井工矿5G专网无线覆盖方案研究

杨志华，李 娜，高 天（中国移动通信集团河北有限公司，河北石家庄 050021）

1 概述

我国是一个矿产资源大国，矿产资源储量居世界前三，年经济产值达万亿元，根据中国矿业联合会的统计，我国井工煤矿占比达80%以上。井下空间狭小，环境复杂，生产条件恶劣，对井下通信系统及设备的性能要求非常高。5G 具有高可靠、大带宽、低时延等特点，可用于井下融合通信、高清视频回传、矿用机械远控等场景，已经成为矿山智能化的有效助力［1-2］。

随着国家发改委等八部委联合印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》的通知以及国家工信部等十部委联合印发的《5G 应用“扬帆”行动计划（2021-2023 年）》等相关政策的下发，学术界和产业界对5G技术在矿山的应用展开了深入研究［3-6］，建设了一系列5G智慧矿山示范项目。

目前业界对于5G 网络在井工矿的应用研究主要以煤矿为主，对非煤矿井探索较少。本文根据国家相关规范要求以及5G 网络组网架构，对井下5G 网络的皮基站、微基站、DAS 系统、漏泄电缆等覆盖方式进行了初步研究，为井下5G网络设计提供了多种选择。

2 井工矿5G专网架构

5G 专网是为政企客户建设的5G 专用网络，不承载大网用户，因此具备安全隔离、资源专享等特点［7］。如图1 所示，井工矿的5G 专网主要由无线接入网、传送网、核心网组成，5G 垂直行业专网需求在无线网和传送网部分与5G 公网需求基本一致，不需要单独配置，但是核心网部分涉及到切片管理，在数据配置、功能设计、运维模式等方面与公网差异较大，需要单独配置。

图1 井工矿5G专网架构

5G 网络的无线接入网主要由基带单元（BBU）和射频单元（RRU）组成，按照射频单元发射功率的大小，可以分为宏基站、微基站、皮基站和飞基站4种，主流设备厂家2.6 GHz频段设备的参数如表1所示。

表1 2.6 GHz频段设备参数

由于井下巷道空间有限，无法采用宏基站覆盖，一般采用微基站或皮基站进行覆盖。

5G 传送网采用切片分组网（Slicing Packet Network，SPN）设备，引入了FlexE 交叉硬切片和高精度时间同步等新技术，能够满足5G 业务的安全隔离、稳定低时延要求［8］。井下的SPN 设备具备10GE/50GE 的接口，除传输5G网络数据外，还可以为井下定位系统、监测系统等提供数据传输通道。相比工业交换机，SPN具有传输带宽大、可提供数据隔离等优点，当前也有很多矿企采用SPN 组成万兆环网来代替原有工业交换机组成的千兆环网传输系统。

5G 的核心网分为控制面网元和用户面网元2 部分，控制面网元如AMF、SMF、UDM 等主要提供接入和移动性管理、会话管理以及用户签约数据存储管理等功能；用户面网元UPF 主要提供用户数据的转发功能。由于矿山企业有数据不出园区以及超低时延的需求，因此UPF 一般部署在园区内，控制信令接入大网的TOB核心网资源池。

图2所示为5G专网和公网的结构示意。

图2 5G专网和公网的结构

3 井工煤矿5G网络覆盖方案

煤矿5G 网络覆盖的主要难点是无线接入网的设计，根据GB 3836.1—2010《爆炸性环境第1 部分：设备通用要求》规定，煤矿井下无线发射设备的射频阈功率（无线发射设备的有效输出功率与天线增益的乘积）不得大于6 W。从表1 可知，宏基站和微基站的发射功率超出了规定范围，而飞基站覆盖范围较小，因此煤矿井下5G 覆盖采用皮基站设备。图3 为井工煤矿5G覆盖示意。

根据国家煤矿安全监察局《煤矿矿用产品安全标志管理暂行办法》（煤安监政法字［2001］108 号）的要求，煤矿井下通信设备必须通过MA 认证，传统5G 设备不能满足防爆要求，因此需要进行防爆改造，皮基站需要加装防爆壳，天线外置（见图4）。

图4 防爆改造后的5G设备

皮基站的射频单元pRRU 为4T4R 设备，通过外接2个双极化天线向相对的2个方向进行覆盖，根据煤矿井下实际测试数据，2.6 GHz频段设备在巷道内单边天线的覆盖距离在150 m 左右，2 个pRRU 的间距在300 m左右。

煤矿井下的主要生产区域为综采工作面、掘进工作面、机电硐室和运输巷道4个部分，各区域的业务需求和网络规划要点如表2所示。通常井下应用都是以上行带宽为主，因此5G网络的上下行时隙配比可按照3∶1配置，增强网络上行容量。

