基于三频组网的4.9 GHz时隙翻转技术在西湾煤矿的应用

马小龙，雷 健，王晓琦

（1.国家能源集团陕西神延煤炭有限责任公司，陕西 榆林 719000；2.中国移动通信集团陕西有限公司 榆林分公司，陕西 榆林 719000）

0 引言

5G时代，移动通信将赋能各行各业，成为社会数字化发展的强力催化剂，推动全社会数字化、智能化发展，壮大数字经济。同时，业务需求的多样化为通信网络发展带来了巨大挑战，例如智慧矿山、智能家居、智慧电网、智慧农业等需要大量的额外连接和频繁传输小数据包的服务支撑，自动驾驶和工业控制要求毫秒级时延和接近100%的可靠性，而娱乐信息服务则要求高质量的固定或移动宽带连接。国际电信联盟将5G时代的业务归纳成3种典型的类型：增强型移动宽带（eMBB）、超高可靠性低时延业务（URLLC）和海量机器类通信（mMTC）［1-2］。

西湾露天煤矿为贯彻国家能源集团《关于进一步加快煤矿智能化建设的通知》要求，以建设高级智能露天煤矿为目标，结合西湾露天煤矿开采工艺技术现状，在现有自动化、信息化的基础上，融合5G、MEC边缘云、车联网、大数据、人工智能等先进技术，计划于2022年建成中级智能矿山，2025年建成高级智能矿山。

西湾露天煤矿智能矿山实施方案按照“1+1+6”打造，即“1张网+1个控制平台+6个智能化系统”，其中智能化系统包含智能生产、智能运输、智能辅助生产、智能辅助运输、智能视频和连续采煤。在西湾煤矿智能化生产项目中，其无线网络既要满足无人驾驶低时延、高可靠性的需求，又要具备远程驾驶（高清视频回传）的上行大带宽需求。国内外运营商5G频段主要以下行业务为主，即下行速率较高；而煤矿业务类型主要为采煤区视频监控、远程驾驶以及信息采集等，单终端上行需求在30 Mbit/s到50 Mbit/s之间，且以上行业务为主［3］。解决上行传输需求有两个方案：其一是减少无人矿用卡车（简称“矿卡”）上行数据传输需求，其二是增加无线网络上行传输能力。

本文以西湾煤矿智慧矿山建设为背景，依托中国移动公司5G商用频段，研究实现西湾煤矿智能网络上行大带宽的新型无线组网方式，其中既要考虑视频回传业务增强型移动带宽特点，又要满足无人驾驶业务超高可靠性、低时延的业务需求。

1 西湾露天煤矿智能系统网络需求

1.1 智能系统架构

西湾煤矿智能系统由矿区无人矿卡车载系统、无人矿卡装载专用切片的用户终端设备（customer premise equipment，CPE）、无线基站、传输网、双容灾下沉用户端口（user port function，UPF）、矿山运营平台组成，见图1。该系统可分为3部分：一是终端用户，即无人矿卡和挖掘机械；二是无线基站系统；三是无线基站之上的有线系统，即传输网、UPF和矿山运营平台。终端用户产生数据通过无线网络传输至矿山运营平台。本文主要对其无线网络带宽能力进行研究和实践。

图1 西湾煤矿智能系统架构图Fig.1 Intelligent system architecture of Xiwan Coal Mine

1.2 网络带宽需求分析

根据西湾煤矿智能化业务发展规划及其后续智能化建设目标，矿区需要的上行带宽总计为6 298 Mbit/s，见表1。当前智能化建设以无人驾驶应用投产为目标，其中无人矿卡系统运用需要的上行带宽为1 818 Mbit/s。要实现上行带宽1 818 Mbit/s，存在以下难点：

表1 西湾煤矿各个业务上行带宽需求Tab.1 Uplink bandwidth requirements of multi service systems in Xiwan Coal Mine

（1）“无人驾驶+远程驾驶”业务长期共存，考虑无人驾驶系统的健壮性，需要同步进行远程驾驶业务调试，以应对无人驾驶业务应急处理。矿卡远程驾驶业务需要实时进行视频回传，单车上行带宽需求为30.3 Mbit/s。

（2）网络要求高。单车上行边缘速率要大于50 Mbit/s，端到端时延要求不大于20 ms。

（3）业务复杂，对网络上行带宽和时延提出了巨大挑战。矿区既需要考虑无人驾驶、远程驾驶、辅助设备、连续采煤、采坑排水等业务之间的协同关系，同时要考虑车载视频回传、控制以及采煤区监控等业务之间的协同［4-7］。

