DDA 技术在智慧矿山无线通信中的应用研究

刘 林，彭庆国，吕 磊，张先胜，胡 强，胡占利，王 跃

（1.安徽知林智能科技有限公司，安徽 合肥 230031；2.中煤智能科技有限公司，安徽 合肥 230021）

0 引 言

受物理空间、成本、维护等因素制约，智慧矿山必须采用无线通信和光纤环网相结合的方式解决传感器信息传输。矿山井下无线通信系统首先应满足传输可靠性和安全性高、时延小、并发数量大、性价比高等工业互联网应用场景的基本要求，同时还有以下一些特殊要求。

第一，煤矿井下巷道长达10 余千米，巷道中分布有机电设备、车辆和工作人员，需无线全覆盖（深度覆盖+无线自组网）。

第二，煤矿井下有瓦斯等易燃易爆气体，无线发射必须保证安全防爆，无线发射功率受限（发射功率≤200mW）。

第三，无线工作频段不宜过高。 矿井无线传输衰减大，受巷道断面、分支、弯曲、支护、电缆等影响，无线传输衰减模型复杂多变。 由于无线工作频段越高，传输衰减越大，传输距离越近，绕射能力越差（工作频段1GHz 以内），因此无线工作频段不宜过高。

第四，无线传输宜具有一定的绕射能力。 采煤工作面布置有大量的液压支架以及采煤机、刮板输送机、破碎机、转载机、带式输送机、液压泵站、移动变电站等；掘进工作面布置有掘锚机、带式输送机等；巷道中有带式输送机、电机车、胶轮车、绞车、开关等。煤矿井下空间狭小、设备多，难以保证无线视距传输，因此无线传输宜具有一定的绕射能力。

第五，抗干扰能力强。 煤矿井下大功率电气设备启停、大功率变频设备工作时电磁干扰大，为保证系统正常工作，矿井宽带无线通信系统应具备较强的抗干扰能力（采用跳频或扩频技术抗干扰）。

第六，移动性要求不高。 煤矿井下人员及车辆移动速度慢，对无线通信移动性要求不高。 《煤矿安全规程》规定，采用无轨胶轮车运人时运行速度不超过25 km/h， 运送物料时运行速度不超过40 km/h。

1 智慧矿山无线通信技术应用状况及存在的问题

近年来， 矿山智能化建设取得了不俗的成绩，但智能矿山的建设过程中，目前主要以示范工程项目为主，存在许多悬而未决的技术问题。 矿山建设整体上还处于自动化向智能化过渡阶段，智能化发展存在的主要问题是：国内采矿装备的技术水平相对落后，尤其是其自动化及信息化水平尚不能满足智能开采要求；缺少具有自主知识产权的井下综合通信、定位导航等实现智能开采的支撑技术与软件平台。 目前，用于实时获取矿山生产中有用的信息和数据以及底层终端数据的采集、传输采取的技术方式主要是有线和无线Wi-Fi。 智能矿山建设在传感网实时传输及动态组网、多传感器融合方面尚不够成熟， 或者说尚未取得根本性技术创新和突破。通过三年多的开发和试验，我们对多种无线通信技术进行了研究、测试和比较，最终选定DDA 技术作为实现智慧矿山的底层无线通信技术。

2 DDA 技术在智慧矿山无线通信中的应用介绍

2.1 DDA 技术介绍

DDA（Dynamic crypto Dense cover Ant colony，动态加密空间密集覆盖蚁群模式） 前身是Spider技术。 该技术在通信距离、低成本网络覆盖、低功耗设计、抗干扰设计、通信可靠性、数据安全性、海量终端接入、鲁棒性、易用性、自适应频段选择等多项通信技术指标上， 与其他同类无线通信技术相比均具有一定的优势。 DDA 无线网络协议属于5G TSN （5G 时延敏感网络） 范畴， 通过OPEN RAN（开放无线接入网）、MEC（边缘计算）、网络切片等技术实现5G 融合， 同时与IEEE 802.11.AH，IEEE 802.15.4 和IETF IPv6 等国际标准兼容且可自主分离。 因此，该协议非常适用于万物互联时代多终端、小数据量、低功耗、低成本、高可靠性等应用场景，如传感网、设备控制网、传感控制混合网等。

动态加密（Dynamic crypto）包含3 层含义：第一，DDA 内 嵌 了5 种 对 称 加 密 算 法（DES，3DES，AES，SM1 和SM4）、2 种非对称加密算法 （RSA 和SM2）和2 种摘要算法（SM3 和SHA-256），加密算法可以根据应用需要进行信源加密和信道加密；第二，密钥可动态变换；第三，DDA 的加密系统可以实现无线数据加密、认证、完整性、不可抵赖等多种安全应用。空间密集覆盖（Dense cover）是在保证数据可靠性和安全性前提下的全方位覆盖。蚁群模式（Ant colony）是超低成本、超低功耗、高可靠性、高鲁棒性、超强覆盖、超大连接的形象化表述，单体“蚂蚁”成本低、能耗低；“蚁群”可靠性高（完成任务的可靠性高）、鲁棒性高（面对恶劣环境以及自身弱点自发的应变能力强）；哪里有“蚂蚁”，哪里就有“蚁群”覆盖，意味着超强覆盖；每个“蚂蚁”都是终端节点，“蚁群”的“蚂蚁”数量就是超级连接数量。

