矿井无线传输测试分析与矿用5G优选工作频段研究

关键词：矿井无线传输；无线工作频段；5G；基站布置；天线设置

中图分类号：TD655 文献标志码：A

0引言

5G，5.5G，WiFi6，WiFi7，UWB，ZigBee等矿井移动通信系统、人员和车辆定位系统等的研发和布置，需进行矿井无线传输特性分析，优选无线工作频段，优化无线通信基站和定位分站布置，在保证通信效果的前提下，减少无线通信基站和定位分站数量，降低系统成本和维护工作量[1-4]。国家标准GB/T3836.1—2021《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》[5]无线电波发射功率不得大于6W的限制，制约了矿井无线传输距离，增加了无线通信基站和定位分站的用量，增大了系统建设成本和维护工作量[6-11]。在无线电波发射功率受限、接收灵敏度一定的情况下，选择衰减较小的无线传输频段，可有效提高单个无线通信基站和定位分站的无线信号覆盖范围，减小无线通信基站和定位分站的用量，降低系统建设成本和维护工作量[12-13]。目前通过理论分析和电磁仿真研究矿井无线传输衰减的较多，但误差较大；矿井现场测试分析的较少，难以满足优化无线工作频段及无线通信基站和定位分站布置的需求[14-16]。因此，笔者进行了350MHz～6GHz较大频率范围的煤矿井下无线传输测试，并对测试结果进行了分析研究，揭示了矿井无线传输特性，提出了煤矿井下无线通信系统（以下简称矿用无线通信系统）的优选工作频段。

1矿井测试环境与测试方法

1.1测试环境

笔者于2023年6月在国家能源集团宁夏煤业有限责任公司羊场湾煤矿进行了350MHz～6GHz频段的无线传输测试，测试地点情况如下：①宽度为5.5m、高度为4.1m的半圆拱形+矩形断面（以下简称半圆拱形断面）拐弯巷道，拐弯巷道的拐角为66°，测试长度为40m，如图1（a）和图1（b）所示。②宽度为5.5m、高度为4.1m的半圆拱形断面分支巷道，分支巷道为直角T字型，测试长度为40m，如图1（a）和图1（c）所示。③宽度为5.6m、高度为4.6m的半圆拱形断面辅助运输大巷（以下简称辅运大巷1），平直段测试长度为410m，如图1（d）所示。④宽度为3.8m、高度为3.6m的半圆拱形断面辅助运输大巷（以下简称辅运大巷2），平直段测试长度为200m，如图1（e）所示。⑤宽度为5.4m、高度为3.4m的梯形断面掘进巷道，掘进巷道一侧安装有宽2m的带式输送机，平直段测试长度为500m，如图1（f）所示。⑥下底宽度为3.4m、上底宽度为3.1m、高度为1.7m的梯形断面综采工作面，综采工作面平均坡度为10°，测试长度为98m，如图1（g）所示。

1.2测试设备及测试方法

测试设备：1台便携式射频信号发生器BPSG6，其发射频段为23.5MHz～6GHz，最大发射功率为+18dBm；1台便携式实时频谱分析仪V6−RSA250X，其测量频段为10MHz～6GHz，最大实时带宽为80MHz，显示平均噪声电平为−170dBm/Hz；2根对数周期天线TN306，其工作频段为350MHz～8GHz，典型增益为6dBi；1根长0.3m的SMA射频馈线、1根长1m的SMA射频馈线、2个高2.06m的可伸缩三角支架和2台笔记本电脑。

根据矿用5G，5.5G，WiFi6，WiFi7，UWB，ZigBee等矿井人员定位系统[17]、移动通信系统[18-21]、无线视频和无线传感器使用频段，无线传输测试频点选择350，433，550，700，800，900，1300，1700，1900，2100，2400，2600，3300，3500，4200，4900，5400，6000MHz。

