5G網絡與WiFi6融合組網技術在智慧礦井中的應用

楊 康，成 曦，董金鑫，楊小強，黃偉國

(中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

0 引言

現階段中國社會發展已進入智慧互聯時代，通信與互聯網技術的更新迭代不斷推動礦產行業的高速發展，隨著5G網絡的逐漸普及，據此衍生的各種行業應用也為礦井內部的無人開采提供了極大的可能性，“智慧生產”遠程可視化、無人探礦、智慧綜采工作面、智慧爆破采礦等高危險建設目標也將逐步實現，且相關行業資源大量存儲與共享也為從業技術人員日常自主學習提供保障。

即使目前5G網絡與WiFi6技術都是智慧互聯時代的前沿技術，但5G網絡技術在實際建設中還存在成本控制等方面的問題，WiFi6技術的信號強度也存在技術限制。因此，只有將二者相互融合進行組網，才能揚長避短，充分發揮5G網絡與WiFi6技術的優勢，為礦井的勘探、爆破及開采等作業提供便捷，發揮智慧產業價值。

1 5G網絡及WiFi6技術業務特點分析

從技術層面說，現今社會已進入5G網絡智慧互聯時代。而且5G網絡演進的最終方向是萬物互聯，其主要的3大技術特點是：極高的速率、極大的容量與極低的時延。依托于5G網絡架構是使用云生化的設計思路，使用控制面與用戶面分離(CUPS)設計方法，因此5G網絡可以基于網絡切片技術及MEC技術達到滿足各個行業用戶差異化需求的目的。ITU(國際電信聯盟)定義了5G網絡中的3大應用場景，即移動寬帶增強(eMBB),大規模物聯網(mMTC)和低時延高可靠(uRLLC)[1]。結合目前的行業發展，eMBB已廣泛應用于各個行業，且衍生產品及方案都較為成熟，已形成產業化，而mMTC及uRLLC相關的產業仍在技術儲備及驗證階段，尚未形成產業化。

WiFi6技術是近年無線局域網協議最新的演進和擴展，最初的名稱為HEW(高效無線局域網)。WiFi6的設計方法與常規的WiFi有很多的區別，現行的WiFi協議主要目的在于為用戶提供更高的峰值速率；但WiFi6可以通過其協議名稱HEW(高效無線局域網)分析出其重點主要在高效,是為了能夠最大限度地發揮當前可用的頻譜資源，以此為用戶提供更高的實際網絡速率。WiFi6使用的5大核心技術，使其對于高密集業務需求和高吞吐業務需求具有良好的解決能力。

同時得益于核心網絡業務模塊化架構和網絡功能虛擬化技術，5G已做到控制面和數據面分離、核心網絡和接入網絡分離。因此5G網絡與WiFi6協同組網對接入終端的適配難度變低，而且核心網網絡單元和無線接入網絡節點無須進行復雜的功能擴展[2]，上述條件為5G網絡與WiFi6融合組網提供了更大的便利。

2 5G網絡及WiFi6技術于多網融合中的應用

現階段經過應用測試，當下5G上行最大傳輸速率達10 Gb，下行最大傳輸速率達20 Gb。WiFi6在80 MHz的帶寬時，單空間流的最大速率為600 Mb，在帶寬為160 MHz及8條空間流的情況下，最大速率達9.6 Gb，已經能達到5G網絡的量級。對于用戶側的網絡速率，兩者均能夠達到Gb級的高標準，而且網絡中各終端用戶間的傳輸時延均能夠達到ms級。

兩種網絡技術的主要區別在于，5G網絡在單位時間內帶寬總流量能達到幾十Tb，而且可以承載的終端用戶更是超過百萬。在eMBB場景情況下，時延小于4 ms，在uRLLC場景下，時延小于1 ms。而WiFi6網絡的平均時延達到20 ms，高于5G網絡在eMBB場景及uRLLC場景下的時延。因此，5G網絡在超低時延方面完勝WiFi6網絡。5G網絡移動性極強，跨區連接快，經過網絡優化調制，即使信息發送雙方都以500 km/h的高速移動時，仍然能夠進行正常的網絡信息通信。現階段，我國投入營運的高速列車，只要有5G網絡覆蓋，且用戶終端能夠正常接收到5G網絡信號，用戶的信息傳輸及數據交換都能夠正常實現。目前，5G網絡已經基本能夠實現跨區網絡無縫切換的能力，相較而言，WiFi6網絡的跨區建立連接相對較慢。雖然5G網絡相較于WiFi6網絡有如此大的優勢，但5G網絡存在著系統結構復雜、建設成本高及建設周期長等問題，而WiFi6是無線接入技術，主要用于室內無線終端上網，具有傳輸速率高、系統簡單、成本低等優點[3]。因此，現階段在系統建設實施方面，WiFi6網絡建設投入產出比遠高于5G網絡建設。

