杨国伟
（煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013）
摘要：通过分析5G技术的性能特点与矿井无线通信系统的要求，提出了5G技术将来在矿井下应用的研究方向，为未来5G技术在矿井下全面应用提供一些有效的思路支撑。第五代移动通信技术是最新的移动通信技术，是以往移动通信技术的拓展，综合性能目标为超高传输速率、超低延时、超高资源利用率以及万物互联的超大容量。
关键词：5G技术；煤矿井下；无线技术；通信
Application Direction of 5G Technology in Mine Wireless Communication
YANG Guowei
（Coal Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100013，China）
Abstract：Based on the analysis of the performance characteristics of 5G technology and the requirements of mine wireless communication system，this paper puts forward the research direction of 5G technology's application in the mine in the future，so as to provide some effective thinking support for the comprehensive application of 5G technology in the mine in the future.The 5th generation mobile communication technology is the latest mobile communication technology and an extension of previous mobile communication technologies.Its comprehensive performance targets are ultra-high transmission rate，ultra-low latency，ultra-high resource utilization rate and ultra-large capacity of the Internet of everything.
Keywords：5G technology；underground coal mine；wireless technology；communication
0 引 言
煤矿井下工作环境存在易燃、易爆的惰性瓦斯气体，井下广电无线通信受光波发射功率、防爆要求及本安参数等影响，与其他地面无线通信有许多的不同之处，地面已经应用非常成熟的通信设备不能直接有效地应用到煤炭生产矿井下。当下极力推广的5G通信技术具备低能耗、大连接、连续高速广域网络覆盖、热点数据容量大以及低延时高可靠等5大特点，完全符合我国现代智慧煤矿的基础部署要求。相比当下的WiFi、3G以及4G等无线通信，5G技术在传输速度及时延方面具有巨大提升，理论传输速率（峰值）可以达到10 Gb/s，无线网络往返时延小于1 ms，单体用户体验速率为100 Mb/s。未来将5G技术应用于井下，极有可能实现煤矿井下无人开采，降低煤矿重特大事故人员死亡率。本文通过探讨研究5G技术在矿井无线通信的实际应用，为矿井无线通信系统的发展带来一些新思路。
1 5G技术
第五代移动通信技术也称5G技术，是未来几年内高速发展的新一代移动通信技术[1]。5G发展的驱动具有两方面。一是4G技术已经相当成熟，并全面工业和商业化，但资源利用率不高的缺点已难以适应当下的发展规划。二是万物互联移动数据需求井喷式增长，当下的WiFi、3G以及4G等无线通信技术已无法满足未来万物互联得发展需要[2]。随着世界上移动互联网的发展，越来越多的设备连接到移动网络，并且新的服务和新的应用正在一个接一个地发展，不断增长的移动数据流量将给网络带来严重的问题[3]。为了满足上述要求和挑战并满足日益增长的通信需求，迫切需要改进新一代5G通信技术，国际电信联盟（International Telecommunication U-nion，ITU）结合相关国家得现状和研发状况最终确定了5G的几大应用场景和相关技术指标[[4,5]。几大应用场景和相关技术要求如图1所示。
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图1 几大应用场景和相关技术要求
