4G+5G 融合調度通信網絡在煤礦井下的應用研究

王 航

（山西焦煤西山煤電（集團）有限責任公司， 山西 太原 030053）

0 引言

井下調度通信網絡作為整體生產中最重要的通信方式，對提高生產安全性有著積極的意義[1]。但就當前我國煤礦產業情況而言，很多煤礦在井下網絡信息傳輸方面都存在著數據傳輸量小、傳輸速率低、覆蓋面不全等問題，而5G 技術的出現給煤礦企業解決此些問題提出了新的路徑。其中4G+5G 融合調度通信網絡的建立不僅能夠提高網絡的覆蓋范圍，對智慧礦山的發展也有著積極的推動作用，同時這也是煤礦產業未來發展的必然方向[2]。

1 4G+5G 融合調度通信網絡的優勢

某煤礦井下巷道總體長度已經超出20 km，隨著生產工作的持續推進,井下通信網絡方面的問題也逐漸顯露，其中主要表現為如下方面：通信信號覆蓋范圍不全；信息傳輸速率低下；傳輸量小。

對此，本次通過建立4G+5G 融合調度通信網絡以期解決上述問題。在4G+5G 融合調度通信網絡建立當中，需要實現如下方面內容：5G 無線信號需要全覆蓋井下工作面；4G 無線信號需要全覆蓋井下大巷；降低數據傳輸的延時性，為遠程設備控制提供安全保障。

2 4G+5G 融合調度通信網絡建設方案

本次網絡通信方案設計主要是基于4G+5G 融合通信系統而完成的。在整體設計當中，4G 通信系統主要設置在大巷位置處，主要作為關鍵業務通信方式；而5G 通信系統主要設置在井下工作面當中，主要作為視頻監控信息等大數據量的傳輸方式。在整個融合通信系統的建設過程中，主要包含有設備終端、網絡層以及管理平臺三部分。

在系統的建立過程中，需要融合多接入邊緣計算，通過在分組傳送網（PTN）與井上調度服務平臺之間布置相應的多接入邊緣服務器，以此來實現低延遲、高帶寬的目的。進而調度服務平臺能夠快速、高效地處理監控信息等邊緣計算任務。

3 井下基站的部署

根據對某煤礦的實際分析，在井下基站部署當中主要是通過光纜來實現分組傳送網（PTN）與基帶處理單元（BBU）的連接，之后再利用光纜實現BBU 與射頻拉遠模塊（RRU）的連接。在PTN 與BBU 的連接采用4 芯光纜，BBU 與RRU 的連接采用2 芯光纜。在本次基站部署過程中，所應用的組網形式有星形連接、串形連接和環形連接三種，其中星形連接主要是在井下PTN 與BBU 連接的基礎上，增加多臺RRU 與BBU 相連接；串形連接是井下PTN 與BBU 經過光纜連接，之后一臺RRU 通過光纜與BBU 相連接，并且該臺RRU 利用自身串口和光纜與下一臺RRU 相連接；環形連接指的是井下PTN 通過4 芯光纜與BBU實現連接，之后BBU 通過光纜與1 臺RRU 相連接，并且RRU 通過自身串口和光纜與另一臺RRU 相連接，以此類推，最后一臺RRU 通過光纜與第一臺BBU相連接，進而形成環網保護。

根據對某煤礦實際情況分析，具體基站布置情況如表1 所示。

表1 基站布置情況

4 應用效果分析

4.1 測試設備及測試方式

4.1.1 測試設備

RRU 型號為5235E，功率為5 W；無線終端設備（CPE）；華為mate 40 pro。

4.1.2 測試方式

上/下行時隙配比分別設置為2∶8 和3∶1 兩種，天線增益設置為15 dbi。在綜采面測試過程中，RRU布置在入口處，天線安裝在RRU 上方，測試方式為正向測試；在大巷測試過程中，RRU 布置在監控車當中，天線安裝在監控車頂部，測試方向為正背向測試。

4.2 測試結果分析

4.2.1 掘進機未阻擋情況下綜采區測試

測試所應用終端設備為CPE，掘進機具體位置處于測試區域190 m 外，并未阻擋天線。具體測試結果如圖1、圖2 所示。

圖1 上下行速率圖

圖2 上傳速率與信號接收功率（RSRP）線圖

由圖1、圖2 可知，在信號RSRP 達到-105 dBm時，綜采區工作面覆蓋5G 信號覆蓋邊緣達到151 m，此時上行速率為42 Mbit/s，滿足煤礦生產過程中信號傳輸20 Mbit/s的基礎要求。在5G 信號上行速率為20 Mbit/s時，CPE 與天線距離為174 m。

4.2.2 掘進機阻擋情況下綜采區測試

測試所應用終端設備為華為mate 40 pro，掘進機具體位置處于天線前端，天線被影響并覆蓋。

此時測試將與天線距離105 m 處（RSRP 為-105 dBm）作為5G 信號覆蓋邊緣，在檢測過程中發現上行速度為10 Mbit/s，并未滿足信號傳輸20 Mbit/s的基礎要求。隨著距離的不斷推進，在距離98 m 時上行速度達到20 Mbit/s。

由此可見，設備阻擋在一定程度上會降低信號的覆蓋范圍，對數據信息傳輸速率也有著一定的影響。因此在煤礦井下RRU 的設置當中，為了保障信號的全范圍覆蓋，需要在間隔190～196 m范圍內設置一個RRU。

4.2.3 兩輛車阻擋情況下大巷測試

測試所應用的終端設備為CEP，測試過程中距離天線40 m 處有兩輛（一大一小）運輸車正在作業，具體測試結果如圖3 所示。

圖3 上行速率圖

如圖3 所示，在信號RSRP 達到-105 dBm 時，大巷覆蓋5G 信號覆蓋邊緣達到212 m，此時上行速率為27 Mbit/s，滿足煤礦生產過程中信號傳輸20 Mbit/s的基礎要求。在5G 信號上行速率為20 Mbit/s 時，CPE與天線距離為221 m。

為此，為了保障煤礦信息傳輸速率能夠達到20 Mbit/s，并結合大巷內部車輛作業實際情況，建議天線設置間隔為436～442 m 范圍內。

5 應用經濟效益

由于4G+5G 融合調度通信網絡的建設，因信號傳輸速率較慢導致工作效率低下的問題有了進一步的緩解。西翼集中軌道大巷輔助運輸能力提升27.60%；22122 工作面生產能力提升11.01%；中央1號變電所監控人員數量由6 人減少到4 人，這也有效地降低了人工成本投入，同時由于工作效率和生產產量的提升，企業的經濟效益也得到了巨大的提升，預計每月可以節約32 萬元。

6 結論

1）通過對某煤礦通信系統缺陷分析，提出4G+5G融合調度通信網絡建設的主要目的。

2）根據某煤礦的實際情況建立以設備終端、網絡層以及管理平臺三部分為主的融合調度通信系統。

3）針對某煤礦的現有情況進行網絡基站的部署，以此來實現煤礦網絡的全范圍覆蓋。

4）根據對該煤礦4G+5G 融合調度通信網絡的測試分析發現，在滿足煤礦上行20 Mbit/s 速率要求的情況下，RRU 覆蓋能力為98 m，因此在綜采面RRU的設置間隔需要控制在190～196 m 范圍內；而在大巷內部，天線的覆蓋能力為221 m，因此在大巷天線的設置間隔需要控制在436～442 m 范圍內。并且該煤礦在建設完成4G+5G 融合調度通信網絡后，輔助運輸效率和生產能力也有了巨大的提升，其中運行監控人員有了一定下降，這也是煤礦企業降本增效的急切需求。