5G通信技術(shù)及其在煤礦的應(yīng)用構(gòu)想

5G通信技術(shù)及其在煤礦的應(yīng)用構(gòu)想摘要:近年來我國(guó)煤礦無線通信系統(tǒng)首選WiFi和4G通信技術(shù)，隨著煤礦智能化建設(shè)的發(fā)展，現(xiàn)階段煤礦無線通信系統(tǒng)的性能已無法滿足煤礦智能化發(fā)展的各項(xiàng)需求。對(duì)比前幾代移動(dòng)通信技術(shù)，闡述了第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)關(guān)鍵技術(shù)及其性能優(yōu)勢(shì)；給出了礦用5G無線通信系統(tǒng)的組成及組網(wǎng)方式；結(jié)合5G通信技術(shù)特點(diǎn)和煤礦智能化發(fā)展需求，提出了5G通信技術(shù)在煤礦的應(yīng)用場(chǎng)景，如井下無人駕駛及智能運(yùn)輸、全礦井位置服務(wù)、設(shè)備遠(yuǎn)程操控、故障遠(yuǎn)程診斷、大寬帶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸、煤礦機(jī)器人云端控制、全礦井安全監(jiān)測(cè)信息采集、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)礦山等；指出針對(duì)煤炭行業(yè)的5G技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景還需不斷挖掘和完善，且由于5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)承載網(wǎng)要求較高，煤礦應(yīng)預(yù)估部署成本，結(jié)合自身發(fā)展?fàn)顩r和需求搭建礦井5G通信網(wǎng)絡(luò)。關(guān)鍵詞：礦井無線通信；5G；煤礦智能化；低時(shí)延；高帶寬；安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控0引言為滿足煤炭工業(yè)安全生產(chǎn)對(duì)礦井無線通信的需求，自20世紀(jì)80年代起，我國(guó)先后研制并應(yīng)用了礦井漏泄通信、感應(yīng)通信、透地通信、PHS(小靈通)通信系統(tǒng)[1]2010年后，通信技術(shù)發(fā)展愈來愈快，煤礦無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用隨時(shí)面臨礦井特定工作環(huán)境和作業(yè)流程的制約，如：寬帶要求，礦井提升機(jī)視頻監(jiān)控、采掘工作面實(shí)時(shí)移動(dòng)視頻；流動(dòng)性要求，機(jī)車運(yùn)輸調(diào)度、巡檢員等流動(dòng)作業(yè)人員之間及巡檢員和調(diào)度員之間的信號(hào)聯(lián)絡(luò)、對(duì)移動(dòng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集等；即時(shí)性要求，設(shè)備及時(shí)維修、發(fā)生事故時(shí)組織緊急撤離和安全救護(hù)等。針對(duì)這些要求，各通信公司和研究院所科研人員經(jīng)過不懈努力，先后研制出礦井CDMA，WiFi，3G，4G通信系統(tǒng)并成功推廣應(yīng)用。相較而言，能夠保證較好的語音、圖像、視頻傳輸性能的WiFi和4G通信技術(shù)近年來成為我國(guó)煤礦井下移動(dòng)通信系統(tǒng)的首選，其性能基本滿足煤礦井下開采主要業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)通信需求。然而，煤炭行業(yè)對(duì)于[2]先進(jìn)通信技術(shù)的要求是不斷存在且愈加苛刻的。一方面，井下特殊環(huán)境不僅要[3-5]求通信系統(tǒng)具有傳輸速率高、時(shí)延低、并發(fā)量大、可靠性高的特點(diǎn)，還對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋、傳輸功率、安全防爆、傳輸繞射、抗干擾等能力有特殊要求；另一方面，隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展及礦井智能化水平的提高，包括智能采煤、智能運(yùn)輸、礦井物聯(lián)網(wǎng)、煤礦大數(shù)據(jù)、礦用機(jī)器視覺、煤礦機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality,VR)等新興技術(shù)的井下應(yīng)用，井下各類數(shù)據(jù)趨向規(guī)?；蛷?fù)雜化，現(xiàn)階段煤礦無線通信系統(tǒng)的性能逐漸無法滿足智能化發(fā)展的各項(xiàng)需求。