矿井拐弯巷道、分支巷道、辅助运输大巷、掘进巷道、综采工作面的测试设备布置如图2所示。在无线发射端，将固定在可伸缩三脚架上的便携式射频信号发生器通过射频馈线与对数周期天线相连，并通过数据线与笔记本电脑连接，使用笔记本电脑上预装的AaroniaAG−HFGenerator软件设置射频信号的频率和功率。在无线接收端，将便携式实时频谱分析仪通过射频馈线与对数周期天线连接，并通过数据线与笔记本电脑连接，使用笔记本电脑上预装的AaroniaRTSA−SuitePRO软件实时记录无线传输接收功率测试值。发射设备及发射天线固定不动，设定频率和发射功率为某一定值，沿巷道轴向移动接收设备及接收天线，并在每个测试点处测试100个数据取平均值，即为该测试点无线传输接收功率。

2拐弯巷道无线传输测试分析及优选工作频段

发射设备及发射天线固定不动，收发天线均置于拐弯巷道断面中央，将便携式射频信号发生器的输出功率设置为+13dBm。如图3所示，将发射天线置于巷道拐点前20m处，并将接收天线分别置于拐点后4，8，12，16，20m处（即收发天线分别相距24，28，32，36，40m），测试不同频率和距离下无线传输接收功率，数据见表1，曲线如图4所示。

为了便于分析，将拐弯巷道中拐点后20m内的无线传输接收功率数据按不同频率取平均值，得到拐弯巷道中不同频率下无线传输平均接收功率，见表2。

由表1、表2和图4可知，从整体趋势来看，在350MHz～6GHz频段，无线传输频率越高，拐弯巷道的平均接收功率越低，即频率越低，拐弯巷道的无线传输衰减越小。拐弯巷道在350MHz～900MHz频段的无线传输平均接收功率最大，拐弯巷道中的无线传输平均接收功率最大值为−31.42dBm（对应频率为350MHz），在350MHz～900MHz频段的无线传输平均接收功率为−39.33dBm。因此，在350MHz～6GHz频段，拐弯巷道中矿用无线通信系统的无线工作频段应优选350MHz～900MHz。

3分支巷道无线传输测试分析及优选工作频段

发射设备及发射天线固定不动，收发天线均置于分支巷道断面中央，将便携式射频信号发生器的输出功率设置为+13dBm。分支巷道的无线传输测试分为支巷发射和主巷发射2种测试。①支巷发射测试：将发射天线置于距分支点20m的支巷道中，如图5（a）所示，接收天线分别置于距分支点4，8，12，16，20m的主巷道中（即收发天线分别相距24，28，32，36，40m），测试不同频率和距离下无线传输接收功率，数据见表3，曲线如图6所示。②主巷发射测试：将发射天线置于距分支点20m的主巷道中，如图5（b）所示，接收天线分别置于距分支点4，8，12，16，20m的支巷道中（即收发天线分别相距24，28，32，36，40m），测试不同频率和距离下无线传输接收功率，数据见表4，曲线如图7所示。

为便于分析，将分支巷道中分支点后20m内的无线传输接收功率数据按不同频率取平均值，分别得到支巷发射和主巷发射时分支巷道不同频率下无线传输平均接收功率，见表5。

由表3、表5和图6可知，从整体趋势来看，在350MHz～6GHz频段内，在支巷发射的分支巷道中，无线传输频率越高，平均接收功率越低，即频率越低，无线传输衰减越小。支巷发射时分支巷道在350MHz～900MHz频段的无线传输平均接收功率最大，支巷发射时分支巷道中的无线传输平均接收功率最大值为−31.79dBm（对应频率为433MHz），在350MHz～900MHz频段的无线传输平均接收功率为−41.22dBm。因此，在350MHz～6GHz频段内，支巷发射的分支巷道中矿用无线通信系统的工作频段应优选350MHz～900MHz。

由表4、表5和图7可知，从整体趋势来看，在350MHz～6GHz频段内，在主巷发射的分支巷道中，无线传输频率越高，平均接收功率越低，即频率越低，无线传输衰减越小。主巷发射时分支巷道在350MHz～1900MHz频段的无线传输平均接收功率最大，主巷发射时分支巷道中的无线传输平均接收功率最大值为−35.56dBm（对应频率为433MHz），在350MHz～1900MHz频段的无线传输平均接收功率为−49.14dBm。因此，在350MHz～6GHz频段内，主巷发射的分支巷道中矿用无线通信系统的工作频段应优选350MHz～1900MHz。