1.3 无线网络覆盖区域分析

针对矿区业务需求，结合西湾煤矿地理环境、煤层开采计划、辅助配套设施分布、无人驾驶业务规划、矿区开采安全性等诸多因素论证分析，需要在5G网络建设过程中考虑业务发生区域、业务特点和网络需求、无线基站分布等方面影响因素。例如：

（1）应聚焦无人驾驶业务区。无人驾驶矿卡主要在3个区域作业，即试验区1-空载试验区、试验区2-重载运行区域、试验区3-坑底业务区。各试验区覆盖区域见图2，图中红色框代表煤矿整个区域。试验区1是东端帮1160排土场，为单车空载自动驾驶调试区域，该区域长约280 m、宽约250 m。试验区2是西端帮1103工作面至西端帮1110排土场区域，该区域内进行岩石剥离及排弃作业，区域长约450 m、宽约310 m。试验区3是无人驾驶全覆盖区域，由岩石采剥台阶（4组）和内排土场岩石排弃台阶（3组）组成，长约2 050 m、宽约720 m、采深约75 m。

图2 无线网络覆盖区域位置示意Fig.2 Location of wireless network coverage

（2）需要满足三维立体覆盖。矿区网络覆盖区域长约2.5 km、宽约2.1 km，岩石最高点至煤底板水平高差75 m，要求网络信号覆盖无盲区。采煤区为梯田式沟壑环境，见图3，需要考虑网络立体覆盖效果。

图3 采煤区现场无线环境Fig.3 Wireless environment of the onsite coal mine

（3）核心区域站点落地难。无人驾驶车辆高9 m、有效视距为20 m，同时考虑业务区安全性、采煤进度、无线基站及配套设备施工难度等因素，因此无法在核心区域布放无线基站。

（4）采煤移动速度快，这给网络部署和优化带来挑战。根据开采进度，煤层大概每3个月向前移动100 m，这就要求无线基站进行同步搬迁以满足覆盖需求。而频繁的搬迁将导致网络结构变化，需不断的优化网络结构以满足业务速率和时延需求。

综上分析可见，相比目前国内其他已有煤矿，西湾煤矿对于灵活可变组网和无线网络立体覆盖有更高要求；且通过前面分析可知，西湾煤矿对网络业务带宽和时延等指标要求更高。因此，传统的单频组网及优化手段已无法满足西湾煤矿的业务要求。

2 基于上行速率的无线网络组建方案

为满足西湾煤矿大带宽、低时延、高可靠性等网络业务需求，本文提出“2.6 GHz+700 MHz+4.9 GHz”三频协同立体网络方案，其中2.6 GHz频段解决边缘地带容量问题；700 MHz频段全覆盖且组成超级小区，解决采煤区中心位置覆盖不足问题，同时增强时延可靠性；4.9 GHz时隙翻转1D3U（其中D指下行，U指上行）帧结构补足上行大带宽，解决核心业务区容量问题。

2.1 基于上行速率的网络模型搭建

以上行边缘速率为50 Mbit/s为基准，综合评估业务需求和无线网络环境，在现场勘察基础上，结合无线网络覆盖链路预算，给出不同频段的基站小区覆盖半径和站间距分布建议（表2）。

表2 不同频段基站站间距Tab.2 Distances between base stations in different frequency bands

2.2 基于上行速率三频组网方案

图4为根据矿区重点业务区划分、矿区站点落地难易程度以及基于网络模型的站间距所得出的站点具体配置及分布位置图，其物理站点配置及扇区配置见表3（表中“S1”代表基站上安装了1个扇区，“S11”代表基站上安装了2个扇区，“S111”代表基站上安装了3个扇区，“/”代表此处无该频段基站）。其中频段700 MHz作为基础覆盖层，使用9个射频拉远单元RRU分布于5个物理站点，组成3个超级小区，完成矿区全覆盖；2.6 GHz频段作为增强覆盖层，开通21个小区，分布于7个物理站点，完成边缘核心路段覆盖及业务区容量吸收；4.9 GHz频段作为核心业务区容量吸收层，开通1个基站3个扇区分布于核心业务区坑底，承载视频业务回传。在2.6 GHz、700 MHz和4.9 GHz这3个频段之间部署互操作策略，可实现无缝链接。［8］

图4 无线基站分布组网图Fig.4 Distribution of wireless base stations

表3 无线基站配置Tab.3 Configurations of wireless base stations

2.3 基于上行速率的4.9 GHz时隙翻转1D3U方案

核心业务区的煤顶板和石顶板区域是无人驾驶业务密集区，存在多车会车的情况。为了进一步提升该区域业务承载能力，部署了移动性“4.9 GHz+2.6 GHz”基站；同时，针对4.9 GHz基站，部署了参数时隙翻转1D3U方案（其中D为下行时隙，以为上行时隙），即将下行时隙改变为上行时隙，使得下行与上行的占比由5∶3变为1∶3（不含特殊时隙），以增加上行吞吐量。

