煤矿用5G 关键技术研究现状与发展方向

摘要：结合现阶段煤矿用5G 研究成果和应用实践经验，从煤矿用5G 专网组网架构、覆盖优化、智能化应用场景构建3 个方面分析了煤矿用5G 关键技术研究现状与发展方向。煤矿用5G 专网组网方面：煤炭集团级大规模组网和矿井独立专网2 类模式可满足煤矿用5G 系统建设部署需求。煤矿用5G 无线覆盖增强方面：煤矿用5G 无线传输性能需要持续研究和提升，现阶段宜采用低频段（1 GHz 以下）多载波SUL（补充上行链路）进行煤矿用5G 的覆盖优化；针对井下无线电波防爆安全功率阈值可能实现的突破和提高，需要通过同步提升煤矿用5G 基站与终端两侧的无线发射功率，方可实现煤矿用5G 系统整体覆盖能力优化；需要开展基于6G RIS（可重构智能超表面）的煤矿用5G 覆盖增强技术预研，为无线覆盖能力提升提供进一步支撑。煤矿智能化5G 应用场景构建方面：需要开展矿用装备与矿用通信领域的联合技术攻关；研究基于煤矿用5G 的装备远程控制及未来装备自主群体协同控制的信息物理映射；研究智能化应用的预期功能安全机制；研发小型化、轻量化及全面适配现场设备工业控制协议的煤矿用5G 模组。

关键词：智能矿山通信；煤矿用5G；5G 专网；无线覆盖；智能化5G 应用场景；矿井无线电波；防爆安全；可重构智能超表面；装备远程控制

中图分类号：TD655 文献标志码：A

0 引言

2020 年，由国家发展改革委、能源局、应急部、煤监局、工信部、财政部、科技部、教育部8 部委联合印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》后，正式开启了煤矿用5G 技术研究和系统装备研发应用的进程。业界学者、科研单位、生产企业在煤矿用5G 技术及应用方面开展了深入的工作，主要聚焦在煤矿用5G 系统架构和技术攻关方向、无线传输与安全应用、应用场景构建、标准制定等方面。

在煤矿用5G 系统架构和技术攻关方向方面，目前研究形成并广泛部署应用了独立组网/独立运行的专网核心网+骨干承载网+无线基站设备+终端设备的网络架构。孙继平[1]研究了煤矿智能化中矿用5G 技术特点和适用范围，明确了矿用5G 系统的研发方向和原则，指出研发矿用5G 不仅仅是对现有地面5G 产品进行防爆改造。同时，孙继平[2]研究了煤矿智能化与矿用5G 和网络硬切片技术，指出了综合承载网与网络硬切片技术是支撑矿用5G 承载网的关键技术装备。孟庆勇[3]研究了5G 技术在煤矿井下的应用架构，提出了煤矿用5G 系统部署方案。李晨鑫[4]研究了矿用5G 通信演进技术，指出RedCap轻量化模组、通信定位一体化等演进方向适用于煤矿5G 领域。

在煤矿用5G 无线传输与安全应用方面，孙继平等[5]研究了矿用5G 频段选择及天线优化设置，指出无线传输面临的关键问题和方案。常琳等[6]开展了煤矿5G 通信系统的安全性研究，提出了发射阈功率参数、电磁兼容、系统组网等方面具体的计算和测试方法。郑小磊等[7]研究了煤矿5G 通信系统安全技术要求，明确了关键指标的检验方法。张立亚[8]研究了煤矿5G 通信系统的安全应用技术，提出了天线隔离电路输出信号本安的关键设计。霍振龙[9]研究了矿井无线通信系统现状与发展趋势，指出隔爆兼本安型的煤矿用5G 基站设备使用不便且使用场合受限，应开展本安型煤矿用5G 基站设备的研发。

在煤矿用5G 应用场景构建方面，王国法等[10-11]针对5G 技术在煤矿智能化中的应用、煤矿无人化智能开采系统理论与技术开展了系统性研究，提出了基于5G 等无线通信技术开展智能感知控制的研究方向。范京道等[12]开展了采用5G 技术支撑智能化开采关键技术的探索，分析了5G 对于智能化开采的支撑优势。李晨鑫等[13-15]系统研究了基于5G 的矿用装备远程控制技术，运用信息物理系统架构研究方法构建了5G+智能采煤/智能掘进/无人驾驶/智能主运等应用场景，提出了针对性的5G 资源调度方法，研究了基于5G 蜂窝车联网的网联式自动驾驶技术、基于5G 直连通信的矿井应急通信技术。顾义东[16]分析了采用煤矿用5G 技术进行智能掘进的感知、视频监控和远程控制等相关应用需求，研究了5G+智能化掘进的应用。

