基于無線Mesh網絡的礦用應急通信基站的研究

康守信

1煤炭科學技術研究院有限公司 北京 100013

2煤礦應急避險技術裝備工程研究中心 北京 100013

3北京市煤礦安全工程技術研究中心 北京 100013

近些年，隨著煤礦行業“少人化、無人化”的發展，煤礦安全形式持續向好，但煤礦安全事故仍時有發生。當煤礦井下發生安全事故時，救援隊員需攜帶便攜式應急通信基站快速搭建通信通道，實現井上、井下以及救援人員之間信息互聯，以便于井上指揮人員高效精準指揮救援工作，據相關文獻報道與無應急救援相比，及時高效的救援工作可將損失降低 94%[1-2]。在我國多種煤礦應急通信技術得到了廣大學者專家的研究[3-6]，其中無線 Mesh 網絡技術由于具有無線多跳、自組織和強自愈能力，被廣泛應用到煤礦應急救援工作中。文獻 [7] 對煤礦應急救援系統進行試驗研究，試驗顯示基于無線 Mesh 網絡的應急通信系統提高了救災工作的效率。文獻 [8] 研究一種混合結構的應急救援無線 Mesh 網絡及其路由算法，提升礦井應急救援中網絡性能的穩定性。文獻 [9] 研究了應急通信中無線 Mesh 網絡分配問題，提出一種基于拓撲分層和干擾避免的多信道分配算法，提高網絡的吞吐量和降低信道干擾。

筆者針對礦井應急救援中多點救援以及次生災害、二次事故中救援人員通信的需求，設計了一種無線覆蓋與中繼傳輸同距離的礦用移動應急通信系統，以應急通信基站設備為核心，重點研究礦井內無線覆蓋 2.4G 頻段與中繼傳輸 5G 頻段天線最大輸出功率與信號傳輸距離，并對設計方案效果進行了分析。

1 礦用移動應急通信系統設計

礦用移動應急通信系統架構如圖 1 所示，主要由井上管控平臺、無線 Mesh 應急基站以及礦用應急救援終端組成。井上管控平臺包括交換機、服務器和管理平臺等裝備，用于通信數據的計算以及可視化處理。應急通信基站分別通過 5G 頻段建立無線中繼形成傳輸通道、2.4G 頻段實現無線覆蓋。礦用的應急救援終端包括礦用手機、智能穿戴、生命傳感器等裝備，在與應急通信基站建立連接后，救援人員佩戴救援終端設備可以用于音視頻通話、身體特征感知等。當礦井下應急救援時，救援人員佩戴救援終端攜帶應急通信基站，應急通信基站產生無線覆蓋，并且通信基站之間建立無線中繼通道，實現井下數據與井上指揮室之間信息互通，井上指揮人員根據井下上傳的信息，制定科學高效救援方案，實現精準救援。通信基站是應急救援系統中的核心設備，筆者主要針對通信基站的中繼距離與無線覆蓋特性進行研究。

圖1 礦用移動應急通信系統架構Fig.1 Architecture of mobile mining emergency communication system

2 應急通信基站

應急通信基站基于無線 Mesh 網絡組網技術實現無線信號覆蓋與中繼，為井下救援人員與井上指揮人員建立信息連接。應急通信基站架構如圖 2 所示，主要包括本安電池、以太網接口、網絡處理模塊，無線網卡 (2.4G/5G)、射頻端口 (2.4G/5G) 以及 2.4G 全向天線和 5G 定向天線。本安電池為通信基站提供本質安全的電源需求，解決通信基站供電問題；以太網接口實現通信基站與傳輸網設備相連；網絡處理模塊負責通信數據計算處理。無線網卡、射頻端口以及天線，可以通過配置參數等手段控制應急通信基站無線發射總功率。

