完善的移動通信系統[2]。

有線通信的優勢是短距離的傳輸速度快、準確性高并且應用起來相對安全無害，無線通信的優勢是信息傳遞過程較為方便快捷且成本較低。現在我國使用的無線網絡結構，是由無線通信與有線通信結合而成。在環境條件惡劣的礦井中，通常將無線通信與有線通信相結合，既可以在有線介質施工困難的地方快速傳播信號，又可以減少信號干擾帶來的影響[3]。

煤礦井下的無線通信系統發展經歷了小靈通、WiFi、3G和4G通信。小靈通技術依托聯通的CDMA技術，將其應用到礦井下，由于充分考慮了礦井的實際情況，無線小靈通設備可靠性強，性能高，建設成本低，并且抗干擾能力強。但是因為小靈通不能提供作業人員定位且通信質量不穩定，它目前已經不適用于井下移動通信系統了。WiFi技術一般使用2.4G UHF或者5G SHFISM射頻頻段，非常適用于對安全要求嚴格的礦井中；WiFi通過無線電波進行聯網，具有組網方便、傳輸速率高、系統簡單、成本低等優點[4]，但不適用于高速移動通信，因為WiFi時延相對高，跨區連接速度慢。3G是第3代移動通信技術，可以同時傳輸語音和信息，使用3G技術能極大地增加系統容量、提高通信質量和數據傳輸速率，但是它也存在著諸如數據帶寬小，無法實現大數據和視頻的傳輸等缺點。第4代移動通信技術4G是集3G與WLAN于一體，能夠快速傳輸數據、高質量音頻、視頻和圖像等，通信速度快、網絡頻譜寬、通信靈活、智能性能高、兼容性好、通信質量高、頻譜效率高、費用低，是礦井無線通信系統的優秀候選項。

最近隨著第5代移動通信技術5G的逐步成熟，將5G技術應用在煤礦井下的需求越來越強烈，因為5G在傳輸速率、端到端時延、接入數量、移動性等方面都比之前的任何無線通信技術有更好的表現[5]。5G可以促進煤礦智能化，在井下的應用場景也非常廣泛：可以用于采煤工作面和掘進工作面的遠程控制和井下車輛的遠程控制等，研究礦用5G系統的安全性，能夠加速5G技術在井下的應用進程，保證礦工和礦井的人身財產安全。

1 5 技術的發展

5G繼2G、3G、4G系統之后已經成功在28 GHz的波段下達到1 Gbps。5G將大規模多天線技術（Massive MIMO）發揚光大[6]，大大提高了通信的有效性和可靠性。除了傳輸速率的提升、穩定的連接，5G還提供更大的帶寬、更低的時延以及更多的接入。

5G技術極大地促進了云計算、大數據和人工智能等技術的發展，推動了社會生活的進步。煤炭作為我國的主體能源和重要工業原材料，無論是井下作業的工作人員的安全保證還是高效安全的開采技術都需要5G技術。2020年7月，5G技術在礦用產品中的應用邁出了第一步，已經有運營商獲得了國家礦用產品安全標志中心頒發的煤礦5G通信系統安全標志準用證。但是這個系統僅是對地面使用的5G產品增加了防爆改造，包括正在送審的各種5G系統，都沒有針對煤礦井下易燃易爆的環境進行改造研發[7]。所以需要根據礦井環境研究礦用5G的安全標準，為以后的5G礦用產品提供更詳細的參照。

2 礦用5 系統的安全性

因為井下通訊設備需要長時間運行，設備溫度會不斷增加，當設備溫度超過閾值，就可能會導致起火或爆炸；更重要的是煤炭開采過程中會產生大量的瓦斯等易燃易爆的氣體；因此在井下這種復雜危險的環境下，通信設備必須具備防爆功能。防爆設備主要分為4種類型：本質安全型、隔爆型、膠封型、增安型。其中本質安全型防爆設備體積小、質量小、性能高，可以用于礦井下所有場所，是礦用5G產品的最佳選擇；不過本質安全型防爆設備也因為在功率、電壓、電流、電容、電感方面都做了嚴格的要求，產品相關數據不得超過規定上限。由于礦井通信系統的安全性要求，檢驗5G系統在井下的安全性，對采礦的發展、礦工的人身安全、煤礦企業的財產安全有著重要的意義。