在煤矿用5G 标准制定方面，由于5G 技术设计之初主要面向公众电信网络的商用场景，未针对井下5G 应用特定需求开展专用底层技术制定，在煤矿用5G 先期开展建设的同时，逐步开展了相关行业标准的制定。《煤矿用5G 通信系统通用技术条件》等5 项中国能源行业标准目前正在报批，中国矿业大学（北京）孙继平教授主持开展了核心的系统、基站控制器与基站等3 项标准制定，系统制定了功能、无线频段、测试方法等技术要求[17]。为了进一步提升5G 技术在矿山领域的适用性，中国通信行业标准归口组织中国通信标准化协会成立了“5G 矿山行业专网子工作组”，以制定符合矿用需求的专用5G 通信底层标准，制定了作为工业和信息化部矿山5G 通信行业标准立项指南的《面向矿山行业的5G 专网通信标准体系》，从总体技术要求和系统设备规范2 个方面制定了16 项中国通信行业标准计划，将为矿山5G 及演进提供充分的标准支撑。蔡峰等[18]研究了矿用5G 系统数据交互和共享流程，开展了国家矿山安全监察局《智能化矿山数据融合共享 矿用5G 智能终端数据共享规范》的制定。

开展煤矿用5G 技术研究和现场应用以来，形成了系列研究成果和代表性应用案例，初步实现了智能矿山信息高速传输通道的构建。但面向智能化场景的实际应用，目前仍存在井下5G 覆盖受限、无线射频发射功率阈值待突破、场景应用的信息物理映射及系统安全技术有待完善等关键问题。为此，本文针对煤矿用5G 技术研究应用现状进行系统性分析，厘清目前存在的关键问题并开展研究，以期为煤矿用5G 技术突破瓶颈、进一步推广应用提供支撑。

1 煤矿用5G 通信专网组网架构

《煤矿5G 通信系统安全技术要求（试行）》规定“5G 系统应能实现独立组网、独立运行，在外部网络故障或断开时，系统应能安全、独立、稳定运行，保证无线通信及数据传输的可靠、稳定”。

针对煤矿用5G 独立组网、独立运行的需求，目前主流组网模式聚焦于煤炭集团级大规模组网和矿井独立专网2 类。

煤炭集团级大规模组网模式适用于煤炭集团集中管理、集中调度的通信网络建设，可在集中中心设置大规模核心网，业务下沉至矿区网络进行传输，对于需要矿区闭环的业务数据在矿内流转，需要进行集团中心管控或跨矿区交互的数据可按需传输至中心网络进行管理或转发。煤炭集团级大规模组网模式适用于建设多矿井统一接入的矿用5G 网络，组网架构如图1 所示。

矿井独立专网模式可在矿内部署轻量化核心网，按照煤矿用5G 网络的通信需求，部署必要的网元实现接入与移动性管理、会话管理、统一数据管理、策略控制管理、网络切片选择功能管理、鉴权服务器管理、用户平面管理、网元存储等功能。矿井独立专网模式适用于单个矿井独立建设5G 网络，组网架构如图2 所示。

煤矿用5G 通信专网组网架构方面研究成果及应用案例已可满足煤矿用5G 网络建设的需求，后续可在5G LAN 功能具备部署条件后，对核心网软件进行升级，以满足工业控制通信需求，而不需采用配置维护过程更为复杂的层二隧道构建方式支撑控制传输。

2 煤矿用5G 覆盖优化

煤矿用无线通信系统设备无线发射功率阈值为GB/T 3836.1−2021《爆炸性环境 第1 部分：设备 通用要求》规定的I 类防爆条件下的6 W[19]。为实现煤矿用大带宽传输能力，无线带宽达100 MHz，相比4G的最大带宽20 MHz 提升了5 倍。决定无线通信覆盖性能的关键指标为无线信号功率谱密度，在6 W无线发射功率阈值限制下，5G 无线带宽的显著提升造成覆盖性能进一步受限。

煤矿用5G 应用之初主要采用中频5G 频点，如2.6，3.5 GHz，覆盖距离一般为100～150 m，造成基站部署密度大、系统建设成本较高。煤矿用5G 一直面临覆盖能力受限的关键问题。为此，需要开展煤矿用5G 覆盖优化的关键技术研究。

2.1 井下5G 低频多载波无线覆盖

工业和信息化部最早在2018 年底公布了国内运营商的5G 频段：中国移动的5G 频段为2 515～2 675 MHz（2.6 GHz 频段） 和4 800～ 4 900 MHz（4.9 GHz 频段）；中国电信的5G 频段为3 400～3 500 MHz；中国联通的5G 频段为3 500～3 600 MHz。5G 网络建设中， 3 400～3 500 MHz 和3 500～3 600 MHz 频段由中国电信与中国联通共建共享（3.5 GHz 频段）。

低频段重耕用于5G 的工作最早于2020 年启动，工业和信息化部先将700 MHz 频段分配给中国广电，中国广电与中国移动达成共识，对700 MHz 频段进行共建共享。之后工业和信息化部在2022 年11 月将900 MHz 频段（中国联通）重耕用于5G，在2023 年8 月，将800 MHz 频段（中国电信）重耕用于5G，中国电信与中国联通具备了采用800，900 MHz共建共享5G 网络的条件。