圖2 應急通信基站架構Fig.2 Architecture of emergency communication base station

2.4 G 頻段頻率低，波長大，傳輸性能好，但存在本身頻段帶寬小、易受干擾等情況。相反的是 5G 頻段，自身帶寬大，信道相對純凈，干擾少，信道容量大，但頻段高，傳輸性能差。基于 2.4G 頻段與 5G 頻段的特點，筆者設計的應急通信基站中 2.4G 無線網卡與射頻端口配套全向天線，滿足應急通信基站周圍的無線覆蓋需求；5G 無線網卡與射頻端口配套定向天線，實現應急通信基站的無線中繼功能，形成一條無線傳輸通道。

3 無線覆蓋與中繼同距離設計

根據移動應急通信系統與應急通信基站的架構設計，應急通信基站兩側各有一副 5G 定向天線實現應急通信基站中繼“牽手”，上側有兩幅 2.4G 全向天線實現周圍無線覆蓋。若應急通信基站覆蓋與中繼距離相同，前提條件是保證應急通信基站有效無線覆蓋半徑與中繼有效距離相等。

3.1 發射功率配比研究

電磁波在空間傳播中會產生傳輸損耗，在地面上主要是路徑損耗。在礦井中，電磁波傳輸損耗還受巷道內環境影響。在巷道近區時，電磁波損耗近似于自由空間傳播損耗，可由式 (1) 表示[7]：

式中：Ls為電磁波傳輸損耗，dB；f為電磁波頻率，GHz；d為電磁波傳輸距離，km。

以應急通信基站無線覆蓋 2.4G、5.8G 電磁波頻率為例進行傳輸損耗研究，并針對同距離無線覆蓋與中繼進行了仿真計算。

應急通信基站的有效覆蓋半徑設為r，根據上述分析，實現中繼距離與覆蓋同距離，則每個應急通信基站的有效中繼距離為 2r。圖 3 為采用 Origin 軟件對頻率分別為 2.4G、5.8G Hz 電磁波信號傳輸損耗與覆蓋半徑之間的關系進行了仿真模擬。

圖3 電磁波傳輸損耗與覆蓋半徑之間的關系曲線Fig.3 Relationship curve between electromagnetic wave transmission lossand coverage radius

從圖 3 可以看出，頻率 2.4G 與 5.8G Hz 的傳輸損耗與覆蓋半徑之間關系曲線方向是一致的，并且在覆蓋半徑相同的情況下，中繼頻率 5.8G Hz 的傳輸損耗與無線覆蓋頻率 2.4G Hz 的傳輸損耗差值是固定的。即應急通信基站中繼頻率 5.8G Hz 傳輸距離是無線覆蓋頻率 2.4G Hz 覆蓋半徑的兩倍時，5.8G Hz 的電磁波傳輸損耗會高 13.68 dB。

根據上述分析，5.8G Hz 的電磁波傳輸損耗比 2.4G Hz 高 13.68 dB，可以得出，5.8G Hz 無線中繼天線發射功率是 2.4G Hz 無線覆蓋天線發射功率的 23.34 倍。

應急通信基站在礦井實現無線覆蓋和無線中繼，若在相同距離范圍內正常運行工作，則要求 5.8G Hz 的天線發射總功率與 2.4G Hz 的天線發射總功率之比為 23.34。

3.2 發射功率本安化設計

礦井下通信不同于地面上，通信設備需要本安化設計。在礦井下通信設備發射功率受限，發射總功率不能超過 6 W[10]。應急通信基站有 2 組天線，每組天線包含一副中繼 5G 天線和一副 2.4G 天線，即每組天線總發射功率不超過 3 W。

表1 為應急通信基站在滿足 2 個工作模式 (2.4G 無線覆蓋與 5G 中繼) 同距離且符合本安要求情況下的最大發射功率。由表 1 可知，在滿足本安化發射功率要求以及無線中繼與無線覆蓋相同情況下，各天線發射最大的發射功率分別為 34.59 和 20.90 dBm。在礦井應急救援中，救援人員攜帶救援設備較多，要求應急通信基站覆蓋面積盡量大，以減少攜帶基站數量。對此，針對上述分析的天線最大發射功率，研究了 2.4G Hz 在最大發射功率情況下在巷道近區的無線覆蓋距離。

表1 應急通信基站的最大發射功率Tab.1 Maximum transmission power of emergency communication base station in various working modes