DDA 技术是针对物联网窄带业务特点设计的协议和算法，QoS（Quality of Service，服务质量）可控，可靠性大于99.9%，可以保证国防、工业、智慧城市等各种应用场景需要的无线连接，而且时延和阈值可控，易于融入物联网行业碎片化需求。

2.2 DDA 技术与NB-IoT 和LoRa 技术的比较

DDA 技术尤其适用于大量、 低成本、 长期在线、低功耗的设备器件，以及要求双向实时传输、可靠性要求高和无缝覆盖的场景。 如果强调高安全性，DDA 技术则是目前唯一选择。表1 列举了DDA技术与NB-IoT 和LoRa 的技术参数比较。

表1 DDA 与NB-IoT、LoRa 的技术参数比较Table 1 Comparison of technical parameters of DDA，NB-IoT and LoRa

根据矿山井下的特点， 如果采用NB-IoT 技术， 在井下安置基站受到成本和物理空间的限制。采用LoRa 技术，传输速率太小，满足不了数据传输的需求；如果把传输速率放大，传输距离太短，绕射能力也变差，而且LoRa 技术的数据传输可靠性也无法达到要求。 DDA 技术的低频率 （470MHz~510MHz）、自组网、高可靠性等特点，完全可以满足矿山井下的无线覆盖要求。

3 DDA 技术在智慧矿山无线通信中的应用设计

3.1 无线通信设计要点

无线通信可以理解为3 个层面。第一层面是点对点的无线通信，即设计优质的收发信机（俗称无线通信模块），技术要点是最低的代价（最小成本、最小功耗等） 将最多的信息传送到最远的地方；第二个层面是点对多点的无线通信，它是建立在点对点无线通讯基础之上的，但是除设计优质的无线通信模块之外，它还要考虑复用、功控、同步、共享、容量、路由、效率等多个因素，相对第一个层面要复杂很多；第三个层面是多点对多点的无线通信，要考虑的因素就更多了，但它也是以第一个层面和第二个层面为基础的。无线信道的传输特性决定了无线网络设计与有线网络设计的截然不同，随机参数的无线信道不是理想的传输媒介。无线网络提供给用户的信道会受到射频带宽的限制，无线通信在空气中传播信号，固有的多径效应也会导致信号快速衰落，同时信道上可能存在各种干扰和噪声。因此，所有的无线通信系统都希望用最小的代价克服和消除无线通信固有缺陷造成的影响，从而保证信号传输的有效性、可靠性、安全性。

首先，无线频谱是稀缺资源，必须分配给不同的系统和业务使用。工作于给定频段的区域性或全球性无线通信系统必须遵守相应管理机构对这一频段做出的种种规定。 在3GHz 以下的频段上，无线通信器件容易做到大小合适、功耗适中、成本低廉，但这一频段已经拥挤不堪，5G 技术正在向更高频段挑战。如何在有限的资源条件下实现更大的应用价值和满足应用的需求，是每一个无线通信工程师都要面对的难题。

其次，无线信道随机多变。 当信号通过电磁波在无线信道中传播时，墙壁、地面、建筑物和其他物体会对电磁波形成反射、散射和绕射，从而导致信号通过多条路径到达接收机，造成多径效应。 多径效应会导致信号的衰落。 如果发射机、接收机或周围的物体在运动，多径反射和衰减的变化将使接收信号经历随机波动。而在有线通信中信号传输过程中仅有衰减和和噪声的干扰，接收端的信号相对稳定，没有多径效应和随机波动。 无线信道的多径效应和事变特性限制了无线信道的频带利用率。

再次， 由于无线电波能够全向传输的特性，导致一定区域范围内的无线信号会相互干扰。干扰包括外部干扰和内部干扰。 外部干扰包括天电干扰、工业干扰和信道噪声等；内部干扰包括本系统内设备之间的干扰和外部系统对本系统的干扰，归纳为邻道干扰、互调干扰、公道干扰、多址干扰以及远近效应（近地无用信号压制原地有用信号）。为了克服干扰，我们必须采用有效的技术手段把共享信道分成若干互不干扰的子信道（保证子信道相互正交），再分别分给各个用户，但这大大限制了无线通信系统的容量。 另外，无线电波能够全向传输的特性也使得无线通信的安全难以保证，任何人通过一部射频天线就可以轻松截获电波。为了支持信息采集保密、设备自主控制等业务，无线网络的安全性必须进一步加强。