针对煤矿井下受限空间且存在金属设备设施遮挡的无线传输环境，无线频段越低，则随传输距离增大的无线衰减越慢，穿透能力及绕射、衍射性能越好。1 GHz 以下5G 的低频段因其较优的衰减性能及传输能力，在煤矿井下5G 覆盖中具有天然优势。孙继平针对矿用5G 频段选择及天线优化设置指出，700 MHz 频段与2.6，3.5，4.9 GHz 相比，具有无线传输损耗小、传输距离大、绕射能力强等特点。为此，应将低频传输作为重点研究方向[5]，解决井下5G 覆盖受限的关键技术难题。

井下700 MHz 频段研究与应用中，由于700 MHz频段的通信制式为FDD（Frequency DivisionDuplexing，频分双工），上行传输带宽为703～733 MHz，上行传输速率不足，通常采用700 MHz+2.6 GHz 进行联合覆盖，700 MHz 用于覆盖增强，2.6 GHz 则提供大带宽的上行传输能力。

为实现井下5G 对覆盖增强和上行大带宽传输的支撑，采用低频双载波进行联合覆盖，即在主载波的基础上， 通过调度辅载波资源进行SUL（Supplementary UpLink，补充上行链路）传输，从而在单设备中同时实现覆盖距离提升和上行大带宽传输，而无需按照不同布站间隔部署2 套不同频段的井下5G 基站。目前煤矿用5G 低频SUL 无线覆盖距离可达600 m 以上，同时具备700 Mbit/s 的上行传输能力。井下5G 低频SUL 基本原理如图3 所示。

2.2 井下无线电波防爆安全功率阈值提升

除无线传输衰减快等传输环境影响外，煤矿用5G 覆盖能力受限的另一个主要原因是井下无线电波防爆安全功率阈值要求造成井下5G 传输的无线发射功率相比地面环境显著受限。

无线电设备发射功率有2 项关键指标，一项为射频端口的输出功率，另一项为EIRP（Effective IsotropicRadiated Power，有效全向辐射功率），EIPR 为射频端口输出功率加上天线增益再减去馈线及插入损耗后的辐射功率。6 W 的井下无线电波防爆安全功率阈值对应EIRP 的指标。业界学者开展了6 W 井下无线电波防爆安全功率阈值的标准溯源研究和射频引爆测试研究。

无线电波防爆安全功率阈值的标准溯源研究中，孙继平教授团队开展了GB/T 3836.1−2021 的溯源分析，进行了相应的矿用无线传输特性分析方法研究和井下5G 辐射场中的安全性分析等[20-22]，目前最新的研究进展指出，煤矿井下无线电波防爆安全发射功率阈值应大于16 W，而不是GB/T 3836.1−2021 规定的6 W[23]。

井下无线电射频引爆测试中，文献[24]分析了井下瓦斯环境下射频引爆风险， 认为至少可将700 MHz 频段基站功率限制由阈功率6 W 提升到端口20 W 以上。

通过相关研究和试验， 若将来可以通过修订GB3836.1−2021 或更新版本，提高井下无线电波防爆安全功率阈值，也可在提升井下5G 无线传输覆盖性能方面实现显著突破。

若井下无线电波防爆安全功率阈值可提高，在煤矿用5G 设备进一步的研发过程中，需要高度关注终端发射功率提升的关键问题，主要涉及以下2 个关键点：

1） 单独提高煤矿用5G 基站射频发射功率不能有效实现煤矿用5G 通信系统的覆盖能力优化。煤矿用5G 通信系统上行需求显著，单独提高煤矿用5G 基站射频发射功率，能够提升基站无线覆盖距离。但5G 终端能力相比基站相对低，如果不在终端侧同步提升射频发射功率，则上行覆盖无法优化，煤矿用5G 通信系统不能有效提升覆盖能力。因此，提升煤矿用5G 系统的整体覆盖能力，需要同步提高煤矿用5G 基站和终端两侧的射频发射功率。

2） 单独提高煤矿用5G 终端的天线增益，不能达到最佳的上行覆盖性能优化效果。提高煤矿用5G 终端的射频发射功率存在2 种方式：① 提高煤矿用5G 终端的天线增益。通过该方法可一定程度上优化煤矿用5G 终端的覆盖能力，但天线增益的提升，会导致无线信号能量聚集在部分范围，包括将全向天线无线辐射信号覆盖的球形电磁场改变为饼形电磁场，以及使定向天线的能量聚焦在更加窄的辐射区域，当天线增益提高到一定程度后，不可避免会出现无线信号的覆盖盲区。需要结合大规模阵列天线及波束赋形技术，针对井下5G 传输信道开展针对性建模， 需要进行大量的基础研究和评估工作。② 提升终端的端口输出功率。3GPP（3rd GenerationPartnership Project，第三代合作伙伴计划）定义的终端端口输出功率主要是2 类， 分别为功率等级2（Power Class 2，26 dBm）和功率等级3（Power Class3，23 dBm）[25-27]，主要是考虑无线辐射下人体的安全性。考虑到提升端口输出功率会提升PA（PowerAmplifier，功率放大器）性能，通常在中国通信行业标准中将终端的端口输出功率必选为功率等级3 的23 dBm[28-30]。为此，在未来面向矿山行业的5G 专网通信标准制定中，需要对相应的煤矿用5G 终端功率等级进行针对性研究和规定。另外，考虑到无线辐射对人体的安全性，提升煤矿用5G 终端的端口输出功率应主要针对用于煤矿设备通信的CPE（CustomerPremises Equipment，用户驻地设备）和模组，而煤矿用5G 手机由于发送带宽相对小，相比大带宽传输的终端设备，其功率谱密度更大，上行覆盖能力相对优越，则不是终端无线发射功率提升的重点。