2.3.1 4.9 GHz常规帧结构配置

4.9 GHz频段帧结构常规配置采用100 MHz带宽，重复周期为5 ms，方式为DDDSUDDSUU，帧结构见图5，其中S为特殊时隙。其4.9 GHz常规帧传送周期为2.5 ms+2.5 ms，每0.5 ms为一个时隙，编号分别为#0、#1、#2、…、#9。每个“2.5 ms+2.5 ms”周期的第一个2.5 ms内，时隙#0、#1和#2被固定作为DL，时隙#3为下行主导（dominate）时隙，格式为DL-GP，SSB信号（即同步和广播信号）可以在时隙#0、#1、#2和#3上传送；时隙#4固定作为UL主导（prevail）时隙，PRACH信号（物理随机接入信道）可以在时隙#4上传送。每个“2.5 ms+2.5 ms”周期内的第二个2.5 ms内，时隙#5和时隙#6被固定作为DL，时隙#7为下行主导时隙，格式为DL-GP-UL；时隙#8和时隙#9被固定作为UL时隙，PRACH信号可以在时隙#8和时隙#9上传送。

图5 4.9 GHz常规帧结构Fig.5 Structure of 4.9 GHz regular frame

2.3.2 4.9 GHz时隙翻转1D3U帧结构配置

1D3U帧结构配置采用100 MB带宽，重复周期为2.5 ms，特殊帧结构配比为DSUUU，见图6。传送周期为2.5 ms。每个2.5 ms内，时隙#0固定作为DL，时隙#1为下行主导时隙，格式为DL-GP-UL。SSB信号可以在时隙#0和#1上传送，时隙#2、#3、#4固定作为UL时隙，PRACH信号可以在时隙#2上传送［9］。

图6 4.9 GHz 1D3U帧结构配置示意Fig.6 Schematic diagram of 4.9 GHz 1D3U frame structure

4.9 GHz常规帧结构配置为D∶S∶U=5∶2∶3；4.9 GHz时隙翻转1D3U帧结构配置为D∶S∶U=1∶1∶3，即将4.9 GHz常规帧结构配置中时隙#2、时隙#3、时隙#7翻转为上行时隙U，将时隙#1、时隙#6配置为特殊时隙S，最终使得D∶U=1∶3。

3 无线网络方案实施效果

3.1 基于上行速率三频组网实施效果

按照本文所提无线网络建设方案在西湾煤矿采煤区完成基站建设开通后，形成了“700 MHz+2.6 GHz+4.9 GHz”三频组网，通过多轮次精细化网络优化调整，完成部署700 MHz超级小区、上行速率增强、低时延精准网络、低时延动态调度等功能，使得各个频段网络协同工作、互为补充，增强了网络健壮性以及安全性。

网络部署完成后，使用5G网络路测工具SPARK进行路测。结果显示，轻载试验区、重载试验区、全采区实现了5G网络全覆盖，各个区域上行边缘速率50 Mbit/s以上的占比大于99%，平均时延均小于20 ms，测试结果见表4。

表4 三频组网方案实施后各区域网络测试结果Tab.4 Network test results of each region after the implementation of triple-frequency networking scheme

3.2 4.9 GHz时隙翻转方案实施效果

4.9 GHz时隙翻转方案实施后，上行频宽占比由32.9%提升至62.8%。使用网络测试软件SPARK做上行带宽测试，结果显示，网络的上行峰值速率由原来的290 Mbit/s提升至600 Mbit/s。

4 结语

本文通过对西湾煤矿业务需求进行分析，并结合现场无线环境，提出了基于上行速率的5G无线网络方案，即在“700 MHz+2.6 GHz+4.9 GHz”三频组网基础上，部署超级小区、时延增强、上行速率增强等功能，满足了“无人驾驶+远程驾驶”对大带宽、低时延的业务需求。为进一步提升核心业务区无人驾驶业务感知能力，部署了时隙翻转1D3U超级上行技术，使得网络上行峰值速率由290 Mbit/s提升至600 Mbit/s，满足了当前西湾煤矿网络需求。后续随着无人驾驶业务、电铲、辅助车辆等项目全量接入网络，需要进一步扩展上行容量。目前，在“700 MHz+2.6 GHz+4.9G Hz”三频组网下，可实施700 MHz频段只配置30 MHz带宽、三频网络载波聚合等措施来提升上行网络容量，但由于现有5G终端CPE不支持30 MHz带宽、载波聚合等功能而无法实践。为此，后续将探索研究终端、应用及网络的最佳匹配。