礦井無線寬帶通信是智慧礦山建設(shè)的關(guān)鍵，5G技術(shù)將突破傳統(tǒng)無線通信技術(shù)在傳輸帶寬、時(shí)延、連接數(shù)等[6]方面的制約，搭建礦井5G通信網(wǎng)絡(luò)將為煤礦智能化開采、礦井物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)、[7-8]煤礦大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等方面提供高速率、低時(shí)延、大連接、高可靠的通信鏈路保障。15G關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)勢(shì)1.15G關(guān)鍵技術(shù)面對(duì)多樣化場(chǎng)景的極端差異化性能需求，5G很難像以往一樣以某種單一技術(shù)為基礎(chǔ)形成針對(duì)所有場(chǎng)景的解決方案，5G技術(shù)創(chuàng)新主要來源于無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兩方面。在無線技術(shù)領(lǐng)域，大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址和[9-10]全頻譜接入等技術(shù)已成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)；在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SoftwareDefinedNetwork，SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NetworkFunctionsVirtualization，NFV)的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已取得廣泛共識(shí)。此外，基于濾波的正交頻分復(fù)用(Filtered-OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,F-OFDM)、濾波器組多載波(FilterBankMulticarrier,FBMC)、全雙工、靈活雙工、終端直通(DevicetoDevice,D2D)、多元低密度奇偶檢驗(yàn)(Q-aryLow-densityParitycheck，Q-aryLDPC)碼、網(wǎng)絡(luò)編碼、極化碼等也被認(rèn)為是5G潛在關(guān)鍵技術(shù)。1.25G技術(shù)性能優(yōu)勢(shì)5G關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用使5G通信系統(tǒng)的性能大幅提高，與前幾代無線通信技術(shù)相比，5G通信技術(shù)具有傳輸速率高、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬、時(shí)延低、可靠性高、容量大等優(yōu)勢(shì)(表1)。表12G/3G/4G/5G通信技術(shù)性能對(duì)比Table1Performancecomparisonof2G/3G/4G/5Gcommunicationtechnologies理世紓値遽率用戶體蛍理家砌到端時(shí)毬動(dòng)tv(km■h.~*】多址方代信迫編碼2G384khit/a60!)-數(shù)字逋信TDM.VCDMATurlwj21Mbit/s440kbit/s2(?200CJ)MATuriw4G1GKil/a10Mbil/i30-541350也【皿、高址網(wǎng)瞄st據(jù)OFDMTurhi5G10Chii/t,100Uhii/s<1cMD^mMTC/ufturF-OFDM/FBMC/PDM.VSCMAI.DPC/kihr(1)用戶體驗(yàn)速率(真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用戶可獲得的最低傳輸速率)：100Mbit/s~1Gbit/s。連接數(shù)密度(單位面積上支持的在線設(shè)備總和)：10/km。62端到端時(shí)延(數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)開始傳輸?shù)奖荒繕?biāo)節(jié)點(diǎn)正確接收的時(shí)間)：1ms。移動(dòng)性(滿足一定性能要求時(shí)，收發(fā)雙方時(shí)間的最大相對(duì)移動(dòng)速度)：500km/h以上。流量密度(單位面積區(qū)域內(nèi)的總流量):10Mbits?m。-1-2

