《工矿自动化》“煤矿5G通信技术” | 虚拟专题

来源：工矿自动化

5G通信技术具有大带宽、高可靠、多连接、低时延等优点，满足智能煤矿建设对传输带宽、时延、可靠性等方面的通信要求，已用于煤矿视频监视、数据采集、语音通信、采掘工作面远程控制等，是煤矿智能化的基础。本刊整理了近期发表的煤矿5G通信技术代表性文章，以期促进同行交流。

行业视野: 工矿自动化
类别; 73个
关键词; 30位
专家; 12篇
论文; 2448IP
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煤矿用5G关键技术研究现状与发展方向

作者(Author)：李晨鑫

摘要：结合现阶段煤矿用5G研究成果和应用实践经验，从煤矿用5G专网组网架构、覆盖优化、智能化应用场景构建3个方面分析了煤矿用5G关键技术研究现状与发展方向。煤矿用5G专网组网方面：煤炭集团级大规模组网和矿井独立专网2类模式可满足煤矿用5G系统建设部署需求。煤矿用5G无线覆盖增强方面：煤矿用5G无线传输性能需要持续研究和提升，现阶段宜采用低频段（1 GHz以下）多载波SUL（补充上行链路）进行煤矿用5G的覆盖优化；针对井下无线电波防爆安全功率阈值可能实现的突破和提高，需要通过同步提升煤矿用5G基站与终端两侧的无线发射功率，方可实现煤矿用5G系统整体覆盖能力优化；需要开展基于6G RIS（可重构智能超表面）的煤矿用5G覆盖增强技术预研，为无线覆盖能力提升提供进一步支撑。煤矿智能化5G应用场景构建方面：需要开展矿用装备与矿用通信领域的联合技术攻关；研究基于煤矿用5G的装备远程控制及未来装备自主群体协同控制的信息物理映射；研究智能化应用的预期功能安全机制；研发小型化、轻量化及全面适配现场设备工业控制协议的煤矿用5G模组。

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2024年第07期

484

23
基于5G+UWB和惯导技术的井下人员定位系统

作者(Author)：李明锋, 李䶮, 刘用, 吴学松, 徐继盛, 常建明, 王涛, 潘红光

摘要：针对煤矿井下人员定位系统在实际应用中存在因设备算力与存储资源不足导致无法使用复杂测距与定位算法，定位数据即时传输与响应性能不足，在系统部署方面人力物力损耗较大等问题，提出了一种基于5G+UWB和惯导技术的井下人员定位系统。在末端部署能耗低、抗干扰性强的UWB定位基站，定位基站与5G基站以级联的方式连接，定位基站采集UWB与惯导数据，利用5G网络回传至计算平台，在计算平台上完成定位信息的解算和存储。将基于惯导的人员位置估计作为预测值，将基于UWB的三边定位算法获取的人员位置估计作为观测值，利用卡尔曼滤波器将预测值和观测值进行融合，降低定位误差。在煤矿主体实验基地搭建测试系统，模拟真实煤矿井下环境并进行对比实验。结果表明：① 在x轴和y轴，融合惯导的卡尔曼滤波算法得出的位置信息和真实位置信息的重合度最高，说明融合惯导的卡尔曼滤波算法得出的位置信息最接近真实位置,平均误差为22.192 cm。② 5G+UWB和惯导技术组合的井下人员定位系统的位置信息和真实位置信息的重合度最高，误差为[15 cm，20 cm]，x轴最大平均误差为26 cm，y轴最大平均误差为24 cm，超过目前大多数井下人员定位系统精度。

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2024年第01期

131

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矿用5G智能终端数据交互和共享规范研究

作者(Author)：蔡峰, 王陈书略, 乔梁, 包晓波, 张冬阳

摘要：5G技术是实现矿山智能化建设的基础，针对不同厂商之间的矿用5G智能终端与管控平台很难实现互通的问题，需要统一和规范5G系统中的数据交互和共享流程。给出了“5G+智能矿山”的部署架构，即矿用5G智能终端通过井上下5G基站、交换机和5G核心网，与包含管控平台的服务器实现数据交互和共享。介绍了矿用5G系统中传输的消息类型、消息传输格式、消息组成和消息连接方式等。针对矿山领域的具体应用场景，将矿用5G系统中的数据分成语音数据、视频数据、传感数据和控制类数据等，并给出了矿用5G智能终端在不同应用场景下传输的数据类型。分析了矿用5G智能终端及管控平台应具备的能够满足数据交互的基本传输能力，指出矿用5G智能终端与管控平台数据交互时的流程包括设备信息查询与上报、设备升级、日志采集、告警下发及处理和平台配置下发及处理等。给出了矿用5G智能终端数据共享的参与实体、安全等级和流程（包括数据的汇聚、申请、授权、提供和反馈）。通过实施标准化流程，在保证通信可靠性的同时，简化了“5G+智能矿山”系统架构下的数据交互和共享流程，以加速矿山智能化建设。

