4G+5G 融合调度通信网络在煤矿井下的应用研究

王 航

（山西焦煤西山煤电（集团）有限责任公司， 山西 太原 030053）

0 引言

井下调度通信网络作为整体生产中最重要的通信方式，对提高生产安全性有着积极的意义[1]。但就当前我国煤矿产业情况而言，很多煤矿在井下网络信息传输方面都存在着数据传输量小、传输速率低、覆盖面不全等问题，而5G 技术的出现给煤矿企业解决此些问题提出了新的路径。其中4G+5G 融合调度通信网络的建立不仅能够提高网络的覆盖范围，对智慧矿山的发展也有着积极的推动作用，同时这也是煤矿产业未来发展的必然方向[2]。

1 4G+5G 融合调度通信网络的优势

某煤矿井下巷道总体长度已经超出20 km，随着生产工作的持续推进,井下通信网络方面的问题也逐渐显露，其中主要表现为如下方面：通信信号覆盖范围不全；信息传输速率低下；传输量小。

对此，本次通过建立4G+5G 融合调度通信网络以期解决上述问题。在4G+5G 融合调度通信网络建立当中，需要实现如下方面内容：5G 无线信号需要全覆盖井下工作面；4G 无线信号需要全覆盖井下大巷；降低数据传输的延时性，为远程设备控制提供安全保障。

2 4G+5G 融合调度通信网络建设方案

本次网络通信方案设计主要是基于4G+5G 融合通信系统而完成的。在整体设计当中，4G 通信系统主要设置在大巷位置处，主要作为关键业务通信方式；而5G 通信系统主要设置在井下工作面当中，主要作为视频监控信息等大数据量的传输方式。在整个融合通信系统的建设过程中，主要包含有设备终端、网络层以及管理平台三部分。

在系统的建立过程中，需要融合多接入边缘计算，通过在分组传送网（PTN）与井上调度服务平台之间布置相应的多接入边缘服务器，以此来实现低延迟、高带宽的目的。进而调度服务平台能够快速、高效地处理监控信息等边缘计算任务。

3 井下基站的部署

根据对某煤矿的实际分析，在井下基站部署当中主要是通过光缆来实现分组传送网（PTN）与基带处理单元（BBU）的连接，之后再利用光缆实现BBU 与射频拉远模块（RRU）的连接。在PTN 与BBU 的连接采用4 芯光缆，BBU 与RRU 的连接采用2 芯光缆。在本次基站部署过程中，所应用的组网形式有星形连接、串形连接和环形连接三种，其中星形连接主要是在井下PTN 与BBU 连接的基础上，增加多台RRU 与BBU 相连接；串形连接是井下PTN 与BBU 经过光缆连接，之后一台RRU 通过光缆与BBU 相连接，并且该台RRU 利用自身串口和光缆与下一台RRU 相连接；环形连接指的是井下PTN 通过4 芯光缆与BBU实现连接，之后BBU 通过光缆与1 台RRU 相连接，并且RRU 通过自身串口和光缆与另一台RRU 相连接，以此类推，最后一台RRU 通过光缆与第一台BBU相连接，进而形成环网保护。

根据对某煤矿实际情况分析，具体基站布置情况如表1 所示。

表1 基站布置情况

4 应用效果分析

4.1 测试设备及测试方式

4.1.1 测试设备

RRU 型号为5235E，功率为5 W；无线终端设备（CPE）；华为mate 40 pro。

4.1.2 测试方式

上/下行时隙配比分别设置为2∶8 和3∶1 两种，天线增益设置为15 dbi。在综采面测试过程中，RRU布置在入口处，天线安装在RRU 上方，测试方式为正向测试；在大巷测试过程中，RRU 布置在监控车当中，天线安装在监控车顶部，测试方向为正背向测试。

4.2 测试结果分析

4.2.1 掘进机未阻挡情况下综采区测试

测试所应用终端设备为CPE，掘进机具体位置处于测试区域190 m 外，并未阻挡天线。具体测试结果如图1、图2 所示。

图1 上下行速率图

图2 上传速率与信号接收功率（RSRP）线图

由图1、图2 可知，在信号RSRP 达到-105 dBm时，综采区工作面覆盖5G 信号覆盖边缘达到151 m，此时上行速率为42 Mbit/s，满足煤矿生产过程中信号传输20 Mbit/s的基础要求。在5G 信号上行速率为20 Mbit/s时，CPE 与天线距离为174 m。

4.2.2 掘进机阻挡情况下综采区测试

测试所应用终端设备为华为mate 40 pro，掘进机具体位置处于天线前端，天线被影响并覆盖。

此时测试将与天线距离105 m 处（RSRP 为-105 dBm）作为5G 信号覆盖边缘，在检测过程中发现上行速度为10 Mbit/s，并未满足信号传输20 Mbit/s的基础要求。随着距离的不断推进，在距离98 m 时上行速度达到20 Mbit/s。

由此可见，设备阻挡在一定程度上会降低信号的覆盖范围，对数据信息传输速率也有着一定的影响。因此在煤矿井下RRU 的设置当中，为了保障信号的全范围覆盖，需要在间隔190～196 m范围内设置一个RRU。

4.2.3 两辆车阻挡情况下大巷测试

测试所应用的终端设备为CEP，测试过程中距离天线40 m 处有两辆（一大一小）运输车正在作业，具体测试结果如图3 所示。

图3 上行速率图

如图3 所示，在信号RSRP 达到-105 dBm 时，大巷覆盖5G 信号覆盖边缘达到212 m，此时上行速率为27 Mbit/s，满足煤矿生产过程中信号传输20 Mbit/s的基础要求。在5G 信号上行速率为20 Mbit/s 时，CPE与天线距离为221 m。

为此，为了保障煤矿信息传输速率能够达到20 Mbit/s，并结合大巷内部车辆作业实际情况，建议天线设置间隔为436～442 m 范围内。

5 应用经济效益

由于4G+5G 融合调度通信网络的建设，因信号传输速率较慢导致工作效率低下的问题有了进一步的缓解。西翼集中轨道大巷辅助运输能力提升27.60%；22122 工作面生产能力提升11.01%；中央1号变电所监控人员数量由6 人减少到4 人，这也有效地降低了人工成本投入，同时由于工作效率和生产产量的提升，企业的经济效益也得到了巨大的提升，预计每月可以节约32 万元。

6 结论

1）通过对某煤矿通信系统缺陷分析，提出4G+5G融合调度通信网络建设的主要目的。

2）根据某煤矿的实际情况建立以设备终端、网络层以及管理平台三部分为主的融合调度通信系统。

3）针对某煤矿的现有情况进行网络基站的部署，以此来实现煤矿网络的全范围覆盖。

4）根据对该煤矿4G+5G 融合调度通信网络的测试分析发现，在满足煤矿上行20 Mbit/s 速率要求的情况下，RRU 覆盖能力为98 m，因此在综采面RRU的设置间隔需要控制在190～196 m 范围内；而在大巷内部，天线的覆盖能力为221 m，因此在大巷天线的设置间隔需要控制在436～442 m 范围内。并且该煤矿在建设完成4G+5G 融合调度通信网络后，辅助运输效率和生产能力也有了巨大的提升，其中运行监控人员有了一定下降，这也是煤矿企业降本增效的急切需求。