（6）用戶峰值速率（用戶可獲得的最高傳輸速率）：10-20Gbit/s。2礦井5G無線通信系統(tǒng)架構(gòu)2.1系統(tǒng)組成礦井5G無線通信系統(tǒng)由核心網(wǎng)平臺(tái)、地面5G基站、井下基站、井下HUB等組成，如圖1所示。井上采用AAU（ActiveAntennaUnit有源天線單元）完成地面覆蓋，通過Ir接口與BBU（BuildingBasebandUnit,室內(nèi)基帶處理單元）相連；井下采用PicoRRU（RemoteRadioUnit,射頻拉遠(yuǎn)單元）井下基站實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，井下基站通過井下HUB進(jìn)行匯聚后，與井上BBU相連，傳輸接口為Ir接口。井下UilllJHiHHHUB圖1礦井井下UilllJHiHHHUB圖1礦井5G無線通信系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1Architectureofmine5Gwirelesscommunicationsystem;■壞境傳感誥j國(guó)手機(jī)"（有綁無纜I視頻釆笙 曲疝li軽設(shè)備終端 傳磅盟2.2組網(wǎng)方式5G網(wǎng)絡(luò)部署包含非獨(dú)立組網(wǎng)（Non-Standalone，NSA）和獨(dú)立組網(wǎng)（Standalone，SA）2種方式[n]NSA是利用現(xiàn)有4G基礎(chǔ)設(shè)施，融合4G核心網(wǎng)部署5G網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)5G與長(zhǎng)期演進(jìn)(LongTermEvolution,LTE)聯(lián)合組網(wǎng)，這種方式在演變過程中涉及核心網(wǎng)的切換和增強(qiáng)型4G基站的改造，初期建網(wǎng)速度快，成本相對(duì)較低，但靈活性較差，中后期部署工作量大；SA則是重新搭建—張5G網(wǎng)絡(luò)，所用基站和基礎(chǔ)設(shè)施均要重新部署和建設(shè)，初期成本較高，雖然也可將現(xiàn)有的4G基站升級(jí)增強(qiáng)后與5G核心網(wǎng)連接，但SA架構(gòu)的最終形態(tài)是5G基站連接5G核心網(wǎng)，不依賴現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)和基站設(shè)備，這種組網(wǎng)方式支持5G所有的新功能和新應(yīng)用。礦井可依據(jù)現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的裝備情況和對(duì)無線通信的需求選擇合適的組網(wǎng)方式。35G通信技術(shù)在礦井的應(yīng)用從礦山智慧化發(fā)展的角度來看，要實(shí)現(xiàn)煤礦作業(yè)人員、環(huán)境和設(shè)備全面感知下的“萬物互聯(lián)”，“—網(wǎng)—站”的高速井下通信網(wǎng)絡(luò)搭建，礦山關(guān)鍵設(shè)備遠(yuǎn)程控制，礦井上下實(shí)景三維模型虛擬仿真，礦山數(shù)據(jù)的深層次挖掘等應(yīng)用，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、SDN、VR和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AugmentedReality,AR)等數(shù)字化進(jìn)程的關(guān)鍵技術(shù)，催生著煤炭行業(yè)不斷創(chuàng)新，為煤礦智能化建設(shè)和煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)提供了新的技術(shù)手段，而5G通信網(wǎng)絡(luò)則將這些技術(shù)和礦井應(yīng)用場(chǎng)景緊密連接起來。通過分析5G技術(shù)三大應(yīng)用場(chǎng)景，初步認(rèn)為5G技術(shù)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)與煤炭行業(yè)智能化發(fā)展進(jìn)程中對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的需求相契合，5G技術(shù)的三大應(yīng)用場(chǎng)景均覆蓋了井下通信技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用方向，見表2。表25G技術(shù)煤礦應(yīng)用場(chǎng)景Table2Applicationscenariosof5Gtechnologyincoalmine5C場(chǎng)景 特點(diǎn)煤礦應(yīng)用場(chǎng)第⑵2低時(shí)延、超可靠ulxLLl.,_.b.airi井下無人駕駛■智能運(yùn)輸、智能開采、全礦井債置服務(wù).設(shè)備遠(yuǎn)稈操權(quán)、戰(zhàn)障遠(yuǎn)禪診斷.機(jī)器人擰制，設(shè)規(guī)協(xié)同作業(yè)等増強(qiáng)型移動(dòng)寬井下島淸視頻監(jiān)控、譏音適信、智能終端、帶，熱點(diǎn)高容址VR/AR曠山、混合現(xiàn)實(shí)束礦帑廊能施.小數(shù)期乍輛運(yùn)輸轡理.智能穿眥設(shè)備.