2.1 閾功率

在井下移動通信系統中，基站是移動終端接入網絡的接口設備，5G移動通信系統在井下安全運行需要限制基站閾功率。就基站閾功率的計算來看，主要分為配備陣列天線的基站和配備非陣列天線的基站，在計算過程中均涉及到單路閾功率的計算。

2.1.1 閾功率的計算

根據《爆炸性環境 第1部分：設備 通用要求》，閾功率（Threshold power）為發射器的有效輸出功率與天線增益的乘積，用式（1）來表示即為：

式中：PT為閾功率；PE為發射器的有效輸出功率；G為天線增益的乘積。

當設備具有多天線時，需要考慮到無線信號的疊加，明確無線信號疊加后的最大閾功率；當設備具備增益功能的天線時，增益后的發射閾功率應該滿足防爆安全要求。

井下無線設備最基本也是重要的就是通信基站，它是移動通信交換中心，基站發射閾功率的計算離不開單路閾功率的計算。

1）有效輸出功率與天線增益。由式（1），為了獲得閾功率，需要獲得發射器的有效輸出功率PE與天線增益G；根據以下步驟可以測得有效輸出功率PE：①調整基站使它處于最大發射狀態（基站配置為NR-FR1-TM1.1測試模式），將頻譜儀的信號輸入端通過測試線直接連接到基站無線發射端（天線前端），頻譜儀或信號分析儀的信號輸入端經過衰減器連接基站發射端；②分別測試出每路發射端信號發射功率與信號工作頻段，將每路發射端的信號最大輸出功率記為該路有效輸出功率PE，同時將每路信號工作頻段的最高值記為該路的信號工作頻率；③天線增益G則是參考通過CNAS、CMA認證的第三方檢測檢驗機構依據G B/T 21195—2007標準出具的3年內包含天線增益的檢測報告。

2）單路閾功率。設天線前端發射功率（即基站的單路有效輸出功率值）為A；天線增益見檢驗報告對應天線增益檢測項在對應工作頻段的增益值為B；則單路發射閾功率為A+B。

因此經過計算可以得出閾功率PT。

2.1.2 不考慮天線疊加情況下的基站發射閾功率

根據單路閾功率的計算方法，當不考慮天線疊加的情況時，基站閾功率的參數計算根據天線的排列方式分為2種：配備非陣列天線的基站閾功率參數計算和配備陣列天線的基站閾功率參數的計算。

1）配備非陣列天線的基站閾功率參數計算。配備非陣列天線的基站閾功率為每路發射端的最大閾功率之和。

式中：PFLZmax為配備非陣列天線的基站閾功率；P1max、P2max、…、Pnmax為各路發射端的最大單路閾功率。

2）配備陣列天線基站發射閾功率參數計算。假設由N條天線組成的陣列前端處有效輸出功率均為PE，天線增益均為GT，則發射端電磁波的最大閾功率PLZmax為：

又由式（1），則發射端電磁波的最大閾功率為：

2.1.3 考慮天線疊加情況下的基站發射閾功率

計算基站發射閾功率時，如果考慮天線的疊加，需要增加其他操作：①將整套系統按照實際使用情況搭建到中心電波暗室，模擬正常使用場景，使系統基站處于最大發射狀態下運行；②把基站的1個射頻端口接出天線，其他端口用50Ω負載短接；③將基站放置于電波暗室轉臺桌子上，按照水平、垂直方向放置分別旋轉360°，用接收機掃描其最大發射功率，計算信道功率（或根據儀表直接讀取信道總功率）記錄結果，并按式（1）計算基站發射閾功率。

2.2 電磁兼容

礦井生產過程中機電設備相對集中，且巷道狹小，因此對通信系統的電磁干擾嚴重；同時通信系統的大量信息交互會帶來復雜的電磁干擾，而在特定條件下，電磁輻射會引爆燃料蒸汽，這都導致礦井存在重大的安全隱患；為了避免電磁干擾，礦井下5G通信系統必須具備一定的抗干擾能力[8]。