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2023年第09期

123

71
基于5G的矿用装备远程控制技术研究

作者(Author)：李晨鑫

摘要：矿用5G为智能矿山建设提供了高速信息传输通道，基于5G的矿用装备远程控制应用是实现少人化、无人化矿井生产的关键手段。分析了矿用4G、WiFi6应用于矿用装备远程控制中的不足，指出5G技术是实现矿用装备远程控制的必要支撑手段。运用信息物理系统架构研究方法构建了基于5G的矿用装备远程控制应用系统参考架构。以5G+采煤机远程控制为例，研究了5G传输链路的关键技术，梳理了监视监测数据与远程控制数据的信息流。当前5G网络为层三通信方式，而矿用装备远程控制的控制系统与受控设备之间需要进行点对点层二通信，针对该问题，研究了层二隧道构建方法和5G LAN技术，建立了远程控制信息传输的稳定通道。针对现场监视数据的大带宽传输需求与远程控制数据的低时延传输需求，提出了资源预调度与请求调度灵活适配的空口资源分配机制。现场测试结果表明：通过层二隧道共传输数据包13 328个，未出现丢包或接收不成功的现象；端到端时延为11.5～23.8 ms，能够满足矿用装备远程控制的传输需求；RSRP（参考信号接收功率）分布在−93～−53 dB·m之间，SINR（信号与干扰加噪声比）分布在10～38 dB之间，无线覆盖情况良好。矿用5G无线通信系统的可靠性、端到端时延及无线覆盖情况能够满足采煤机远程控制的传输需求。

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2023年第09期

160

117
煤矿用5G通信系统标准研究制定

作者(Author)：孙继平

摘要：为满足煤矿远程监控、视频监视、数据采集、语音通信等需求，煤矿用5G通信系统应具有下列功能：① 远程控制、监控、定位、监视和语音等不同业务承载功能。② 采煤机、掘进机、电铲、挖掘机、无轨胶轮车及电机车等远程控制功能。③ 矿用运输车辆应急远程接管功能。④ 摄像机音视频的远程实时传输功能。⑤ 监控设备、传感器、车辆辅助驾驶等数据采集功能。⑥ 语音通话功能，支持矿用融合调度系统。⑦ 端到端切片功能，满足远程控制、监控、视频和语音等差异化的业务性能要求，提供对应的端到端切片资源。⑧ 支持SA组网方式，支持5G NR的通信制式。⑨ 支持5G LAN以太网通信。⑩ 应急惯性运行功能，当矿区专网与通信运营商公用网络失联时，本地业务可持续在线作业。⑪ 设备级冗余保护功能，当单个物理端口故障时，数据业务不中断。⑫ 核心网双设备冗余保护功能，当主设备故障时，切换备用设备继续提供服务。⑬ 核心网控制面传输机密性和完整性保护功能，保证核心网控制面的安全。⑭ 终端认证、检查和限制接入系统非授权终端的功能，支持煤矿企业安全服务器对终端的认证。⑮ 防止终端攻击系统和合法终端功能。⑯ 核心网、传输设备、基站控制器、基站和终端集成一体化管理的功能。⑰ 网络性能和业务服务性能集中监控功能。⑱ 异常可视告警与故障定位功能。⑲ 矿用5G网络资源评估功能，当煤矿增加新业务或更多终端接入5G网络时，应能评估5G网络资源利用率，并给出是否可上新业务的报告。⑳ 备用电源。煤矿用5G通信系统的主要技术指标应满足下列要求：① 上行速率为20 Mbit/s，无线工作频段为700～900 MHz时，井工煤矿的基站无线覆盖半径（无遮挡）≥500 m；无线工作频段为其他工作频段时，井工煤矿的基站无线覆盖半径（无遮挡）≥150 m。当上行速率为30 Mbit/s时，露天煤矿的基站无线覆盖半径（无遮挡）≥400 m。② 基站到基站控制器的有线传输距离≥10 km。③ 系统最大接入终端数量≥20 000个。④ 井工煤矿的基站和终端无线发射功率≤6 W；露天煤矿的基站发射功率≤320 W；露天煤矿的终端无线发射功率≤6 W。⑤ 基站无线接收灵敏度≤−95 dBm；终端无线接收灵敏度≤−85 dBm。⑥ 无线工作频率应在700 MHz、800 MHz、900 MHz、1.9/2.1GHz、2.6 GHz、3.3 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz、6 GHz等频段中选取（井工煤矿优选700～900 MHz）。⑦ 在制式为TDD、帧结构为1D3U1S时，基站接入的多用户的上行平均吞吐率≥600 Mbit/s，下行平均吞吐率≥250 Mbit/s。⑧ 对于井工煤矿，在1 Mbit/s和20 Mbit/s上行业务运行时，系统平均时延应小于20 ms，且端到端时延稳定性应小于100 ms的概率不低于99.99%；对于露天煤矿，在1 Mbit/s和30 Mbit/s上行业务运行时，系统平均时延应小于20 ms，且端到端时延稳定性应小于100 ms的概率不低于99.9%。⑨ 单用户的丢包率≤0.01%。⑩ 单用户从基站A小区切换到基站B小区的切换时延≤100 ms。⑪ 移动台蓄电池连续工作时间应不小于11 h，其中，通话时间应不小于2 h。⑫ 在电网停电后，备用电源向基站、基站控制器及传输设备连续供电时间≥4 h。