前期，我國礦井的智慧模式一直處于傳統的地形掃描、模型制作及仿真開采的虛擬層面。隨著5G網絡的建設普及，智慧礦井漸漸實現多物理空間的互通，實現多類型設備的互通，依托于XR+超高清視頻技術的融合，實現物理空間之間的無損對接。借助AI技術的能力，甚至能將整個礦井建立出完成的立體三維圖形，能夠更直觀地觀測礦山內各個節點的實際情況。多重技術在智慧礦井中的融合應用，能夠使不同區域的礦井之間高度整合成為一體，為形成礦山全面感知、實時互聯、分析決策、自主學習、動態預測、協同控制的完整智能系統，實現礦井開拓、采掘、運通、分選、安全保障、生態保護、生產管理等全過程的智能化運行目標[4]，提供有力保障。

依托5G網絡速度快、延時低、流量大等特點，能夠實現不同礦井內工作人員的協同作業，保障礦井內作業的多角度、多維度、多模式等要求。而將5G網絡、WiFi6網絡、XR及VR等技術進行融合，能夠提升礦井管理人員及現場技術人員的臨場感，打破了礦井作業危險區域的限制，也能夠在操作與體驗的過程中加強操作感知，有效提升礦井管理人員的管理水平，提高技術人員對礦井內突發問題的解決能力。同時，為礦井內工作人員創設實時交流平臺，能夠體現礦井工作的實時情況，便于第一時間了解礦井及礦井內工作人員發現的任何問題。

5G網絡與WiFi6網絡已在2019年就投入使用，能夠在同等單位時間內傳輸更多數據。雖然5G網絡相較于WiFi6網絡更能夠滿足廣大用戶的需求，但從WiFi6網絡技術來分析，即使WiFi6技術走在最前沿，仍沒有就單個終端的網絡質量進行優化，反而強調的是在多終端接入時，能實現高速度、低延時的傳輸，就此而言，5G網絡與WiFi6網的出發點是一致的。雖然WiFi6網絡在應用時，由于技術瓶頸，各WiFi信號存在相互干擾的問題，無法真正實現300 M/s的理論值，但是在現階段，終端用戶在實際使用過程中已經超過了有線千兆網絡，因此，無線網絡超過有線網絡的時代已經拉開了序幕。

3 5G網絡及WiFi6技術在多網融合中的混合設計實踐

現今，是互聯網技術高速發展的智慧互聯時代，從2019年開始，5G網絡及WiFi6技術面世，并于2020年正式面向市場，陸續普及到社會的各個角落。在此大環境下，各界對5G及WiFi6的爭論從未停止。然后，就目前我國互聯網行業發展的方向來看，5G與WiFi6必將走上相互融合、共同發展的道路。

從2019年提出的兩項無線標準分析，5G與WiFi6技術的應用已經成為物聯網行業發展的一道分水嶺。此項技術的應用確保了在未來互聯網時代的發展中，即使設備終端數量遠超過目前使用的設備數量，也不會因網絡問題而出現延遲等問題。在此之前，因信號擁塞或信號質量較差等問題而導致在網絡使用過程中流量消耗較多的問題，也將在5G與WiFi6融合組網的技術應用下有效解決，網絡擁塞的時代將慢慢成為歷史。

4 5G網絡及WiFi6技術在智慧礦井中的多網融合應用

4.1 5G網絡及WiFi6技術在智慧礦井中的建設體現

在礦產行業持續發展的今天，基于互聯網建設的線上平臺也逐漸成熟。為了實現智慧礦區，運用多元化、高科技的設備與技術優化礦產開采是當前礦產行業的發展方向，5G網絡及WiFi6網絡的建設為智慧礦井提供了有利的基礎設施。

2022年，新疆某地計劃開采占地面積100平方公里的礦藏，計劃通過投資700萬元資金進行網絡基礎能力建設，用來發展智慧礦區，有望實現年產量500萬噸的目標，是新疆“十四五”規劃期的重點項目。經過設計人員現場勘察評定，針對此礦井現有員工居住區、控制指揮室、員工工作區、員工作業區、礦區地面部分、礦井內井道及礦井內作業區等區域，結合5G網絡及WiFi6網絡技術特性及不同區域的業務需求，計劃采用5G網絡及WiFi6多網絡融合的方案對礦區進行整體規劃建設。

該建設方案中，從建設投入及網絡特性出發，針對礦區地面部分考慮5G網絡廣覆蓋、低時延且能夠實現跨區網絡無縫切換的能力，對礦區地上100平方公里全區域進行網絡覆蓋，便于后續通過5G網絡建設智慧礦區相關的物聯網、礦區內智慧運輸、礦區內無人監控、礦區內無人巡邏等功能；針對員工居住區、控制指揮使、員工工作區等人員或機器密集區域，考慮建設WiFi6網絡，針對固定區域內高密度用戶，為后續智慧礦區的用戶業務需求、指揮中心、云計算、大數據等技術深度融合做準備，在能夠提供同等網絡能力的同時，相較于采用5G網絡建設有效節省了建設投資；針對礦井內井道采用5G網絡對整條井道進行覆蓋，最大限度地發揮5G網絡廣覆蓋的能力，為后續井道內無人運輸、實時動態數據傳送、無人監控、無人作業等智慧礦山作業提供基礎保障。