根據《煤礦安全監控系統通用技術要求》[9]，通過GB/T 17626.3—2016標準[10]規定的嚴酷等級為2級的射頻電磁場輻射抗擾度試驗，評價等級為A；通過GB/T 17626.4—2016標準[11]規定的嚴酷等級為2級的電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗，評價等級為A；交流端口通過GB/T 17626.5—2016標準[12]規定的嚴酷等級為3級的浪涌（沖擊）抗擾度試驗，評價等級為B；直流端口和信號端口通過GB/T 17626.5—2016標準[12]規定的嚴酷等級為2級的浪涌（沖擊）抗擾度試驗，評價等級為B。

3 5 系統安全性評估方法

3.1 測試發射閾功率參數

測試發射閾功率參數時需要測試基站閾功率和終端閾功率。GB 3836.1—2017標準規定的射頻閾功率見表1。

表1 射頻閾功率Table 1 RF threshold power

根據GB 3836.1—2017《爆炸性環境 第1部分：設備 通用要求》[13]，射頻為（9 kHz～60 GHz）的連續發射和脈沖時間超過熱起燃時間的脈沖發射的閾功率，不應超過表1的值；其中I類電氣設備是用于煤礦井下電氣設備；II類電氣設備是用于除煤礦、井下之外的所有其他爆炸性氣體環境用電氣設備；III類電氣設備是用于除煤礦以外的爆炸性粉塵環境電氣設備。由此可以得知井下無線設備的發射閾功率不應超過6 W。

在不考慮天線疊加情況下和考慮天線疊加情況下分別測量出基站發射閾功率，取最大值為基站發射閾功率Pmax；根據天線的特性與表1，將Pmax與6 W對比，若Pmax≤6 W則說明產品符合標準規定；反之，則產品不符合標準規定。

無線傳輸方式測量示意圖如圖1。測試終端閾功率時，將終端放置于電波暗室轉臺桌子上，根據圖1方式連接，按照水平、垂直方向放置分別旋轉360°，用綜合測試儀掃描其最大發射功率，計算信道功率或根據儀表直接讀取信道總功率并記錄結果，計算閾功率。根據終端的特性與表1，將計算得出的閾功率與6 W對比，若總的閾功率≤6 W，則說明產品符合標準規定；反之，則產品不符合標準規定。

圖1 無線傳輸方式測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of wireless transmission measurement

3.2 電磁兼容試驗

沒有取得進網許可證時，系統設備應該按照MT/T 1115—2011標準中規定的電磁兼容相關要求進行電磁兼容試驗；當系統已經獲得了進網許可證時，需確認系統主要模塊的一致性，并檢查屏蔽結構是否存在更改，原設計接口電路是否存在更改，接地點數量、位置是否存在更改，如果系統的以上幾點發生更改，那么該系統需重新按照MT/T 1115—2011標準中規定的電磁兼容相關要求進行電磁兼容試驗，如果系統未更改則需進行相關評定。

3.3 檢驗核心網

當系統可以連接國內運營商專線網絡時，需要進行以下3步檢測：

1）為了確定系統具備5G數據通信功能，需要跳過系統的5G獨立核心網設備，使基站直接連接國內運營商的5G專線網絡，通過裝有運營商終端卡的專用5G終端進行檢測。

2）為了確定此核心網為5G網絡獨立核心網設備，需要斷開運營商的5G專線網絡，以企業的5G獨立核心網設備為基礎搭建5G網絡，并用同一專用5G終端（用系統專用卡）測試5G數據通信功能。

3）通過以上對5G獨立核心網進行綜合判定。如果系統不可以連接國內運營商專線網絡，則企業需提供第三方在3年之內的檢驗報告，報告中應明確相關獨立組網功能，其中出具第三方檢驗報告的檢驗機構應通過CNAS合格評定，CMA實驗室計量認證。

3.4 判別系統組網方式

SA組網架構示意圖如圖2。

圖2 SA組網架構示意圖Fig.2 SA networking architecture diagram

當判別系統的組網方式時，如果系統組網架構為SA，需要根據圖2進行評定，具體步驟如下：①核查系統組成與系統構架圖的一致性；②為了核實系統為5G通信系統，通過頻譜儀、無線通信綜合測試儀測試基站、終端等的工作頻段及信號制式；③將終端的入網模式調整為SA模式時，系統可以進行正常通信，再將終端入網模式調整為NSA模式時，系統不可以進行正常通信；④通過以上對系統組網方式進行綜合判定。

