基于礦用4G+5G混合組網的無線通信系統應用研究

李軍剛

（山西新景礦煤業有限責任公司 山西省陽泉市 045000）

目前國內外絕大部分煤礦井下通信系統采用Wi-Fi、3G、4G，普遍存在通信帶寬窄、延時高、速率低等缺點，僅能實現語音通訊和少量的視頻通訊，無法實現井下數據的大融合。隨著5G 通信技術的商用與普及，各類新技術、新應用快速發展，已廣泛應用在物聯網、大數據、航天衛星、智能機器人[1-3]等領域。近年來，國家高度重視煤炭等重工業行業向信息化、智能化、自動化等方向轉型升級，不斷推進將5G 技術應用于智慧礦山建設、無人開采、智能作業。

5G 通信技術作為智慧礦山的重要支撐技術，成為學者廣泛研究的熱點方向。文獻[4]針對礦井災后救援場景提出了一種5G 直連礦井應急通信系統架構，實現低延時、高效率的礦井應急通信需求；文獻[5]以煤礦“5G+智慧礦山”為背景，從遠程控制、實時檢測等6 個方面進行詳盡分析，提出一套完整的礦用5G 多頻段融合組網建設方案；文獻[6]基于5G 通信技術，分別研究了井下固定式和移動式可視化監控技術，實現井下視頻的實時監控。文獻[7]詳細分析礦用5G 和基站天線位置對無線傳輸系統的影響，為提高礦井下無線傳輸距離、加強無線通信系統的安全性和可靠性和減少井下組網和基站的維護成本提供理論基礎。

雖然上述研究成果表明5G 技術在煤礦建設中前景可期，但由于5G 基站設備成本高昂，以及部分技術尚未成熟，礦用5G 目前處于初期探索階段[8-9]。礦用4G通信技術具有產品設備性價比高、技術成熟的優勢，能基本滿足大部分煤礦通信需求，使建立4G 與5G 融合系統成為可行方案。其次，現有礦用無線通信系統內部交錯繁雜，缺乏系統統一控制設備，導致系統安全性、可靠性較差，難以應對錯綜復雜的井下環境[10]。綜上所述，本文以山西華陽集團新景礦為例，在5G 井下應用測試結果的基礎上提出井下4G 和5G混合組網的設計思路，設計礦用4G+5G 一網雙芯融合通信系統、礦用4G+5G 隔爆兼本安型基站控制器、礦用4G+5G 本安型信號轉換器，組成礦用5G+4G混合組網的無線通信系統，實現煤礦數據安全，井上井下設備統一控制以及低延時、高可靠的煤礦無線通信。

1 礦井概況與需求分析

華陽集團新景礦井田面積54.321 平方公里，地質儲量8.123 億噸，可采儲量4.821 億噸，均為優質無煙煤，礦井核定生產能力450 萬噸/年。新景礦目前主采3#、8#、9#、15#煤，屬于煤與瓦斯突出礦井，現有18 個部室（工區），39 個隊組，在崗員工5498 人。

新景礦井下現有礦用無線通信系統采用3G 技術，現有在用手機300 多部，但由于無線頻點采用電信和移動的測試頻點，現地面部分該頻點已被移動4G 占用，無法使用。井下頻點雖仍可使用，但井下基站損壞較多，且設備廠家對應產品已停產，無配件可買，導致井下無線通信系統實際已處于癱瘓狀態，急需改進。為貫徹落實《山西省“十三五”戰略性新興產業發展規劃》、《山西省“十三五”工業和信息化發展規劃》，華陽集團新景礦進行5G 井下試點應用測試。通過實地的工業性測試，驗證5G 技術適用于井下上傳數據量大且設備需移動的場景應用，如綜采工作面和掘進工作面等場景，同時發現5G 基站相比4G 基站有無線覆蓋距離短、成本高等缺點。因此，建立礦用5G+4G混合組網的無線通信系統迫在眉睫。

2 礦用5G+4G混合組網的無線通信系統實現方案

2.1 總體方案

礦用5G+4G混合組網的無線通信系統總體方案如圖1所示，該系統由一臺SA 本地核心網、匯聚交換機、移動PTN、地面用廣電轉換器、礦用隔爆兼本安型基站控制器、礦用隔爆兼本安型基站、礦用隔爆型電源、礦用本安型轉換器、礦用本安型終端及輔料等設備組成。

圖1：礦用5G+4G混合組網的無線通信系統總體框架

本地核心網采用獨立組網（SA）架構，用于管理煤礦不出局數據和設備，所有數據保留在煤礦內部服務器；出局數據通過移動PTN 接入運營商核心網，運營商核心網通過5G 切片技術接入井下基站，負責出局數據管理，保障出局數據安全。井下組網采用4G 基站和5G 基站的融合組網模式，兩種基站獨立部署，并實現全礦無線覆蓋。通過礦用隔爆兼本安型基站控制器與兩種基站配合組件井下無線網絡。井下礦用本安型終端和礦用本安型轉換器同時支持4G 和5G 信號，實現井下人員調度、設備互聯和數據上傳等功能。

2.2 礦用4G+5G一網雙芯融合通信系統

根據華陽集團新景礦井的現場實際勘察結果，采用礦用4G+5G 一網雙芯融合通信系統，在解決現實需求的同時，結合了4G 技術低成本、高覆蓋和5G 技術低延時、大帶寬的優勢，在新技術應用和成本之間取得了較好的平衡。該系統采用統一的IP 系統架構，支持多種已經標準化的接口，具有高兼容性、大帶寬、安全可靠等特性。其中在井下輔助運輸巷、皮帶巷等數據量上傳不大的應用場景建設4G 基站，保障井下人員調度、巡檢、設備數據上傳的需求；在掘進工作面、綜采工作面等對移動帶寬有較高要求的場景采用5G 基站覆蓋，滿足綜采工作面無線視頻監控、采煤機、刮板機、運輸機等設備數據的采集和無線上傳和遠程控制的需求，保障自動化綜采工作面設備數據的實時上傳和遠程控制。經實際測試，4G 單基站無線覆蓋直徑達1200 米，在同等環境下5G 基站覆蓋直徑為400 米。