以救援終端設備信號靈敏度較嚴格的標準 -100 dBm 為參考，結合式 (1)，對天線發射功率與傳輸距離之間的關系進行了研究。由圖 4 仿真模擬計算可以得知，2.4G Hz 在天線發射功率為 20.90 dBm 時，傳輸距離為 11.02 km。

圖4 傳輸距離受天線發射功率的影響Fig.4 Influence of antenna transmission power on transmission distance

4 應用效果分析

基于 Mesh 組網技術實現無線覆蓋與中繼同距離的應急通信基站，在礦下巷道多點救援以及再次發生次生災害時能夠提供穩定的通信支撐。

4.1 巷道多點救援

部分井下事故中，在挖掘的巷道中可能存在不止一處需要救援施工的情況，如圖 5 所示。存在A、B、C3 處均需要救援的情況，在A點由于礦用應急通信基站的無線覆蓋與中繼功能，救援人員終端設備接入無線覆蓋信號，并通過基站中繼傳輸實現井上井下數據通信。設計的是覆蓋與中繼同距離的應急通信基站，可以實現在井下巷道中繼長距離傳輸范圍內無線覆蓋也滿足通信需求，所以應急通信系統同時也可以為在B、C2 處救援人員提供通信需求。救援人員在井下巷道中行走或與其他救援點人員協作，均可以通過救援終端接入應急通信基站的無線信號與中繼基站的無線“牽手”，直接實現救援人員信息互通，減少數據上傳井上服務器在返回信息數據過程中產生的額外時延。

圖5 多點救援提供通信支撐示意Fig.5 Sketch of communication support providence at multi-point rescue

4.2 次生災害發生可臨時組建局域網

無線 Mesh 網絡由于具有無線多跳、自組織和強自愈能力，某應急通信基站連接意外中斷，會自動啟動無線自愈鏈路，自動搜尋附近應急通信基站信號并自動連接，保證工作業務不間斷進行，同時后續設備故障恢復后，應急通信基站恢復最優無線覆蓋和中繼狀態。應急通信基站自愈組成局域網如圖 6 所示，在第 1 個應急通信基站與井上指揮中心發生故障，以及第 3 個應急通信基站出現故障時，應急通信基站 2 會自動與應急通信基站 4 建立連接，兩個基站內無線覆蓋內救援終端設備進行信息交換。在井下救援工作中，發生突發情況，產生二次災害，原應急通信中斷，救援人員被困井下，應急通信基站是中繼與無線覆蓋一體的基站，2.4G 覆蓋配套無線是全向天線，能夠盡可能的與救援人員佩戴的救援終端建立連接，5G 中繼頻段與周圍其他鄰近的應急通信基站形成無線中繼，快速組成小局域網，被困人員可以實現信息共享，待后續救援時與組成局域網內的某一個應急通信基站建立連接后，其他被困人員也可實現數據通信。

圖6 應急通信基站自愈組成局域網Fig.6 Local network composed of self-healing emergency communication base station

5 結語

(1) 設計研究了基于無線 Mesh 組網技術的礦用移動應急通信系統，分析了系統架構組成，對核心設備應急通信基站進行了詳細研究。

(2) 分析研究了應急通信基站無線覆蓋與中繼同距離時 2.4G 頻段與 5G 頻段對天線發射功率的要求；研究了在滿足本安化要求的情況下，4G 頻段與 5G 頻段的最大發射功率，并對相應的傳輸距離進行了理論分析計算。

(3) 分析研究了設計的應急通信基站在礦井巷道多點救援中的優勢以及次生災害發生后可快速形成局域網的特性。

(4) 下一步研究目標：①由于無線 Mesh 網絡在 2.4G 頻段和 5G 頻段，存在非授權頻段信道連續占用時間的法規限制和 LBT (Listen before talk) 的固定機制，難以實現低時延的通信，后續在低時延通信技術方面進一步深化研究應急通信基站；② 傳輸損耗模型是基于巷道近區電磁波自由空間傳輸建立，后期結合巷道遠區遮擋損耗等情況，對應急通信基站各工作模式天線發射功率進行優化研究。