综合考虑主巷发射和支巷发射时分支巷道中的无线传输衰减，分支巷道中矿用无线通信系统的工作频段应优选350MHz～900MHz。

4拐弯和分支巷道无线传输比较分析

发射设备及发射天线固定不动，收发天线均置于与拐弯、分支巷道断面相同的平直巷道断面中央，设置便携式射频信号发生器的输出功率为+13dBm。将接收天线分别置于距离发射天线24，28，32，36，40m处，测试得到平直巷道中不同频率和距离下无线传输接收功率，并将平直巷道中的无线传输接收功率数据按不同频率取平均值，得到平直巷道中不同频率和距离下无线传输平均接收功率，见表6。

为便于比较分析，分别将相同断面和长度的拐弯巷道、分支巷道和平直巷道中的无线传输接收功率数据取平均值，得到拐弯巷道、分支巷道和平直巷道中不同频率下无线传输平均接收功率，如图8所示。在350MHz～6GHz频段，平直巷道中的无线传输平均接收功率为−39.93dBm，拐弯巷道中的无线传输平均接收功率为−53.35dBm，支巷发射的分支巷道中的无线传输平均接收功率为−54.34dBm，主巷发射的分支巷道中的无线传输平均接收功率为−57.20dBm，无线传输平均接收功率依次减小，无线传输衰减依次增大。即在巷道断面相同的情况下，平直巷道中的无线传输衰减小于拐弯巷道和分支巷道；拐弯巷道中的无线传输衰减小于分支巷道；支巷发射的分支巷道中的无线传输衰减小于主巷发射的分支巷道。巷道拐弯和分支均增加了无线传输衰减。因此，无线通信基站和定位分站及其天线应设置在拐弯巷道的拐点和分支巷道的分支点，以减小巷道拐弯和分支对无线传输的影响。

5辅运大巷1无线传输测试分析及优选工作频段

发射设备及发射天线固定不动，收发天线均置于辅运大巷1断面中央，设置便携式射频信号发生器的输出功率为+13dBm。将接收天线分别置于距离发射天线1，3，5，10，30，50，70，90，110，130，150，170，190，210，230，250，270，290，310，330，350，370，390，410m处，测试不同频率和距离下无线传输接收功率，数据见表7，曲线如图9所示。

为便于分析，将辅运大巷1中距发射天线前410m的无线传输接收功率数据按不同频率取平均值，得到辅运大巷1中不同频率下无线传输平均接收功率，见表8。

由表7、表8和图9可知，在350MHz～6GHz频段内，辅运大巷1中700MHz～900MHz频段的无线传输平均接收功率最大，辅运大巷1中的无线传输平均接收功率最大值为−39.26dBm（对应频率为700MHz），在700MHz～900MHz频段的无线传输平均接收功率为−40.05dBm。因此，在辅运大巷1中矿用无线通信系统的工作频段应优选700MHz～900MHz。

6辅运大巷2无线传输测试分析及优选工作频段

发射设备及发射天线固定不动，收发天线均置于辅运大巷2断面中央，设置便携式射频信号发生器的输出功率为+13dBm。将接收天线分别置于距离发射天线1，3，5，10，20，30，40，50，70，80，90，100，110，120，130，140，150，160，170，180，190，200m处，测试不同频率和距离下无线传输接收功率，数据见表9，曲线如图10所示。

为了便于分析，将辅运大巷2中距发射天线前200m的无线传输接收功率数据按不同频率取平均值，得到辅运大巷2中不同频率下无线传输平均接收功率，见表10。

由表9、表10和图10可知，在350MHz～6GHz频段内，辅运大巷2中800MHz～1900MHz频段的无线传输平均接收功率最大，700MHz～2600MHz频段的无线传输平均接收功率较大；辅运大巷2中的无线传输平均接收功率最大值为−40.40dBm（对应频率为1900MHz）；在800MHz～1900MHz频段的无线传输平均接收功率为−40.94dBm，在700MHz～2600MHz频段的无线传输平均接收功率为−42.49dBm。因此，在辅运大巷2中矿用无线通信系统的工作频段应优选800MHz～1900MHz或700MHz～2600MHz。

