矿用5G频段选择及天线优化设置研究

孙继平， 张高敏

(中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院， 北京 100083)

0 引言

矿井无线通信和矿用5G移动通信技术是煤矿智能化关键技术之一[1-6]。煤矿井下电气防爆、矿井无线传输损耗(含天线插入损耗，下同)大、电磁干扰严重、巷道空间有限等，制约着地面无线通信和5G移动通信技术及系统直接在煤矿井下应用[7-9]。因此，有必要针对煤矿井下特殊环境和特殊要求，研究矿井无线通信和矿用5G移动通信技术，以提高煤矿井下无线传输距离、绕射能力及无线通信系统的稳定性和可靠性，减少基站用量、系统成本和维护工作量。这对促进煤矿智能化和矿井无线通信技术发展具有重要意义。

1 矿井无线传输特点

矿井无线传输距离受无线发射功率、接收灵敏度、天线增益、矿井无线传输损耗等影响。无线发射功率越大、接收灵敏度越高、天线增益越大、矿井无线传输损耗越小，则矿井无线传输距离越远。

煤矿井下无线发射功率受本质安全防爆限制[10]。煤矿井下机电设备功率大、启停频繁、设备相对集中，变频设备功率大等造成煤矿井下电磁干扰严重，限制了煤矿井下无线设备接收灵敏度的提高。无线基站天线增益受本质安全防爆、天线尺寸和巷道空间限制。因此，在无线发射功率、接收灵敏度、天线增益受限的条件下，降低矿井无线传输损耗是提高矿井无线传输距离的有效方法。

矿井无线传输损耗受无线传输频段、天线位置，巷道断面、分支、弯曲、倾斜、支护和表面粗糙度，巷道中电缆、水管和铁轨等纵向导体及工字钢等横向导体，巷道中胶轮车、电机车、带式输送机和机电设备等影响[11-14]。巷道断面越大、巷道表面粗糙度越小，则矿井无线传输损耗越小。巷道分支、弯曲和倾斜增加了矿井无线传输损耗。巷道中电缆、水管和铁轨等纵向导体降低了矿井无线传输损耗。工字钢等横向导体增加了矿井无线传输损耗。巷道中胶轮车、电机车、带式输送机和机电设备等增加了矿井无线传输损耗。综采工作面采煤机、刮板输送机、液压支架等严重影响工作面无线传输距离和工作稳定性。

巷道断面、分支、弯曲、倾斜、支护和表面粗糙度，巷道中电缆、水管和铁轨等纵向导体及工字钢等横向导体，在巷道建成后基本不变。巷道中胶轮车、电机车、带式输送机、机电设备等，以及综采工作面采煤机、刮板输送机、液压支架等由生产决定。因此，优选矿井无线工作频段，优化天线设置位置，是降低矿井无线传输损耗、提高矿井无线传输距离的必然选择。

2 矿用5G工作频段选择

中国移动5G工作频段为2 515～2 675，4 800～4 900 MHz，中国联通为3 500～3 600 MHz，中国电信为3 400～3 500 MHz[15]。中国广电向3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划)提交了在NR频段n28中添加更宽信道带宽的技术提案(编号为TR38.888)，该提案在3GPP第87次接入网全会(3GPPRAN#87-e)中被无线接入网技术规范组核准，版本号为16.00[16]。2020年3月25日发布的《工业和信息化部关于调整700 MHz频段频率使用规划的通知》指出，将原用于广播电视业务的702～798 MHz频谱资源重新规划用于移动通信系统[17]。

在煤矿井下，700 MHz频段与2.6，3.5，4.9 GHz频段相比，具有信号传输损耗低、无线传输距离远、绕射能力强等优点。因此，矿用5G工作频段应优选700 MHz，以提高矿井无线传输距离和绕射能力，提高系统稳定性和可靠性，减少基站用量、组网成本和维护工作量。

3 煤矿井下现场测试及天线设置位置优化

3.1 测试现场和设备

笔者所在项目组先后于2019年4月、9月、12月在某煤矿4-1煤辅助运输巷进行了740 MHz频段无线传输测试。巷道断面采用半圆拱形结构，如图1所示。巷道高度为4 m，宽度为5 m，断面面积为16.3 m2。喷射混凝土厚度为120 mm，铺底厚度为300 mm。巷道顶部吊挂照明电缆，每50 m在顶部固定1个防爆灯。左侧巷帮固定动力电缆，右侧巷帮中部固定洒水管和通风管，靠右侧巷帮的底板上有排水管道。