安仝監(jiān)測(cè)信怙、大連接數(shù)息采集、井下電子圉欄等3.1井下無人駕駛及智能運(yùn)輸井下無人駕駛對(duì)礦井無線網(wǎng)絡(luò)的需求極高，而機(jī)器對(duì)機(jī)器之間的通信一直是無線通信網(wǎng)絡(luò)的難題。目前只有5G技術(shù)才能為井下通信網(wǎng)絡(luò)提供充足的帶寬、優(yōu)良的服務(wù)質(zhì)量、低時(shí)延及精確的定位能力。井下車輛行駛過程中，5G技術(shù)的高速率能夠?qū)崟r(shí)對(duì)巷道大量3D地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，專感器數(shù)據(jù)的共享也將提升車輛的環(huán)境感知能力。通過5G網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備，車輛具備精確定位、安全監(jiān)測(cè)、自主感知、主動(dòng)避障、自動(dòng)錯(cuò)車、風(fēng)門聯(lián)動(dòng)等功能，實(shí)現(xiàn)井下運(yùn)輸車輛無人駕駛。井下運(yùn)輸系統(tǒng)的自動(dòng)化、信息化和智能化，需要在頂層對(duì)井下煤流、物料、人員運(yùn)輸整個(gè)過程中所涉及的運(yùn)輸車輛、運(yùn)料裝備、膠帶、集裝箱、調(diào)度裝備、自動(dòng)化轉(zhuǎn)運(yùn)裝置及相關(guān)的運(yùn)輸對(duì)象進(jìn)行整體協(xié)調(diào)，5G技術(shù)將大規(guī)模、實(shí)時(shí)傳輸采集到的車輛、車皮、設(shè)備、煤流、物資及附近環(huán)境等相關(guān)參數(shù)信息，以提高車輛運(yùn)輸和設(shè)備運(yùn)行效率，保證運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程安全高效。3.2全礦井位置服務(wù)目前井下定位系統(tǒng)或位置跟蹤系統(tǒng)都是針對(duì)單一需求而設(shè)計(jì)，僅滿足了礦井部分場(chǎng)合和局部的業(yè)務(wù)需求。井下作業(yè)的少人化和無人化發(fā)展對(duì)位置服務(wù)的需求日益顯現(xiàn)，對(duì)井下位置服務(wù)系統(tǒng)的精度、容量和響應(yīng)時(shí)間等指標(biāo)都提出了更高的需求。5G技術(shù)利用大規(guī)模天線、高頻段通信等技術(shù)特征，為實(shí)現(xiàn)高精度定位提供了技術(shù)保障。3.3設(shè)備遠(yuǎn)程操控設(shè)備遠(yuǎn)程操控是智能開采的重要組成部分［12］實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的要求極高，井下設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)通信鏈路長(zhǎng)、環(huán)境苛刻，5G技術(shù)所提供的高可靠和超低時(shí)延的控制網(wǎng)絡(luò)是保證井下設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提。同時(shí)，井下開采作業(yè)伴隨著大量數(shù)據(jù)的生成，設(shè)備高精度傳感器要采集掘進(jìn)機(jī)、采煤機(jī)、液壓支架等主要設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)信息，環(huán)境傳感器要采集作業(yè)巷道環(huán)境參數(shù)信息，高清攝像頭要采集工作面作業(yè)視頻和煤壁圖像。這些數(shù)據(jù)種類繁多、體量巨大、生成速度極快，必須依靠5G通信網(wǎng)絡(luò)高帶寬、低時(shí)延、高可靠、高連接的傳輸特性，才能在遠(yuǎn)端搭建實(shí)時(shí)同步的開采可視化模型，人員在地面利用可視化系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤工作面現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景，下達(dá)控制指令，實(shí)現(xiàn)設(shè)備及整套作業(yè)工序的智能遠(yuǎn)程控制。3.4故障遠(yuǎn)程診斷井下設(shè)備故障遠(yuǎn)程診斷依賴5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延和高服務(wù)質(zhì)量保障特性，利用智能傳感器實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并與云端AI平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析和處理，對(duì)設(shè)備進(jìn)行主動(dòng)監(jiān)測(cè)，提出定制化的診斷方案，維修人員不必專門前往井下判斷設(shè)備故障類型，大幅降低了檢修班工作強(qiáng)度。