表2 煤矿井下5G网络规划要点

同时，皮基站的安装应遵循以下原则。

a）基站安装于地面或巷道壁上，天线安装在距离地面2 m以上，顶板0.5 m以下。

b）基站选择安装于无淋水、岩壁坚固、无遮挡物的位置。

c）每台基站至少预留5 m光缆，便于熔接及维护。

d）拐弯的巷道，基站应部署在转角处，天线朝向两边巷道。

e）在综采面部署时，基站应悬挂在液压支撑架的下部。

图5所示为煤矿井下皮基站安装示意。

4 非煤矿井5G网络覆盖方案

非煤矿井如铁矿、金矿等，不存在瓦斯等爆炸性气体，因此对井下设备的发射功率没有限制，无线接入网可以使用宏基站、微基站、皮基站等设备，根据国家安全生产监督管理局《关于金属与非金属矿山实施矿用产品安全标志管理的通知》（安监总规划字［2005］83 号）的要求，非煤矿井的通信设备必须经过KA认证。

皮基站的井下覆盖方式与煤矿一致，不再赘述，下文重点阐述非煤矿井的微基站、泄露电缆、同轴电缆覆盖方案。

4.1 微基站覆盖

微基站的射频发射功率为4×10 W 或4×20 W，相比皮基站有很大提升，在井下覆盖距离较远。如图6所示，在2.6 GHz 频段，上下行时隙配比为3∶1 的情况下，微站的井下实测上行覆盖距离达到了500 m 以上，下行覆盖距离也超过了400 m。微站设备为4T4R，可以外接2 副双极化天线向两边对打，因此单个微站的覆盖距离达到800 m 以上，相比皮基站节省了一半以上的设备数量。

图6 微基站井下覆盖测试数据

4.2 泄露电缆覆盖

泄漏电缆集信号传输、发射与接收等功能于一体，同时具有同轴电缆和天线的双重作用［9］，特别适用于覆盖公路、铁路隧道、城市地铁等无线信号传播受限的区域，同样适用于井工矿的巷道覆盖。

泄露电缆的信号衰耗有耦合损耗和传输损耗2种，耦合损耗与信号频段相关，传输损耗与传输距离成正比。某型号泄露电缆在2.6 GHz 频段功率预算如表3所示，射频RRU 输出功率为100 W，通过二功分向2 个方向做覆盖，经计算，单边覆盖距离可达250 m 以上，设备的间距大于500 m。

表3 5G NR 2.6 GHz频段泄露电缆功率预算

铁矿的地下开采通常采用无底柱崩落法回采出矿［10］，爆破过程中会产生冲击波，如果采用微基站或皮基站覆盖，冲击波会对设备造成损害。泄露电缆迎风截面积小，不受冲击波影响，在开采区域可减少维护成本。同时泄露电缆可支持宽频传输，在POI 接入4G、广播等设备即可实现信号覆盖，可节省建设成本。

井下隧道通常使用双路泄露电缆增加5G 上下行速率，为增加网络可靠性，可将RRU 2 路射频输出端分别接入2 个井下隧道交叉覆盖（见图7）。当其中一台设备故障时，还可以保证2个隧道都有信号，不影响5G业务。

图7 泄露电缆交叉覆盖示意

4.3 DAS覆盖

分布式天线系统（Distributed Antenna System，DAS）是采用多天线、小功率的手段，将5G 信号均匀分布到空间中［11］。铁矿、金矿开采的地下支路较多且比较分散，如果采用微基站、皮基站、泄露电缆等覆盖方式会使用大量的设备，造成投资浪费。采用DAS 系统可以将1 台RRU 的信号通过同轴电缆分布到多个支路，减少井下建设成本。

如图8 所示，某矿井交叉支路比较多，5G 信号需要向不同的方向辐射，如果采用其他方案，需要部署2台以上设备。采用DAS 覆盖，1 台RRU 外接的多个对数周期天线可以朝向不同的方向，满足电机车无人驾驶的网络需求。

图8 某金矿井下5G DAS系统

4.4 几种覆盖方式对比

根据主流5G 设备厂家的组网方案，同一台BBU下可以下挂微站RRU、室分RRU 以及皮站的pRRU，因此不同的覆盖方案可以共基站部署。表4给出了不同覆盖方案的优缺点和适用场景，在非煤矿井部署5G网络时可根据现场环境以及项目预算选择合适的覆盖方案。

表4 几种覆盖方式差异

5 结束语

5G 网络为矿山智能化应用提供了高速网络通道，根据目前量产的5G无线网络设备特性，可以为井工矿山提供多种网络覆盖方案。目前5G 设备的参数还是以满足公网为主，并没有专用的矿用设备型号，并不能很好地适配矿井的覆盖需求。部分设备厂家正在研发矿用5G 本安型设备以及高增益矿用天线等新型5G 设备，在矿山5G 网络建设过程中应及时关注5G 新技术、新应用的发展方向，选择经济合理的覆盖方案满足矿山5G网络的需求。