图1 拱形巷道测试现场Fig.1 Test field in arched tunnel

为便于描述，将拱形巷道的横向、垂向和轴向分别定义为x，y，z轴，以无供水管和通风管道的巷帮一侧、底板和一根天线的水平位置交叉点为坐标原点，建立直角坐标系，如图2所示。示例位置Tx(1)和Rx(1)表示发射和接收天线在同侧巷帮；示例位置Tx(2)和Rx(2)与Tx(1)和Rx(1)相比，表示发射和接收天线在同侧巷帮，但高度(天线顶点到底板的距离)不同；示例位置Tx(3)和Rx(3)与Tx(1)和Rx(1)相比，表示发射和接收天线在同一高度，位置沿巷道横向水平方向变化。

图2 巷道坐标系Fig.2 Tunnel coordinate

测试采用全向偶极子垂直极化天线，天线增益均为2 dBi；设备发射功率为30 dB·m，接收灵敏度为-94 dB·m；无线工作频段为720～760 MHz。

3.2 测试方法及准备

在无线发射功率、接收灵敏度、天线增益、无线工作频段不变，发射和接收天线位于同侧巷帮的条件下，研究天线在巷道中不同位置对无线传输损耗和传输距离的影响：① 天线沿巷道横向移动到另一侧巷帮，研究天线在巷道横向不同水平位置对无线传输损耗和传输距离的影响。② 天线沿巷道垂向变化，研究天线不同高度对无线传输损耗和传输距离的影响。

在整个测试过程中，天线均沿竖直方向设置，发射和接收天线位于同侧巷帮。天线每移动到一个新的测试位置，均需信号稳定后开始测试，并按1 Hz频率测量20次，取平均值。当发射和接收天线之间存在行人或车辆时，暂停测量。研究天线位置沿横向水平方向变化时，天线高度为1.7 m。研究天线高度变化时，高度分别为0.8，1.1，1.4，1.7，2.0，2.3 m，沿巷道中心向顶板和底板靠近。在煤矿井下测试时，制定有安全措施，瓦检员一直在测试区域监测瓦斯浓度。

正式测试前进行了初步测试，结果表明：天线紧贴巷帮或距巷帮较近时，接收信号强度随天线距巷帮距离变化较大；随着天线远离巷帮，接收信号强度随天线距巷帮距离变化较小。因此，正式测试时，靠近巷帮的采样点密度高，远离巷帮的采样点密度低。天线在x轴方向上的采样点分别为0，0.01，0.04，0.10，0.30，0.60，1.25，2.50，3.75，4.40，4.70，4.90，4.96，4.99，5.00 m，沿z轴在1，2，4，8，16，30，50，80，120 m处提前做好标记，在这些位置进行测试。

3.3 天线最佳横向水平位置研究

天线在巷道中心(x=2.5 m，y=1.7 m)、接收信号功率为-90 dB·m时，测得发射和接收天线的最远传输距离为530 m。随着天线距巷帮距离变小，最远传输距离逐渐减小。当天线紧贴巷帮时，最远传输距离下降为110～120 m。

在测试天线高度(y轴方向)均为1.7 m时，天线不同横向水平位置(x轴方向)和传输距离(z轴方向)的接收信号功率见表1，接收信号功率随传输距离及天线横向水平位置的变化如图3所示。

分析表1和图3可看出：在传输距离不变的条件下，天线在巷道中心时无线传输损耗最小；天线越靠近巷帮，无线传输损耗越大；天线从巷帮一侧沿横向水平方向向另一侧移动时，无线传输损耗具有“大-小-大”的特点。为优化天线横向水平设置位置，提出了传输损耗/位置变化率分析方法。为消除发射功率、天线增益、接收灵敏度等对传输损耗/位置变化率的影响，取x轴方向测试点i(i=1,2，…)，i+1的接收信号功率P(i)，P(i+1)差值的绝对值|P(i+1)-P(i)|作分子，两测试点横向水平位置x(i)，x(i+1)差值的绝对值|x(i+1)-x(i)|作分母，则传输损耗/位置变化率为

(1)

测试点i和测试点i+1之间距离为j时传输损耗/位置变化率为

表1 天线不同横向水平位置和传输距离的接收信号功率Table 1 Received signal power of antennas at different horizontal positions and transmission distances

图3 接收信号功率随传输距离及天线横向水平位置的变化Fig.3 Variety of received signal power with transmission distances and horizontal positions of antenna

(2)

式中：Pj(i)，Pj(i+1)为两测试点之间距离为j时的接收信号功率；xj(i)，xj(i+1)为两测试点之间距离为j时的横向水平位置。

综合考虑不同传输距离的传输损耗/位置变化率，对N个传输距离的传输损耗/位置变化率取平均值，得到平均传输损耗/位置变化率：

(3)