因此，需要同步提升煤矿用5G 终端（特别是用于煤矿设备通信的CPE 和模组）的天线增益与端口输出功率，同步开展当前不适用于煤矿用5G 的大规模阵列天线及波束赋形技术研究，并在下一阶段矿山5G 专网通信标准制定中，对相应的煤矿用5G 终端功率等级进行针对性研究和规定。

2.3 基于6G RIS 的煤矿井下5G 无线覆盖增强

提升煤矿用5G 基站和终端的无线发射功率是从信源侧提升系统传输能量，但煤矿井下信道中无线传输损耗显著，是影响井下5G 无线覆盖能力的另一个核心因素。

RIS（Reconfigurable Intelligent Surface，可重构智能超表面）技术由东南大学崔铁军院士团队率先开展研究，RIS 是一种具有可重构电磁特性的二维人造材料，通过对嵌入在RIS 元素中的可调器件进行调控，能够实现每个元素对电磁波的相位、幅度、极化和频率响应的调整，从而具备可编程方式重塑空间电磁波的能力，可实现无线覆盖增强与扩展、传输容量提升等功能[31]。

目前针对煤矿井下RIS 开展了初步研究。李世银等[32]研究了煤矿井下智能超表面非视距无线覆盖技术，分析了RIS 特性及其在井下巷道、硐室、综采工作面的应用场景。IMT−2030（6G）推进组会议上针对煤矿井下用6G 技术关键需求进行探讨，指出了RIS 对于煤矿用5G 等无线通信技术进行覆盖增强应作为6G 面向煤炭行业研究的方向，可应用于综采工作面大型金属设备严重遮挡环境下进行煤矿用5G 无线传输覆盖增强、弯曲起伏巷道的煤矿用5G 无线传输拓展等。

在以综采工作面为例的大型设备遮挡无线信号传输路径的情况下，可以在工作面中点或等分点液压支架上部署RIS 控制器与无源RIS 材料，通过计算发送设备到RIS 部署点连线与RIS 部署点到接收设备连线之间的角度，采用控制器进行RIS 反射角度调控并提升强度，能够为综采工作面无线传输提供更多条直射路径组成的可靠传输路径，显著提升大型机电设备遮挡情况下的无线传输能力。以综采工作面为例，基于6G RIS 进行煤矿用5G 无线传输增强如图4 所示。

在煤矿井下弯曲起伏巷道中，或者巷道的分支拐弯处部署RIS 控制器+无源RIS 材料，通过计算原始信号到RIS 部署点连线与RIS 部署点到扩展覆盖远点连线之间的角度，采用控制器进行RIS 反射角度调控并提升强度，能够实现弯曲起伏巷道无线非视距传输路径转换为以RIS 为中心点的2 条视距传输路径，而不再需要以增设基站的方式进行无线覆盖补盲。

因此，从应用需求而言，煤矿用5G 无线增强覆盖对6G RIS 具有显著的技术需求。需要结合煤矿井下无线传输实测数据、RIS 基础传输模型，开展煤矿用RIS 增强5G 无线覆盖的部署及信道建模研究，设计适用于煤矿井下的RIS 增强覆盖传输架构，无线覆盖增强的目标增益应达到每个部署点30 dB 以上。

2.4 井下无线参数对煤矿用5G 覆盖效果影响分析

3GPP 在研究和制定5G 技术规范中，针对无人机、高铁、智能交通/车联网、公共安全等垂直行业领域进行了针对性研究和规范制定，也对无线参数的选择进行了适应性调整，但未针对井下受限空间的信道环境进行针对性研究和定义，因此缺少对于煤矿用5G 无线参数适配性的相关研究分析。

一方面， 5G 目前已经可支持通常256QAM（Quadrature Amplitude Modulation， 正交振幅调制） 、最高1 024QAM 的调制方式。然而，调制阶数越高，虽然无线传输中单个资源块承载的数据量会增大，但无线传输过程中有用信号的抗噪声能力会相对下降，即高阶调制会实现较高的传输速率，但无线传输的接收质量会相应降低，覆盖效果不及低阶调制。

在井下实际传输环境的测量结果也体现，煤矿用5G 系统一般会根据信道环境测量结果进行64QAM 调制方式的传输，在工作面等传输损耗显著的区域，会以16QAM 的低阶调制方式进行传输。

