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煤礦井下5G覆蓋數據分析

——巷道內單站可覆蓋400-500米；綜采面單站覆蓋超過(guò)180米

華為技術(shù)有限公司  段建國

中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì )  張建明

2020年是5GtoB的元年，也是5G在煤礦應用的元年。2020年6月17號，安標國家中心發(fā)布了《煤礦5G通信系統安全技術(shù)要求（試行）》和《煤礦5G通信系統安全標志管理方案（試行）》，5G作為新一代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)深入煤礦井下有了規范可循。截止到2020年底，5G煤礦項目已超過(guò)50個(gè)。在所有行業(yè)應用中，煤礦成為5G專(zhuān)網(wǎng)部署最多的行業(yè)。

為支撐煤礦井下的網(wǎng)絡(luò )部署和規劃，礦山企業(yè)、運營(yíng)商和設備廠(chǎng)家在不同場(chǎng)景進(jìn)行了多次5G覆蓋能力的測試。從多個(gè)煤礦的測試數據看，按照上行速率20Mbps為小區邊緣，巷道內單站可覆蓋400-500米；綜采面單站覆蓋超過(guò)180米。

1、新元煤礦井下測試

在山西華陽(yáng)新材料集團新元煤礦的測試中，部署2.6GHz四通道皮站，單通道發(fā)射功率21.7dBm(150mW)，開(kāi)啟上下行時(shí)隙翻轉功能（時(shí)隙配比DL:UL= 1:3），井下采用錯頻組網(wǎng)方案，即相鄰基站各開(kāi)80MHz帶寬的載波。

在綜采面覆蓋能力測試過(guò)程中，采煤機距離天線(xiàn)90米左右，過(guò)了采煤機位置，由于遮擋，信號快速衰減。在距離天線(xiàn)108米位置，上行速率24Mbps左右波動(dòng)。  

在輔運巷道的測試過(guò)程中，在距離天線(xiàn)330米處地形變化較大，信號快速衰減，在390米處，上行速率在20Mbps左右波動(dòng)。

2、龐龐塔礦井下測試

山西焦煤龐龐塔礦，部署3.5GHz頻段的四通道的皮站設備，每?jì)赏ǖ澜右桓碧炀€(xiàn)，兩個(gè)天線(xiàn)背靠背，每通道輸出功率250mW，開(kāi)啟100MHz載波。分別在行人斜井和綜采工作面進(jìn)行了覆蓋測試。

行人斜井測試中，在距離天線(xiàn)200米處，上傳速率33.2Mbps；在250米處，上傳速率下降到15.5Mbps左右。單站覆蓋半徑大于200米。

在綜采工作面，把基站安裝在工作面兩側，向綜采工作面的中間進(jìn)行覆蓋，基站天線(xiàn)吊掛在液壓頂板之下。在距離天線(xiàn)180米處，上行速率約30.1Mbps。

3、井下測試分析 

以上測試中5G輸出功率都考慮了天線(xiàn)增益和多通道疊加，總功率不超過(guò)6W。從上述兩個(gè)煤礦測試的數據可以看出，不論是2.6GHz，還是3.5GHz的5G設備，在巷道都可以按照最大400-500米站間距去布置；在綜采工作面采用兩側安裝5G基站往中間對打的方式，也可以保障貫穿350米的寬度；這兩種場(chǎng)景下都能保證20-30Mbps的上行帶寬速率。目前進(jìn)行5G煤礦井下測試數據還非常有限，井工煤礦地形地勢復雜，不同的場(chǎng)景5G的覆蓋能力還需要實(shí)地勘測和驗證。 

礦井5G應用為什么要強調上行邊緣速率呢？答案是業(yè)務(wù)需求。

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的覆蓋，是基于業(yè)務(wù)需求規劃的。那么，5G在礦井下能做哪些業(yè)務(wù)？根據2020年10月份發(fā)布的《5G+煤礦智能化白皮書(shū)》，井下業(yè)務(wù)大概可以分為信息采集類(lèi)、視頻監控類(lèi)、通信類(lèi)和遠程控制類(lèi)。信息采集類(lèi)業(yè)務(wù)以上行小包業(yè)務(wù)為主，時(shí)延不敏感；視頻監控類(lèi)對網(wǎng)絡(luò )需求是上行大帶寬，以4K攝像頭為例帶寬需求約15-20Mbps，時(shí)延敏感度中等；人員通信類(lèi)業(yè)務(wù)，對網(wǎng)絡(luò )上行和下行要求相同，如果是視頻通話(huà)，網(wǎng)絡(luò )需求約4-8Mbps；遠程控制類(lèi)業(yè)務(wù)，對網(wǎng)絡(luò )要求上行大帶寬，下行低時(shí)延，上行鏈路回傳現場(chǎng)的視頻或者雷達等傳感器數據，依據回傳的視頻分辨率、畫(huà)面數量等，帶寬需求20-30Mbps左右，下行鏈路傳輸設備控制信號，帶寬要求不大，但對時(shí)延敏感度高，一般要求時(shí)延小于50毫秒，如果是膠輪車(chē)等車(chē)輛遠控，時(shí)延進(jìn)一步下降到20ms。業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò )需求匯總如下：

綜合分析可知，礦井中業(yè)務(wù)對上行帶寬需求遠遠大于下行，因此需要以上行業(yè)務(wù)需求定義網(wǎng)絡(luò )覆蓋的邊緣。為了滿(mǎn)足對網(wǎng)絡(luò )帶寬要求較高的視頻類(lèi)業(yè)務(wù)，井下5G小區邊緣定義為上行速率20Mbps是合適的，即在網(wǎng)絡(luò )邊緣滿(mǎn)足至少1路4K視頻的回傳。 