如果系統組網架構為NSA，需要按照3GPP的相關標準進行以下幾個步驟的評定：①核查系統組成與標準系統構架圖一致性；②為了核實系統為5G通信系統，需要通過頻譜儀、無線通信綜合測試儀測試基站、終端等的工作頻段及信號制式；③將終端的入網模式調整為NSA模式，系統可以進行正常通信，再將終端入網模式調整為SA模式，系統不可以進行正常通信；④通過以上對系統組網方式進行綜合判定。

3.5 檢驗通信類別及制式

檢驗通信類別及制式分為檢驗終端通信類別與制式和檢驗基站通信類別與制式。

為了判定終端的通信類別與制式，需要將無線通信綜合測試儀調到N R（5G）檔位，通過射頻電纜或無線傳輸方式測量終端信號反饋情況，若終端可以接收到信號，則證明通信類別及制式是5G NR。

為了判定基站的通信類別與制式，將專用5G終端放置在電波暗室中，測試5G無線傳輸數據通信功能。

3.6 檢驗天線參數

天線主要分為有源天線與無源天線，需要根據情況分別制定檢驗方法。

對于有源天線，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。在檢驗的過程中，需要通過圖紙和樣品核實的方式，確定有源天線是否存在放大可調的情況，如果存在這種情況應確定天線的最大可調范圍；對于無源天線，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，如果存在應按有源天線方案審查，如果確實為無源天線，在進行技術審查及檢驗過程中，應該嚴格核對圖紙及樣品一致性，并需要企業出具承諾書，并在企業技術條件及圖紙上明確天線的使用方法。

對于天線的類別，可以通過目測和內部結構檢查，并結合通過CNAS、CMA認證的第三方檢測檢驗機構依據GB/T 21195—2007標準出具的3年內的天線檢測報告，進行單極化、雙極化等類別判斷，以及定向和全向天線等的核實。

對于天線增益，可以目測并參考通過CNAS、CMA認證的第三方檢測檢驗機構依據GB/T 21195—2007標準出具的3年內的天線檢測報告，報告中其中必須包含有天線增益檢驗項目。

3.7 其他檢驗

除了上述數據，還需要檢驗基站與終端的信號工作頻段和最大有效輸出功率、天線數量及天線特性和基站與終端間的最大通信距離。基站的每一路發射端的信號工作頻率及最大有效輸出功率可以根據測試獲得；終端的最大有效輸出功率和工作頻段需要按照圖1進行連接，通過無線通信綜合測試儀進行測試。另外，通過目測可獲得無線發射端口數量與配接天線數量；為了測試基站與終端的最大通信距離可以使用距離測量儀器。

4 結 語

安全是煤礦的生命線，良好的通信系統是保證煤礦井下作業安全的有效措施。隨著5G技術的不斷成熟，將5G應用到井下移動通信系統是不可阻擋的趨勢，規范5G系統及設備的發射功率是保證安全生產、提高采煤技術的必然要求。討論了井下無線通信系統的發展現狀、5G技術的發展和5G在礦用產品中的應用現狀；具體分析了閾功率的計算方法，有效輸出功率與天線增益的獲取方法，單路閾功率的計算方法；分別討論了配備非陣列天線和陣列天線的基站閾功率參數計算方法，考慮天線疊加情況下基站發射閾功率的參數計算；電磁兼容的重要性及評價標準；分析討論了礦用5G系統安全性評估的標準與方法：根據現有的國家標準提出了礦用5G產品發射功率最大不得超過6 W的要求，以及發射閾功率參數測試、電磁兼容試驗、核心網檢驗、系統組網方式判別、通信類別及制式判別、天線參數檢驗等的檢驗判別方法。這些標準及方法可以對礦用5G系統及產品在礦井下安全使用有重要的參考價值，使礦井工作人員有更多的保障，對5G在井下的應用有重要的意義。