表2 天线不同横向水平位置和传输距离的Rj(i,i+1)和Table 2 Rj(i,i+1) and at different horizontal positions and transmission distances of antenna

图随天线横向水平位置变化Fig.4 Variety of with horizontal positions of antenna

3.4 天线最佳高度研究

发射和接收天线传输距离为1～120 m时，天线不同高度和横向水平位置的接收信号功率见表3。可看出天线最佳高度与其横向水平位置有关：在巷道水平中心点附近，天线最佳高度为1.7 m，约为巷道高度的43%，离开该点，无论天线靠近底板还是顶板，接收信号功率均减小；当天线靠近两侧巷帮时，天线最佳高度降低，距巷帮0.01 m时天线最佳高度为1.4 m，为巷道高度的35%。测试结果表明，天线从巷道中心移动到距巷帮0.01 m时，天线最佳高度由巷道高度的43%下降到35%，天线最佳高度约为巷道高度的40%。

3.5 天线设置位置优化

无线基站天线设置应不影响行人和行车、便于安装维护，且在无线发射功率、接收灵敏度和天线增益受限的条件下，使无线传输损耗小、传输距离远。

(1) 无线基站天线应靠近巷帮设置，距巷帮应不小于0.01 m。现场测试和分析研究表明，在无线发射功率、接收灵敏度、天线增益、无线工作频段等一定的条件下，无线基站天线位于巷道中心时，无线传输损耗最小，无线传输距离最远。但无线基站天线设置在巷道中心会影响行人和行车。无线基站天线紧靠巷帮虽不影响行人和行车，但无线传输损耗大，无线传输距离近。无线基站天线紧靠顶板虽不影响行人和行车，但不便于安装和维护，无线传输损耗大，无线传输距离近。为不影响行人和行车、便于安装维护，无线基站天线应靠近巷帮设置。现场测试和分析研究表明，无线基站天线距巷帮小于0.01 m时，无线传输损耗较大。因此，无线基站天线应靠近巷帮设置，距巷帮应不小于0.01 m。

(2) 无线基站天线垂向宜位于巷道高度约2/5处。现场测试和分析研究表明，在无线发射功率、接收灵敏度、天线增益、无线工作频段、天线水平位置等一定的条件下，无线基站天线垂向位于拱形巷道高度约2/5处时，无线传输损耗较小，无线传输距离较远。因此，无线基站天线应靠近巷帮设置，距巷帮不小于0.01 m，垂向位于巷道高度约2/5处。这样既不影响行人和行车、便于安装维护，也可以满足无线传输损耗较小、无线传输距离较远的要求。

(3) 矿用手机、人员定位卡、便携式无线甲烷检测报警仪、多功能无线矿灯、便携式无线摄像机、便携式无线仪器设备、可穿戴无线设备、车辆定位卡、车载无线设备、无线摄像机、无线传感器、物联网设备等无线终端，在不影响使用的条件下应尽量靠近巷道中心，以提高无线传输距离。

4 结论

(1) 煤矿井下无线发射功率受本质安全防爆限制，接收灵敏度受电磁噪声限制，天线增益受本质安全防爆和巷道空间限制。

(2) 应通过优选无线工作频段和优化天线设置位置，减小矿井无线传输损耗，提高矿井无线传输距离和绕射能力，提高无线通信系统的稳定性和可靠性，减少基站用量、组网成本和维护工作量。

(3) 矿用5G工作频段应优选700 MHz。煤矿井下700 MHz频段与现有5G其他工作频段2.6，3.5，4.9 GHz相比，具有无线传输损耗小、无线传输距离远、绕射能力强、基站用量少、组网成本低、维护工作量小等优点。

(4) 提出的传输损耗/位置变化率分析方法便于分析巷道横向不同区域位置变化引起的无线传输损耗变化情况。

(5) 无线基站天线应靠近巷帮设置，距巷帮不小于0.01 m，垂向宜位于巷道高度约2/5处。这样既不影响行人和行车、便于安装维护，也可以满足无线传输损耗较小、无线传输距离较远的要求。

(6) 矿用手机、人员定位卡、便携式无线甲烷检测报警仪、多功能无线矿灯、便携式无线摄像机、便携式无线仪器设备、可穿戴无线设备、车辆定位卡、车载无线设备、无线摄像机、无线传感器、物联网设备等无线终端，在不影响使用的条件下应尽量靠近巷道中心，以提高无线传输距离。