基于業(yè)務(wù)需求，再結合具體礦井場(chǎng)景，井下5G網(wǎng)絡(luò )的規劃可以簡(jiǎn)單分成兩大類(lèi)，即：覆蓋受限場(chǎng)景和容量受限場(chǎng)景。

覆蓋受限的典型場(chǎng)景，如輔助運輸巷、主運巷，這類(lèi)區域5G主要完成視頻監控、移動(dòng)設備數據回傳、通信等業(yè)務(wù)，設備較少，業(yè)務(wù)量不大。這種場(chǎng)景下，在邊緣速率滿(mǎn)足業(yè)務(wù)要求的情況下，站點(diǎn)覆蓋越遠越好，站間距可以盡量拉大，降低網(wǎng)絡(luò )部署成本。

巷道內，影響覆蓋距離的主要因素有地形地勢的起伏、拐彎、設備的遮擋，如風(fēng)門(mén)等；另外，受限于基站安裝位置和天面的位置，連接射頻設備和天線(xiàn)的饋線(xiàn)長(cháng)度也會(huì )影響空口發(fā)射功率，饋線(xiàn)越長(cháng)，射頻輸出損耗越大，空口輸出實(shí)際功率越小，覆蓋距離越小。

容量受限的典型場(chǎng)景是綜采工作面。設備多、需回傳的視頻信號多，網(wǎng)絡(luò )規劃時(shí)需要優(yōu)先考慮容量需求。以一個(gè)300米長(cháng)的綜采工作面為例，大概需要170個(gè)液壓支架，如果每3個(gè)支架部署一個(gè)2K或者4K攝像儀，那么上行總容量需求約500M~1Gbps。

針對網(wǎng)絡(luò )容量需求，在井下可以開(kāi)啟千兆上行方案，即前文提到的時(shí)隙翻轉，讓5G NR的無(wú)線(xiàn)資源配置，上行多，下行少，滿(mǎn)足上行的大容量需求。運營(yíng)商如果把5G載波全部開(kāi)啟，千兆上行方案可以提供1Gbps以上的峰值速率；如果仍然不能滿(mǎn)足，就要加密站點(diǎn)。但在綜采工作面這種幾百米長(cháng)的區域內部署多個(gè)站點(diǎn)，就需要更好地解決站間同頻干擾問(wèn)題，比如采用D-MIMO方案或者錯頻組網(wǎng)等。 

5G井下覆蓋能力是煤礦5G建設的基礎。煤礦井下地勢復雜，無(wú)線(xiàn)信道建模尚需不斷完善，井下5G能力覆蓋仍需更多的測試數據，以支撐后續礦井5G網(wǎng)絡(luò )科學(xué)合理和精細化的規劃和建設。網(wǎng)絡(luò )是基礎，業(yè)務(wù)是關(guān)鍵，下一步還需聯(lián)合更多的行業(yè)伙伴催熟基于5G網(wǎng)絡(luò )的業(yè)務(wù)，才能充分發(fā)揮5G的價(jià)值。經(jīng)過(guò)近一年的探索，5G已經(jīng)成功應用于視頻監控、移動(dòng)巡檢、調度等信息化類(lèi)業(yè)務(wù)；2021年將繼續探索設備遠控等有助于減人少人的核心業(yè)務(wù)。同時(shí)礦山企業(yè)、礦山設備企業(yè)、運營(yíng)商和5G設備廠(chǎng)家還需要加強合作，進(jìn)一步豐富行業(yè)終端，培養5G應用跨界人才，完善5G行業(yè)標準，以形成標準化復制模式。

5G豐富了智能化煤礦建設的技術(shù)選擇。5G系統端到端地考慮了行業(yè)的需求：1）切片是5G的原生技術(shù)，可以支持井下多套系統的業(yè)務(wù)隔離，同時(shí)實(shí)現多網(wǎng)、多系統的融合；2）5G的低時(shí)延能力，可以支持設備遠控業(yè)務(wù)，把工人從最危險的工作環(huán)境中替換出來(lái)，目前已在港口輪胎吊遠控、鋼鐵廠(chǎng)天車(chē)遠控、金屬礦礦車(chē)遠控等得到充分驗證和部署，相信不久也會(huì )應用在煤礦井下設備的遠控上；3）5G的大帶寬技術(shù)，千兆上行方案等，可以滿(mǎn)足海量超大上行帶寬的需求；4）利用運營(yíng)商公網(wǎng)構建的行業(yè)專(zhuān)網(wǎng)，可以充分發(fā)揮運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )的運維能力，提供穩定可靠的電信級保障。

5G是推動(dòng)煤炭工業(yè)與人工智能、大數據、云計算等先進(jìn)ICT技術(shù)深度融合的助推器，對于改變傳統的煤炭生產(chǎn)模式和煤炭工業(yè)形象，提升礦工的幸福感和獲得感，促進(jìn)能源革命具有著(zhù)非常重要的意義。相信隨著(zhù)廣大煤炭企業(yè)、設備產(chǎn)商、運營(yíng)商和技術(shù)服務(wù)商等的共同持續努力，5G必將成為煤礦數字基礎設施建設的核心內容，有力促進(jìn)煤炭行業(yè)的轉型升級和高質(zhì)量發(fā)展。