为此，在信号调制方式方面，针对传输速率要求较高的情况，宜通过物理层测量进行自适应的调制方式确定，而针对控制类数据的传输，需要采用限制调制阶数的情况，以采用16QAM 调制方式为宜，确保控制数据的无线传输质量和可靠性。

另一方面，5G 技术可支持灵活的子载波间隔配置，6 GHz 以下的频段可支持15，30，60 kHz 的子载波间隔，目前5G 公众电信网络的中国通信行业标准中，规定子载波间隔的必选参数为30 kHz[33]。然而，煤矿井下空间受限，无线传输环境中的多径效应强，无线信号传输会造成多径时延扩展增大，采用的子载波间隔越低，则时域资源粒度越大，对于抗多径效应影响显著的CP（Cyclic Prefix，循环前缀）长度也会相应增大。30 kHz 子载波间隔对应的时域资源粒度为0.5 ms， CP 长度为2.34 μs； 15 kHz 子载波间隔对应的时域资源粒度为1 ms，CP 长度为4.69 μs，CP 长度提升1 倍，相应覆盖的多径时延扩展范围更大，能够降低多径效应影响，提升无线覆盖效果。目前已经在采用低频SUL 的现场对15 kHz 子载波间隔进行了测试，后续将在矿山5G 通信标准制定中，对低频段的15 kHz 子载波间隔参数进行讨论和确认。

3 煤矿智能化5G 应用场景构建

煤矿智能化建设的最终目标是实现少人化乃至无人化的煤矿生产，从根本上降低煤矿生产的人员安全隐患。随着煤矿用5G 建设及无线传输能力的不断优化，通过5G 构建的智能矿山信息高速传输通道已经形成基础，煤矿用5G 现阶段研究和应用的重点方向需要聚焦智能化应用场景的构建，开展煤矿智能化5G 应用场景信息物理映射与预期功能安全研究，并研发小型轻量化模组。

3.1 煤矿智能化5G 应用场景信息物理映射与预期功能安全

煤矿智能化5G 应用场景目前已有一定的研究基础，煤矿现场也开展了相应的应用验证。文献[13]梳理了基于5G 的智能采煤、智能掘进、无人驾驶、智能主运等4 类矿用装备远程控制应用的信息物理系统架构研究方法，为智能化应用场景构建提供了参考。目前煤矿智能化5G 应用场景如图5 所示。

基于5G 的矿用装备远程控制应用目标是生产环节的减人，与煤矿安全生产具有高度关联性，此类应用系统的传输需要高度的可靠性和实时性。为此，在实际应用部署中，需要在矿用5G 网络中部署专用的装备远程控制切片，以确保传输可靠性和实时性。

随着智能矿山各类智能化系统的广泛建设，系统中装备远程控制专用切片的传输资源将会面临一定限制。现阶段进行装备远程控制应用中，通常将生产设备的监测数据和现场监视数据全部接入。针对未来装备远程控制各类系统常态化运行、专用切片的传输资源面临限制的情况，需要细化开展必要信息流与专用切片承载传输的映射，即需要采、掘、运技术装备研发团队与煤矿用5G 通信技术装备研发团队开展联合攻关和试验，确定用于装备远程控制应用安全运行的监测监视数据传输最小集合，同时针对装备远程控制应用等少人化、无人化应用开展预期功能安全的评价研究，从而确保智能化装备远程控制应用的安全性，为后续装备集群自主控制的研究奠定基础。

基于5G 的矿用装备远程控制的预期功能安全研究可参照汽车行业预期功能安全研究的方法开展。由于汽车运行中需要实时具备安全要求，所以应高度关注功能安全和预期功能安全要求。

功能安全旨在避免因电子电气系统的系统性失效或硬件随机性失效而导致的风险。预期功能安全旨在避免因电子电气系统组件功能不足或性能下降、可合理预见的人员误操作所导致的风险。

针对基于5G 的煤矿智能化应用系统，涉及煤矿用5G 通信系统、矿用生产装备、感知系统、控制系统等多系统集成，且面向的是高安全性要求的少人化远程控制或无人化自主控制应用，对于系统设备本身发生故障失效的情况，需要通过系统各自的设计实现。而多系统集成协同应用的安全性，则需要开展基于5G 煤矿智能化应用系统的预期功能安全研究，以确保对于未知不安全情况的风险管控。以基于5G 的矿用装备远程控制应用系统为例，给出了预期功能安全研究框架，如图6 所示。

煤矿智能化5G 应用场景中，在矿用生产装备的运行过程，需要监测装备参数、检测控制反馈执行的时空一致性和精确度，环境感知系统需要对装备运行状况和环境工况进行监视，而矿用5G 系统则需要提供稳定可靠的传输链路，并监测信道变化对传输质量的影响。矿用生产装备、环境感知系统、煤矿用5G 系统的监测检测数据需要实时输入至预期功能安全评价模块。当各部分数据输入正常、装备运行正常且未出现单向指标显著下降趋势时，应用场景正常运行；当装备运行状况异常或出现至少1 项参数指示部分模块功能不足或性能下降，则需要启动各子系统模块进行检测优化，进行反馈和干预，从而确保煤矿智能化5G 应用场景持续正常运行，同时针对安全风险进行部分或全部的现场人工介入准备。