除此之外，在工程实践中，终端等设备的体积、重量、功耗、电性能、适应环境性能、电源设计等都要充分考虑。

3.2 DDA 技术在智慧矿山井下无线通信应用中的特点

3.2.1 网络覆盖范围

如图1 所示，为DDA 网络覆盖范围实测。一级网络直线距离约220m（第二次测试示意图），有弯道的环境（实测为3 道弯）覆盖范围约50m；二级网络第1 个点距离140m， 第二级第2 个测点292m（拐一个弯）， 第二级第3 个测点距离330m 直线。井下环境与地面环境存在差异，信号在拐弯后衰减较大，所以在拐弯处放置网关或中继来保证通信无盲区。经过现场实测，小发射功率的DDA 系统无论是通信距离，还是拐弯、岔道的穿透性都优于其他在煤矿使用的无线通信系统。

图1 DDA 在矿井下网络覆盖范围实测示意图Figure 1 Schematic diagram of actual measurement of DDA network coverage in underground mines

3.2.2 井下无线通信连接的可靠性

DDA 是自组织网络，有多种网络拓扑，如图2所示，特别适合矿山井下无线信号衰减严重及矿道分散的应用场景。

图2 DDA 自组织网络拓扑Figure 2 DDA self-organizing network topology

DDA 是低功耗双向实时通信系统，指标如表2所示， 适用于矿山井下大量分布式传感器布局，以及井下传感器、控制器离散型数据上下行特点。 低功耗， 特别是支持电池类传感器进入矿山井下，降低了建设和维护成本。

3.2.3 井下无线通信连接的安全性：DDA 量子秘钥

非消费级无线连接和系统建设，最核心的两个共性要求是可靠性和安全性。DDA 技术目前可靠性大于99.9%， 安全性方面， 内嵌了SM1，SM2， SM3和SM4（即国密1、国密2、国密3 和国密4），完全可以保证目前智慧矿山井下应用，如图3 所示。

图3 DDA 技术安全策略Figure 3 DDA technology security strategy

物联网系统安全需求远高于互联网系统，但传统的加密机制无法长期保证物联网系统安全连接和系统的安全运行， 特别是量子计算机一旦问世，传统的加密机制无法抵挡，因此考虑量子加密技术对DDA 进行加密。

量子密钥的通信网分层应用。借助量子加密机理提供的加密工具，客户发送端的客户数据被加密形成密文数据包， 将密文数据包提交给DDA 无线传输服务，DDA 无线传输负责将密文数据包无误转发至客户接收端，接收到此密文数据包后，客户实施解密得到明文数据，如图4 所示。在此过程中，DDA 无线通信系统仅仅完成了一次数据包的透传，它并不知晓密文的具体含义。实际上，在空间无线介质中，具有了双层的加密服务：第一层是客户端自己加入的（信源加密），第二层是DDA 无线加密传输系统加入的（信道加密）。对图4 中端对端应用加密进行说明。 一是关于算法选用：首先具体选用哪个算法公式，由预置选择参数（PgmPar）操控，它会从算法集里选出某个或某些个合适的算法公式： 其次，PgmPar/ PassWord 参数会作为公式参量介入其运算过程。 二是关于量子操作：黑色表示功能框， 涉及量子分发QKD 操作， 具体细节不置讨论。 关于DDA 功能框，泛指执行DDA 物联网协议的传输层服务，在此不做详述。

图4 量子秘钥DDA 网络分层应用Figure 4 Hierarchical application of quantum key DDA network

3.3 DDA 技术应用案例：矿山压力监测系统

矿山压力监测系统就是监测采场及巷道的围岩应力分布特征、围岩变形、位移、钻孔内部应力场分布、顶底板破坏特征、超前应力区顶板压力、支架倾斜角度、支架受载及压缩等一系列矿山压力显现现象。 通过3D 综采分析功能能监控某工作面的所有传感器当前或者回顾某一段时间内工作情况与应力云图。采用合理的数学方法对各种矿山压力显现监测信息进行分析，一是掌握巷道围岩变形和应力变化规律，总结采场及巷道矿压显现规律，周期预报矿压显现的发展趋势， 评价巷道支护效果，预测预报巷道顶板事故；二是分析采煤工作面顶板来压步距、来压强度及动载系数，总结矿压显现规律，预防、预测工作面顶板事故；三是为优化工作面及巷道支护参数提供依据；四是掌握地质构造对围岩的影响， 能够第一时间掌握井下采动压力显现规律，为指导生产、保证安全提供可靠的依据。 同时，在汇总大量监测数据与资料的基础上，有利于进一步总结出矿山压力的普遍规律，促进矿山压力理论的研究。

如图5 所示，矿山压力监测系统的信号传输采用DDA 无线网络技术+主干环网的方式。矿井地质变化最为复杂的区域往往包含多个掘进、 综采、回采巷道，而这些区域存在着骨干网未覆盖、光纤铺设难度大等问题，DDA 无线网络技术恰好解决了此类问题。

图5 矿山压力检测系统示意图Figure 5 Schematic diagram of mine pressure detection system

4 结语

煤矿综合自动化、安全监测监控技术及物联网技术的发展，迫切需要一种低成本的无线融合通信技术来支持海量传感器接入。 把DDA 通信技术与矿井人员定位系统、安全监测系统、矿压监测、顶板监测、设备点检系统及部分自动化控制系统传感器结合，实现传感技术的突破，实现多网融合，是下一步实现智慧矿山的必由之路。