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2023年第08期

212

89
矿用5G网络切片技术研究

作者(Author)：孟庆勇, 姜玉峰, 李晨鑫, 张立亚

摘要：网络切片是5G网络的一项重要技术，现有矿用5G研究主要集中于系统架构及应用场景，缺乏对切片技术具体实现方案的研究。针对该问题，通过分析矿用5G网络的基本结构及智能矿山的应用需求，提出利用FlexE的通道化功能实现传输网的资源分配及业务隔离，从而在同一网络基础设施上构建多个按需定制的专用逻辑网络，即网络切片。根据当前矿用信息通信系统及智能矿山应用情况，提出矿用5G网络基础切片划分+基于带宽权重的传输资源分配方法，将网络划分为低时延业务、大带宽业务、工业环网业务、特定业务（无人化协同控制）及预留业务5类切片，并通过进一步的虚拟专用网(VPN)划分方法，设计差异化的带宽权重，以确保充足的传输资源，避免信道拥塞。根据不同业务对时延、带宽的要求，定义具体的5G QoS标志符（5QI），并根据5QI进行业务映射及隔离，为各类业务提供所需的服务级别。在实验室条件下，对矿用5G网络系统的业务调度时间和端到端时延2项指标进行测试，结果表明：网络切片与传统的尽力而为服务模型相比，能够实现更加高效的业务调度，在高负载的场景下，平均调度时间减少了10.9%；在同一业务切片内，矿用5G网络的平均端到端时延为10.33 ms，为无人化协同控制等业务的实施提供了必要条件。

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2023年第06期

196

112
半波振子结构在井下5G辐射场中的安全性分析

作者(Author)：田子建, 降滉舟, 常琳, 刘斌, 王文清

摘要：GB 3836.1−2021《爆炸性环境第1部分设备通用要求》规定，爆炸性环境中射频设备的射频阈功率不得大于6 W，该规定引自欧盟标准，缺乏试验验证，严重制约了5G技术在煤井下的应用。为了重新评价矿井5G通信设备辐射电磁波能量的安全性，分析得出金属结构耦合电磁波产生放电的形式应为低压分断电路电弧放电；分析了金属结构耦合电磁波产生的放电能量，选择最易耦合电磁波的半波振子结构为研究对象，通过比较得出等效半波振子等价直流放电电路产生的放电能量大于等价高频放电电路产生的放电能量，从而将分析金属结构耦合电磁波放电的安全性转换为分析金属结构的等效半波振子天线等价直流放电电路的安全性。选择直流本安电路的安全性判别原则来判断等效半波振子等价直流放电电路的安全性，通过计算放电功率和能量，得出5G射频设备辐射功率不大于10.5 W时，将不会点燃爆炸性的瓦斯气体，因此，可将5G通信系统射频基站的安全辐射功率提高到10.5 W。

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2023年第06期

231

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基于5G C-RAN技术的数字化矿山全光网研究

作者(Author)：申雪, 刘吉超, 李龙飞

摘要：建设数字化矿山的首要问题之一是构建一张低时延、大带宽、高可靠的高品质信息网络，WiFi、4G等传统无线通信技术已无法满足矿山数字化转型的新需求。从数字化矿山对通信网络的需求出发，研究了5G技术在井下矿山应用的必要性和部署难点，指出基于集中式无线接入网（C-RAN）的井下5G组网方案可有效降低5G网络在井下的部署要求和难度，但须解决光纤资源消耗大、“哑资源”故障管理难2个问题。提出了基于5G C-RAN技术的数字化矿山全光网系统，从C-RAN接入网、高速全光网、智能管控平台3个层面阐述了系统架构，并研究了半有源光网络架构、低成本波分复用（WDM）高速传输、智能管控平台等关键技术。该系统采用直检WDM技术节省光纤资源，可将光纤使用数量减少91.67%，同时基于半有源架构、调顶操作维护管理（OAM）技术实现对光纤网络的低成本管控和灵活部署，破解井下巷道光纤资源紧张和光纤网络管理难题。实验结果表明：12个不同波长WDM光模块的发送光功率为3.5～5.2 dBm，接收灵敏度为-16.9～-19.0 dBm，链路预算能力可达21 dB以上，满足应用要求；消光比为4.7～5.1 dB，眼图裕量大于17.5%，表明了较高的信号质量；在低温-40℃和高温85℃下，WDM光模块发送光功率、接收灵敏度均存在一定性能劣化，但仍然能够满足10 km传输需求。现场应用结果表明，12个不同波长WDM光模块的发送光功率为3.7～5.6 dBm，接收灵敏度为-17.9～-16.3 dBm，其中最差通道的链路预算能力仍在20.2 dB以上，满足应用要求。

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2023年第03期

125

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