目前智能化应用系统预期功能安全尚少见公开研究成果，需要装备与通信研究人员协同，结合信息物理映射工作开展深入研究。

3.2 煤矿用5G 小型轻量化模组研发

现阶段煤矿现场主要采用矿用本安型CPE 进行设备数据的汇聚传输，一般CPE 长度在25 cm 以上、宽度和高度在15 cm 以上，可作为煤矿生产设备的外置设备进行部署。现场应用面临的2 类主要问题如下：

1） 矿用本安型CPE 尺寸较大，无法内置煤矿生产设备进行部署，对于小型化设备的5G 无线改造而言成本较高。

2） 与煤矿生产的工业控制协议的适配需要改进。一方面，常规的工业控制传输协议涉及以太网光信号传输、以太网电信号传输、CAN、RS485、Modbus、OPC（Object Linking and Embedding forProcess Control，用于过程控制的对象连接和嵌入技术）等，目前矿用本安型CPE 对于Modbus，OPC 协议的适配存在缺失， 但主要矿用装备数据传输约20% 采用Modbus 协议、不足5% 采用OPC 协议。另一方面，在对接矿用装备过程中，通常1 个设备只需要适配1 种工业控制协议，但目前的矿用本安型CPE 通常具备多种、多个输入接口，存在配置冗余。

因此，支撑煤矿智能化5G 应用场景构建，需要研发小型化、轻量化矿用5G 模组，应采用支持矿用现场设备数据输入和矿用5G 数据传输的最小化模块集合设计，实现设备小型化、能力轻量化，进而降低设备成本，支撑嵌入采、掘、运等现场生产装备中实现数据5G 传输，以及连接移动式和不方便布线的传感器构建5G 无线传输能力。小型轻量化煤矿用5G 模组结构如图7 所示。

煤矿用5G 小型轻量化模组研发设计思路如下：

1） 为实现小型化、轻量化的研发目标，相比现有的CPE，需要裁剪冗余、非必要的传输模块177c3e3d74463d81a169ba138d6b3b49，煤矿用5G 模组的最小化模块集合包括矿用5G 基带通信模块、矿用5G 射频单元和射频输出端口、矿用5G 数据卡槽、井下现场设备数据输入接口（单路）、矿用电源输入模块。

2） 井下现场设备数据输入接口应采用单模组单路输入设计，每个模组上从以太网光信号接口、以太网电信号接口、CAN 信号接口、RS485 接口、Modbus接口、OPC 接口中选择1 类进行布设，对于现场不同设备、不同工业协议的接入需求，可依据统一的参考设计，配置不同类型的数据输入接口，实现现场对不同协议类型的矿用装备采用不同协议输入接口的模组。

3） 对最小化模块集合需要进行紧凑、合理的线路设计，尽可能减小模组尺寸。模组小型化的目标应为模组长度和宽度均在10 cm 以下，用于支撑矿用装备内置式嵌入部署；模组轻量化的研发方向为RedCap 模组，以实现按需提供5G 传输能力、降低成本。

4 结论

1） 煤矿用5G 专网组网架构主要包括煤炭集团级大规模组网和矿井独立专网2 种模式，满足煤矿用5G 系统建设部署的需求。下一阶段需要针对5GLAN 特性进行核心网软件升级，支撑工业控制的层二传输需求。

2） 煤矿用5G 无线传输性能需要持续研究和提升。现阶段煤矿用5G 采用低频段多载波SUL 增强覆盖可显著优化覆盖能力。在下一阶段，当井下无线电波防爆安全功率阈值可突破、可提高时，需要同步提升煤矿用5G 基站与终端两侧的发射功率，方可实现煤矿用5G 系统整体覆盖能力优化；需要开展基于6G RIS 的煤矿用5G 覆盖增强技术预研，为煤矿用无线通信传输能力优化提供进一步支撑。

3） 煤矿智能化5G 应用场景构建方面，应开展矿用装备与矿用通信领域的联合技术攻关，研究煤矿用5G 装备远程控制及未来装备自主群体协同控制技术，形成细化信息物理映射关系，并研究预期功能安全机制，以确保煤矿智能化5G 应用场景的数据传输质量可控、控制过程安全。同时需研发和推广小型轻量化模组，实现煤矿用5G 无线传输全面适配现场设备工业控制协议，嵌入矿用装备构建应用场景。

4） 煤矿用5G 关键技术攻关需要持续开展。通信领域目前已经从5G 演进至5G−A，且6G 的RIS 等关键技术也可实现5G 能力和可靠性的有效提升。煤矿用5G 研究建设进程无法一夕而成，需要在现阶段研究应用成果基础上，突破关键难题，填补标准空缺，加强装备、通信等不同领域联合技术攻关，从而实现煤矿用5G 对智能化应用的有效支撑。

参考文献（References）：

[ 1 ]孙继平. 煤矿智能化与矿用5G[J]. 工矿自动化，2020，46（8）：1-7.