此外，5G技術(shù)與AR/VR技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，通過回傳的現(xiàn)場(chǎng)高清視頻，有望實(shí)現(xiàn)地面人員對(duì)井下設(shè)備的遠(yuǎn)程運(yùn)維，或指導(dǎo)當(dāng)班人員現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維修作業(yè)，如對(duì)檢修設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，甚至不用人員下井就能完成故障修復(fù)。大寬帶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸5G技術(shù)可滿足礦井高清視頻監(jiān)控服務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求，井下大寬帶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)來源于主要作業(yè)點(diǎn)，包括采掘工作面、進(jìn)回風(fēng)巷、主要運(yùn)輸巷道等重點(diǎn)視頻監(jiān)控區(qū)域，視頻采集設(shè)備為作業(yè)點(diǎn)固定安裝和搭載在各類巡檢機(jī)器人上的高清攝像裝置。基于人工智能的礦井視頻監(jiān)控將有效提高人員作業(yè)安全性，提升井下生產(chǎn)效率，其主要用于生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域的人員違規(guī)識(shí)別、煤巖介質(zhì)識(shí)別、煤流運(yùn)輸狀況識(shí)別、煤矸分揀圖像識(shí)別、作業(yè)安全質(zhì)量識(shí)別、設(shè)備狀態(tài)巡檢等場(chǎng)景。此外，災(zāi)后救援現(xiàn)場(chǎng)的圖像和視頻也可用于指導(dǎo)開展救援工作。煤礦機(jī)器人云端控制靈活、可移動(dòng)、高帶寬、低時(shí)延和高可靠的通信網(wǎng)絡(luò)是煤礦機(jī)器人實(shí)現(xiàn)安全協(xié)同生產(chǎn)作業(yè)的基本要求。未來煤礦井下需要更多的機(jī)器人代替人工進(jìn)行各類作業(yè)，但每個(gè)機(jī)器人的計(jì)算能力有限。煤礦機(jī)器人云端控制即實(shí)時(shí)地將機(jī)器人獲取的外部信息發(fā)送給云端，再將計(jì)算結(jié)果即時(shí)返回機(jī)器人，煤礦機(jī)器人自身只作為純粹的執(zhí)行器，計(jì)算資源部署在云端。5G網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將煤礦機(jī)器人連接至云端"大腦”，其擁有的低時(shí)延特性滿足云端處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間相加不超過100ms的要求，高帶寬特性為機(jī)器人提供足夠的帶寬（10Gbit/s以上）。全礦井安全監(jiān)測(cè)信息采集目前井下感知設(shè)備和傳輸網(wǎng)絡(luò)無法做到全礦井安全監(jiān)測(cè)信息的泛在感知，如采空區(qū)等危險(xiǎn)區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測(cè)未能有較好的解決方案。井下巷道、硐室和設(shè)備需要布置大量的感知節(jié)點(diǎn)，不僅要求終端具備低能耗、低成本、高安全性的特點(diǎn)，還對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的連接數(shù)密度、傳輸速率和實(shí)時(shí)性有較高要求。5G技術(shù)的低功耗大連接場(chǎng)景將端到端時(shí)延控制在10ms以內(nèi)，連接數(shù)密度達(dá)10/km，滿足全礦62井安全監(jiān)測(cè)信息采集的需求。井下環(huán)境監(jiān)控、作業(yè)設(shè)備監(jiān)控、人員體征監(jiān)控、儀器儀表監(jiān)控、通風(fēng)及排水監(jiān)控等系統(tǒng)均需要5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模感知節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)互通，用一張容納海量傳感器的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全礦井安全監(jiān)測(cè)信息的采集，并接入[13]移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器，對(duì)所采集的信息進(jìn)行分析和處理，結(jié)合云