综合考虑辅运大巷1、辅运大巷2、巷道拐弯和分支的无线传输衰减，辅助运输大巷中矿用无线通信系统的工作频段应优选700MHz～900MHz。

7掘进巷道无线传输测试分析及优选工作频段

发射设备及发射天线固定不动，收发天线均置于掘进巷道断面中央，设置便携式射频信号发生器的输出功率为+13dBm。将接收天线分别置于距离发射天线1，3，5，10，20，40，60，80，100，120，140，160，180，200，250，300，350，400，450，500m处，测试不同频率和距离下无线传输接收功率，数据见表11，曲线如图11所示。

为便于分析，将掘进巷道中距发射天线前500m的无线传输接收功率数据按不同频率取平均值，得到掘进巷道中不同频率下无线传输平均接收功率，见表12。

由表11、表12和图11可知，在350MHz～6GHz频段，掘进巷道在700MHz～900MHz频段的无线传输平均接收功率最大，掘进巷道中的无线传输平均接收功率最大值为−43.40dBm（对应频率为700MHz），在700MHz～900MHz频段的无线传输平均接收功率为−44.05dBm。因此，在掘进巷道中矿用无线通信系统的工作频段应优选700MHz～900MHz。

8综采工作面无线传输测试分析及优选工作频段

将收发天线置于距煤壁2.8m、距液压支架立柱底部0.6m、距综采工作面底部0.85m的位置，将便携式射频信号发生器的输出功率设置为+13dBm。接收天线分别置于距发射天线7.00，59.50，71.75，98.00m处，测试不同频率和距离下无线传输接收功率，数据见表13，曲线如图12所示。

为便于分析，将综采工作面中距发射天线前98m的无线传输接收功率数据按不同频率取平均值，得到综采工作面中不同频率下无线传输平均接收功率，见表14。

由表13、表14和图12可知，在350MHz～6GHz频段内，综采工作面在433MHz～1300MHz频段的无线传输平均接收功率最大，综采工作面中的无线传输平均接收功率最大值为−47.18dBm（对应频率为550MHz），在433MHz～1300MHz频段的无线传输平均接收功率为−48.34dBm。因此，在综采工作面中矿用无线通信系统的工作频段应优选433MHz～1300MHz。

9 结论

1）拐弯巷道中频率越低，无线传输衰减越小，其中350MHz～900MHz频段的无线传输衰减最小，矿用无线通信系统的工作频段应优选350MHz～900MHz。

2）分支巷道中频率越低，无线传输衰减越小，其中350MHz～900MHz频段的无线传输衰减最小，矿用无线通信系统的工作频段应优选350MHz～900MHz。

3）辅助运输大巷中700MHz～900MHz频段的无线传输衰减最小，矿用无线通信系统的工作频段应优选700MHz～900MHz。

4）掘进巷道中700MHz～900MHz频段的无线传输衰减最小，矿用无线通信系统的工作频段应优选700MHz～900MHz。

5）综采工作面中433MHz～1300MHz频段的无线传输衰减最小，矿用无线通信系统的工作频段应优选433MHz～1300MHz。

6）综合考虑拐弯巷道、分支巷道、辅助运输大巷、掘进工作面、综采工作面的无线传输衰减，矿用无线通信系统的工作频段应优选700MHz～900MHz。

7）在巷道断面相同的情况下，拐弯巷道中的无线传输衰减小于分支巷道；支巷发射的分支巷道中的无线传输衰减小于主巷发射的分支巷道。巷道拐弯和分支均增加了无线传输衰减。为减小巷道拐弯和分支对无线传输的影响，无线通信基站和定位分站及其天线应设置在拐弯巷道的拐点和分支巷道的分支点。

8）研究成果已被中华人民共和国能源行业标准NB/T11546—2024《煤矿用5G通信系统通用技术条件》、NB/T11523—2024《煤矿用5G通信基站》和NB/T11547—2024《煤矿用5G通信基站控制器》应用。