SUN Jiping. Coal mine intelligence and mine-used5G[J]. Industry and Mine Automation，2020，46（8）：1-7.

[ 2 ]孙继平. 煤矿智能化与矿用5G 和网络硬切片技术[J].工矿自动化，2021，47（8）：1-6.

SUN Jiping. Coal mine intelligence， mine 5G andnetwork hard slicing technology[J]. Industry and MineAutomation，2021，47（8）：1-6.

[ 3 ]孟庆勇. 5G 技术在煤矿井下应用架构探讨[J]. 工矿自动化，2020，46（7）：28-33.

MENG Qingyong. Probe on 5G architecture applied incoal mine underground[J]. Industry and MineAutomation，2020，46（7）：28-33.

[ 4 ]李晨鑫. 矿用5G 通信演进技术研究[J]. 工矿自动化，2023，49（3）：6-12.

LI Chenxin. Research on mine 5G-advancedcommunication evolution technology[J]. Journal ofMine Automation，2023，49（3）：6-12.

[ 5 ]孙继平，张高敏. 矿用5G 频段选择及天线优化设置研究[J]. 工矿自动化，2020，46（5）：1-7.

SUN Jiping， ZHANG Gaomin. Research on 5Gfrequency band selection and antenna optimizationsetting in coal mine[J]. Industry and Mine Automation，2020，46（5）：1-7.

[ 6 ]常琳，郑慧莹，李鸣. 煤矿5G 通信系统的安全性研究[J]. 煤矿安全，2021，52（8）：137-141，146.

CHANG Lin， ZHENG Huiying， LI Ming. Research onsafety of 5G communication system in coal mine[J].Safety in Coal Mines，2021，52（8）：137-141，146.

[ 7 ]郑小磊，梁宏. 煤矿5G 通信系统安全技术要求和检验方法[J]. 工矿自动化，2021，47（3）：9-13，33.

ZHENG Xiaolei， LIANG Hong. Safety technicalrequirements and inspection methods of coal mine 5Gcommunication system[J]. Industry and MineAutomation，2021，47（3）：9-13，33.

[ 8 ]张立亚. 煤矿5G 通信系统安全应用技术研究[J]. 工矿自动化，2021，47（12）：8-12，45.

ZHANG Liya. Research on safety applicationtechnology of coal mine 5G communication system[J].Industry and Mine Automation，2021，47（12）：8-12，45.

[ 9 ]霍振龙. 矿井无线通信系统现状与发展趋势[J]. 工矿自动化，2022，48（6）：1-5.

HUO Zhenlong. Current situation and development trend of mine wireless communication system[J]. Journal ofMine Automation，2022，48（6）：1-5.

[10]王国法，赵国瑞，胡亚辉. 5G 技术在煤矿智能化中的应用展望[J]. 煤炭学报，2020，45（1）：16-23.

WANG Guofa， ZHAO Guorui， HU Yahui. Applicationprospect of 5G technology in coal mine intelligence[J].Journal of China Coal Society，2020，45（1）：16-23.

[11]王国法，张良，李首滨，等. 煤矿无人化智能开采系统理论与技术研发进展[J]. 煤炭学报， 2023， 48（1） ：34-53.

WANG Guofa， ZHANG Liang， LI Shoubin， et al.Progresses in theory and technological development ofunmanned smart mining system[J]. Journal of ChinaCoal Society，2023，48（1）：34-53.

[12]范京道，闫振国，李川. 基于5G 技术的煤矿智能化开采关键技术探索[J]. 煤炭科学技术， 2020， 48（7） ：92-97.

FAN Jingdao，YAN Zhenguo，LI Chuan. Exploration ofintelligent coal mining key technology based on 5Gtechnology[J]. Coal Science and Technology， 2020，48（7）：92-97.

[13]李晨鑫. 基于5G 的矿用装备远程控制技术研究[J].工矿自动化，2023，49（9）：90-97.

LI Chenxin. Research on remote control technology ofmining equipment based on 5G[J]. Journal of MineAutomation，2023，49（9）：90-97.

[14]李晨鑫，张立亚. 煤矿井下网联式自动驾驶技术研究[J]. 工矿自动化，2022，48（6）：49-55.

LI Chenxin， ZHANG Liya. Research on the networkconnected automatic driving technology in undergroundcoal mine[J]. Journal of Mine Automation， 2022，48（6）：49-55.

[15]李晨鑫，张立亚，刘斌，等. 基于5G 直连通信的矿井应急通信技术[J]. 煤矿安全，2023，54（2）：212-216.

LI Chenxin， ZHANG Liya， LIU Bin， et al. Mineemergency communication technologies based on 5GSidelink communication[J]. Safety in Coal Mines，2023，54（2）：212-216.

[16]顾义东. 5G 技术在煤矿掘进工作面运输系统中的应用[J]. 工矿自动化，2022，48（6）：64-68.