由煤礦5G 通信系統安標檢驗方案（試行）的規定，礦用5G 通信系統網采用SA 組網方式，將本地5G 核心網與運營商5G 核心網相結合，設計5G 一網雙芯組網方案。SA 組網方式是完全獨立的5G 網絡架構，支持5G 網絡的所有新功能和新特性，具有較高的靈活性和安全性。在礦上布置SA 組網的本地5G 核心網，管理井下基站控制器和基站，負責煤礦不出局數據和設備管理；對外數據采用運營商SA 核心網，利用5G 切片技術共享井下基站控制器和基站，負責出局數據的專網切片管理，一張網兩套核心網分開管理，保障出局數據的安全。在運營商核心網掉線情況下不影響本地核心網的運行，煤礦本地業務數據流只到企業5G 核心網，本地數據不出局，不上公網，保證了本地數據的安全。兩種核心網同時支持4G 基站和5G 基站。

5G 礦用隔爆兼本安型基站是井下5G 無線網絡覆蓋的主要設備，我們采用華為RRU5235E 型5G 基站，實現基站信號和射頻信號的調制解調、數據處理、合/分路等功能，完成5G 無線信號的覆蓋。由于華為RRU5235E5G 天線單通道輸出功率為15W，不符合安標規定，為此我們在華為RRU5235E 型5G 基站的基礎上增加限幅隔離模塊如圖2(a)所示。限幅隔離模塊電路圖如圖2(b)所示主要實現兩個功能：

圖2

（1）從硬件上將華為RRU5235E 基站天線輸出的15W 功率通過硬衰減的方式衰減到1W；

（2）使無線信號只能輸出，不能輸入，達到隔離效果，并經過1500V 耐壓測試，不能擊穿。經實驗測試，我們的新型華為RRU5235E 符合安標要求。

2.3 礦用4G+5G隔爆兼本安型基站控制器

為實現井上核心網和井下防爆基站的控制管理，設計礦用隔爆兼本安型基站控制器作為基站的控制和管理單元，如圖所示。礦用隔爆兼本安型基站控制器同時具備4G 和5G 基站的管理和組網功能，對上支持本地核心網和運營商核心網的云端管理，對下配合兩種基站組建4G 和5G 無線網絡實現井下4G 和5G 無線網絡融合覆蓋。并支持在井下接入環網，為地面調度中心提示監控數據，實現人員、設備實時調控。

礦用隔爆兼本安型基站控制器主要功能有：

（1）提供基站與核心網連接的物理接口，處理相關傳輸協議；

（2）提供與基站通信的CPRI 接口，完成上下行基帶信號處理；

（3）集中管理整個基站系統，包括操作維護和信令處理；

（4）提供與LMT（LocalMaintenanceTerminal）的維護通道；

（5）提供時鐘接口、告警監控接口、USB 接口等。

2.4 礦用4G+5G本安型信號轉換器

礦用本安型信號轉換器是為煤礦井下惡劣環境專門設計的數據接入本安型設備，是煤礦5G 無線通信系統實現井下設備數據上傳的關鍵設備，是礦用工業級無線數據采集終端，也是實現井下各系統分布式接入融合的支撐設備。在實現井下設備數據無線接入、無線控制、自動化控制當中起到設備與設備之間、人與設備之間的連接作用。經市場調研和實驗測試，我們采用華為5G 工業模組MH5000 作為礦用本安型轉換器的核心組件，礦用本安型信號轉換器如圖3所示。5G 工業模組MH5000 支持高速數據傳輸，支持5G 全網通、4G、Wi-Fi 等無線網絡接入方式，集成有實時以太網、CAN、485 等工業現場總線，兼容主流的工業協議。同時具有高速率、低時延和耐高溫的特性，而且具備面向網絡的演進能力，保護設備投資，適用于煤礦井下各種復雜的應用場景。

圖3：礦用本安型信號轉換器

礦用本安型信號轉換器主要功能有：

（1）具備有線和無線互轉功能；

（2）支持4G 和5G 無線信號入網功能；

（3）具有固定IP 地址、透明數據傳輸和路由功能，實現IP 設備的數據接入和回傳；

（4）具有Wi-Fi、RJ45/RS485 等接口；

（5）為用戶提供安全、可靠、方便、靈活的無線數據連接，具有高速無線傳輸，豐富的專業接口，滿足多種主流的數據接入需求。

3 結語

本文以華陽集團新景礦為例，通過結合當前技術背景，分析新景礦具體應用需求，介紹了新景礦礦用5G+4G混合組網的無線通信系統實現方案。通過設計礦用4G+5G 一網雙芯融合通信系統，保證煤礦數據安全，充分發揮4G 和5G 各自優勢；通過設計礦用4G+5G 隔爆兼本安型基站控制器，實現井上核心網和井下防爆基站的統一控制管理，提高系統的穩定性和安全性；通過設計礦用4G+5G 本安型信號轉換器，實現設備數據的有線和無線互轉功能，加強復雜惡劣環境下的數據傳輸能力。該組網方式能夠滿足智能化、多樣化煤礦建設需求，有較好的應用前景。