通過5G網絡及WiFi6多網混合組網研究評估，經相關專業人員現場實地測試仿真，結合當地相關運營商建設報價，在需要實現同等網絡覆蓋能力的情況下，若全量采用5G網絡進行建設預計投資約1500萬元左右，相較于目前使用5G網絡及WiFi6多網混合建設，投資額約為2倍左右，因此經相關部門綜合評定及結合網絡仿真效果，最終明確5G網絡及WiFi6多網混合組網為最優建設方案，并依此實施。

4.2 5G網絡及WiFi6技術在智慧礦井中無人運輸的體現

無人運輸是現階段多個行業在物聯網中的應用體現，不僅包含了機器通信、高精度地圖數據、大數據技術等礦區運輸的基本功能，還涉及智能路徑規劃及實時監測等功能。每一輛無人運輸車，無論在礦井內還是在礦區內，都會配置網絡專屬ID，能夠通過網絡實時調取車輛運行情況，合理規劃運輸路線。通過礦區內或礦井內的各類傳感器、設備及車輛自身的GPS及攝像頭，進行運輸車輛的信息讀取、運輸車輛實時信息查詢以及人工遠程操控等操作，最終將相應的數據信息提交到智慧礦區數據庫中。因此，要保障無人運輸能夠在礦井中充分發揮作用，凸顯其便捷性，就需要礦井內必須具備良好的基礎網絡資源，無論是數據傳輸速度、數據傳輸延時還是數據吞吐量都必須達到相應的行業指標。如果出現礦井內網絡速度慢或者數據傳輸存在高時延等問題，就會發生無人運輸事故，輕則無人運輸行為終止，重則無人運輸車輛碰撞，影響礦區正常開采運輸，從而嚴重影響到礦井內的開采運輸效率，直接導致大量經濟損失?，F階段受限于網絡技術及投資成本，礦井內運輸工作多為人工控制運輸車輛完成，存在安全隱患且效率不高。

依據目前的社會經濟發展情況及礦產行業的產業發展來看，地下礦井內、地上礦區內、礦產加工廠等場所將陸續使用5G網絡與WiFi6網絡混合組網技術。利用5G網絡優勢，對礦區空曠區域及礦井作業井道區域進行廣覆蓋，如圖1所示，對集中作業區、人員駐留區及人員辦公區采用WiFi6網絡進行覆蓋。在合理利用產品技術優勢的前提下優化組網，降低投資。實現5G+WiFi6融合組網技術完成礦區全覆蓋的目標。以5G網絡與WiFi6網絡為基礎建設的智慧礦井，通過智慧礦井平臺統計整合收到的無人運輸車的實時數據，通過網絡實時監控反饋，依托于5G網絡與WiFi6網絡實現高速可靠的無人運輸行為，大大提高了整個生產過程的效率，大幅降低了生產成本。

圖1 5G于Wifi6混合組網在無人運輸中的應用模型

4.3 人員安全

智慧職業健康是當代各個行業發展的關注重點，企業的根本是人，一切生產離不開人，因此人員是企業最寶貴的財富。智慧職業健康在智慧礦井結構中充當著重要的角色，常見的主要為礦井環境監控及自動矯正、礦井內人員檢測及定位。通俗來講，就是礦井負責人可以通過井下工作人員隨身攜帶的設備，經智慧礦井平臺實時了解井下操作人員的井內具體位置，了解井下工作人員的身體狀態、工作時長，結合礦井內其他智能檢測模塊實時了解井內工作環境、井下操作人員健康狀況，依靠智慧礦井大數據平臺實時監測分析，保證井內操作人員的操作環境安全，確保人員生命健康。

在智慧礦產中，如圖2所示建設組網模式，以5G網絡與WiFi6網絡為基礎，通過各種傳感器、視頻監控、GPS系統及智慧管理平臺，可以實現管理人員在管理中心實時了解井下工作人員的位置、人員狀態、井下環境、井下環境指標等信息，通過智慧礦井大數據平臺實時記錄并分析，便于管理人員能隨時了解及查閱各項信息。遇到突發事件時，相關管理人員能夠第一時間通過智慧礦井管理平臺發送相關指令及決策，大大縮短事故周期，能夠有效規避事故發生后產生的危害，也從另一方面確保了企業效益的最大化。

圖2 5G于Wifi6混合組網在人員安全中的應用模型

5 結語

雖然，5G網絡與WiFi6技術普及時間不長，但要將其優勢全面發揮，仍需要技術積累，使得二者相互融合、相互補充。而且此項技術在智慧礦區的建設應用中，還有著極大的潛力可挖掘。只有合理地運用5G網絡與WiFi6技術的特性，做到礦區網絡全覆蓋，確保網絡的安全與暢通，實現數據高速傳輸，結合數據庫及AI系統對礦區內各設備終端及相關人員進行差異化智能管理，形成礦區全面感知、實時互聯、協同控制的完整智能系統，實現礦井開拓、采掘、運通、分選、安全保障、生態保護、生產管理等全過程的智能化運行[5]，為智慧礦區的建設奠定堅實的基礎。