GU Yidong. Application of 5G technology in coal mineheading face transportation system[J]. Journal of MineAutomation，2022，48（6）：64-68.

[17]孙继平. 煤矿用5G 通信系统标准研究制定[J]. 工矿自动化，2023，49（8）：1-8.

SUN Jiping. Research and development of 5Gcommunication system standards for coal mines[J].Journal of Mine Automation，2023，49（8）：1-8.

[18]蔡峰，王陈书略，乔梁，等. 矿用5G 智能终端数据交互和共享规范研究[J]. 工矿自动化， 2023， 49（9） ：98-105.

CAI Feng， WANG Chenshulüe， QIAO Liang， et al.Research on data exchange and sharing standards formining 5G intelligent terminal[J]. Journal of MineAutomation，2023，49（9）：98-105.

[19]GB/T 3836.1−2021 爆炸性环境 第1 部分：设备 通用要求[S].

GB/T 3836.1-2021 Explosive atmospheres-Part 1：Equipment- General requirements[S].

[20]孙继平，彭铭，潘涛，等. 无线电波防爆安全阈值研究[J]. 工矿自动化，2023，49（2）：1-5.

SUN Jiping，PENG Ming，PAN Tao，et al. Research onthe safety threshold of radio wave explosion-proof[J].Journal of Mine Automation，2023，49（2）：1-5.

[21]张高敏，刘毅，彭铭. UWR−FDTD 矿井电磁波数值分析方法[J]. 煤炭学报，2022，47（11）：4157-4166.

ZHANG Gaomin， LIU Yi， PENG Ming. Numericalanalysis method of the electromagnetic fields in coalmine roadway using UWR-FDTD[J]. Journal of ChinaCoal Society，2022，47（11）：4157-4166.

[22]张高敏，刘毅，彭铭. FDTD 矿井无线传输特性分析方法研究[J]. 煤炭科学技术，2022，50（11）：202-212.

ZHANG Gaomin，LIU Yi，PENG Ming. Resarch on theFDTD analysis method of wireless transmissioncharacteristics in underground mine[J]. Coal Scienceand Technology，2022，50（11）：202-212.

[23]孙继平，彭铭. 矿井无线电波防爆安全发射功率研究[J]. 工矿自动化，2024，50（3）：1-5.

SUN Jiping， PENG Ming. Research on the safetransmission power of mine radio wave explosionprevention[J]. Journal of Mine Automation， 2024，50（3）：1-5.

[24]王国法，庞义辉，任怀伟，等. 智慧矿山系统工程及关键技术研究与实践[J]. 煤炭学报， 2024， 49（1） ：181-202.

WANG Guofa， PANG Yihui， REN Huaiwei， et al.System engineering and key technologies research andpractice of smart mine[J]. Journal of China CoalSociety，2024，49（1）：181-202.

[25] TS 38.101-1 NR; User Equipment （UE） radio transmission and reception; Part1： Range 1Standalone[S].

[26]TS 38.101-3 NR; User Equipment （UE） radiotransmission and reception; Part 1：Range 1 and Range 2Interworking operation with other radios[S].

[27]TS 38.306 NR; User Equipment （UE） radio accesscapabilities[S].

[28]YD/T 3627−2019 5G 数字蜂窝移动通信网 增强移动宽带终端设备技术要求（第一阶段）[S].

YD/T 3627-2019 5G digital cellular mobiletelecommunication network-technical requirements ofeMBB user equipment （Phase 1）[S].

[29]YD/T 4193−2023 5G 多模双卡双待终端设备技术要求[S].

YD/T 4193-2023 5G Multi-RAT Dual-Card Dual-Standby user equipment technical requirements[S].

[30]YD/T 4550−2023 5G 多模单卡终端设备技术要求[S].

YD/T 4193-2023 5G Multi-RAT single-card userequipment technical requirements[S].

[31]CHENG Qiang， JIN Shi， CUI Tiejun. Reconfigurableintelligent surfaces for wireless communications[J].Frontiers of Information Technology & ElectronicEngineering，2023，24（12）：1665-1668.

[32]李世银，杨瑞鑫，杨磊，等. 煤矿井下智能超表面非视距无线覆盖技术综述[J]. 中国矿业大学学报，2024，53（3）：613-622.

LI Shiyin， YANG Ruixin， YANG Lei， et al. Survey ofthe non-line-of-sight wireless coverage technology byreconfigurable intelligent surfaces in underground coalmines[J]. Journal of Chin742501279643114161b680534ad01f402390df9541dc5dacb53144529b7d0a13a University of Mining &Technology，2024，53（3）：613-622.

[33]YD/T 3929−2021 5G 数字蜂窝移动通信网 6 GHz 以下频段基站设备技术要求（第一阶段）[S].

YD/T 3929-2023 5G digital cellular mobiletelecommunication network-technical specification ofsub 6 GHz gNB equipment （Phase 1）[S].

基金项目：天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项重点项目（2023-TD-ZD005-001，2024-TD-ZD015-03）；中国通信标准化协会研究课题项目（CCSA-2023-B142）。