和当前商用较好的4G技术相比5G通信技术主要具备如下特点。一是流量密度大提升，研究的超密集组网关键技术使得5G的流量密度达到10 Tb/（s km2），相比以往的4G提高百倍以上。二是单位面积连接数密度拓展，高效使用空间，研究MIMO多入多出天线技术，通过百根或上千根天线规模波束梳形实现更多用户的空间分集和空间复用，极大地提升单位面积的连接数量，5G的连接密度达到1×106/km2。三是空口传输时延缩短，研究新型低密度校验算法及高效的信道编码D2D技术算法等，5G的空口时延只有4G的1/10，在1 ms左右。四是移动速度匹配性增强，5G移动性最高可达500 km/h，可以完全满足在特高速的环境下享受高速上网体验，同时满足无人驾驶的实际应用需求。五是网络耗能效率长足提升，研究新型的基带及射频技术及高效的管理系统，5G的网络能耗相对4G提升100倍以上，完全符合当下万物互联物物相连的发展规划，实现真正意义上的大连接。六是单位时间传输速率超快，5G技术通过研究规模阵列性天线结构超高精度的波束赋形及超密集网络组织等算法技术，在密集性环境的忙时段，传输速度相对以往4G技术提高1 000倍，用户体验速率为0.1～1 Gb/s。七是频谱使用效率有效提升，研究MIMO天线技术，通过百根或上千根天线规模波束梳形实现更多用户的空间分集和空间复用，通过实时调换算法切片技术，高效地利用超高频频谱资源，5G技术相对4G技术而言频谱利用率调高3～5倍。八是优环境下传输峰值较高，实验数据显示在较良好的实验环境下，5G的最高峰值为10 Gb/s，相对于传统4G提高了1 000倍以上。九是超高可靠性，研究超低密度校验算法确保5G在特殊恶劣的环境下有效数据可靠传输。十是D2D通信，5G网络中，网络容量和频谱效率需要进一步提升，更丰富的通信模式以及更好的终端用户体验也是5G的演进方向。设备到设备通信（Device-to-Device Communication，D2D）具有提升系统性能、增强用户体验、减轻基站压力以及提高频谱利用率的前景，是未来5G网络中的关键技术之一[4]。十一是超密集异构网络，5G网络朝着网络多样性、广泛使用、集成化以及专业化的方向发展，超密集异构网络成为未来5G网络提高数据流量的关键技术[4]。十二是NR空口设计和特殊技术，采用的NR空口设计信号物理层采用以传统4G为基础设计，帧结构采用改变时域及频域的相互关系决定了信息的传输关系[5-8]。
2 现代智慧矿井宽带无线传输要求
地面煤矿粉尘和汽车移动电话通信设备的监控检查，采矿和移动通信设备使用人员的位置监控，企业董事会、中高级员工、地区团队领导、团队管理以及监控移动用户（如消费者）的移动通信工作，更多的安全检查、电气设备、钳工、汽车划痕、智能橡胶车、检查机器人、无人机等。为了满足实时在线监控，移动设备在矿井中的监控和语音通信的实时需求，在5G技术输出中的应用地雷必须满足以下要求。
2.1手机传输带宽。1G以上的带宽可用于各种数据源的实时在线流式传输，例如数据、音频以及视频的远程监控。
2.2使用带宽的效率。采矿机的工作表面与井上方地面运输控制区域之间的距离通常超过10 km，由于无线围栏的压力发送到矿井的内孔中，数据传输距离较大。因此必须连接到电话连接，例如采矿网络交换机的环形以太网网络组合，以实现远距离传输。
2.3操作设备不足。尽管使用中间的互连设备可以在矿山站的中间连接电力线，但是当中间网络必须连接到电源或着火时。不断开连接，将直接影响网络干扰。互连程度更高的设备将提高传输速度并降低传输成本。
2.4该材料重量轻、尺寸小。低洼地区的办公室非常狭窄，通信不便使燃煤电站中使用的移动通信设备更加高效。
2.5电磁波发射能量小。为了有效地防止无线数据传输设备内部的电动机通过电力输出产生的电爆炸，传输到电池中的无线通信设备的功率传输应小于6 W。因为最狭窄的区域在地面上工作，所以如果无线通信设备的开关电源使用过多并且太靠近工作面，则可能会因电击而对人员造成直接伤害。
2.6电磁范围。在地面狭窄的地方，用于高压电流的机电材料非常坚固，电气冲击很大。大功率交流频率会改变机电设备，机电负载的启动或延迟，并且发电机火花的出现会对传输数据产生积极影响无线。因此，地面煤矿无线数据传输和通信设备应具有防止干扰和减少错误的电源；使用发射器或接收器无线系统不会导致其他设备可以防止的最佳干扰。
2.7防爆安全性好。无线数据传输设备防护等级应按照，隔爆兼本质安全型设计，整机功耗要低，正常及规定故障所产生的电火花不足以点燃周围的爆炸性气体。
2.8网络传输数据协议的测量。通过来自不同制造商的传输、集成、分析和通信工具以及通信的国际标准。
2.9对劳动力的适应能力强。燃煤电厂的电能转化率通常为75%～110%，甚至高达75%～120%。因此，用于垃圾掩埋场的无线数据设备需要更广泛的电源。
2.10高传输速率。智慧煤矿无人开采是建立在收发数据的高速实时互通的基础上，所以用于现代煤矿井下的无线数据传输设备传输速率必须要高。
2.11可靠性好。煤矿井下环境恶劣，事故的发生瞬息万变，要求用于煤矿井下的无线数据传输设备必须具备较高的可靠性[9]。
2.12低功耗。智慧矿上实现的基础就是多元信息的有效融合，需要多种设备协同运行，用于矿井下采集、控制、监视、通信的设备必须功耗低才能实现多元设备高效连接。
2.13防护等级高。用于煤矿井下的无线通信、控制、监视、采集设备必须具备防潮、防水、防尘措施，在IP65以上[10]。
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3 结 论
煤矿井下环境恶劣，事故多发且瞬息万变。移动性强的工作环境想完全实现智慧开采的前提条件就需要比较先进且多元的无线设备做支撑，本文通过分析5G技术的特点，结合当前智慧矿上的需求得出，5G技术将来在矿井下不仅能够取代当下的无线通信技术，并通过后期二次再开发能够完全满足煤矿井下无人开采的需求。
参考文献：
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