煤矿5G通信系统的安全性研究

常 琳，郑慧莹，李 鸣

（1.安标国家矿用产品安全标志中心有限公司，北京 100013；2.中国矿业大学 矿山数字化教育部工程研究中心，江苏 徐州 221000；3.中国矿业大学 计算机科学与技术学院，江苏 徐州 221000）

第5代移动通信技术（简称5G）通信速率高、容量大、可靠性高、时延低，已经在地面得到广泛的使用[1]。但是目前矿用5G系统还没有成功下井应用，一方面是由于煤矿井下特殊环境的制约，更重要的是因为矿用5G系统的安全性还缺乏定量的分析。

煤矿井下的环境复杂，开采过程中的风险也多种多样，瓦斯泄漏、煤尘爆炸、水灾、火灾等都有可能对工作人员造成生命威胁。为了确切掌握井下作业人员的位置、综合调度、快速通知、远程控制等，需要建立一套完善的移动通信系统[2]。

有线通信的优势是短距离的传输速度快、准确性高并且应用起来相对安全无害，无线通信的优势是信息传递过程较为方便快捷且成本较低。现在我国使用的无线网络结构，是由无线通信与有线通信结合而成。在环境条件恶劣的矿井中，通常将无线通信与有线通信相结合，既可以在有线介质施工困难的地方快速传播信号，又可以减少信号干扰带来的影响[3]。

煤矿井下的无线通信系统发展经历了小灵通、WiFi、3G和4G通信。小灵通技术依托联通的CDMA技术，将其应用到矿井下，由于充分考虑了矿井的实际情况，无线小灵通设备可靠性强，性能高，建设成本低，并且抗干扰能力强。但是因为小灵通不能提供作业人员定位且通信质量不稳定，它目前已经不适用于井下移动通信系统了。WiFi技术一般使用2.4G UHF或者5G SHFISM射频频段，非常适用于对安全要求严格的矿井中；WiFi通过无线电波进行联网，具有组网方便、传输速率高、系统简单、成本低等优点[4]，但不适用于高速移动通信，因为WiFi时延相对高，跨区连接速度慢。3G是第3代移动通信技术，可以同时传输语音和信息，使用3G技术能极大地增加系统容量、提高通信质量和数据传输速率，但是它也存在着诸如数据带宽小，无法实现大数据和视频的传输等缺点。第4代移动通信技术4G是集3G与WLAN于一体，能够快速传输数据、高质量音频、视频和图像等，通信速度快、网络频谱宽、通信灵活、智能性能高、兼容性好、通信质量高、频谱效率高、费用低，是矿井无线通信系统的优秀候选项。

最近随着第5代移动通信技术5G的逐步成熟，将5G技术应用在煤矿井下的需求越来越强烈，因为5G在传输速率、端到端时延、接入数量、移动性等方面都比之前的任何无线通信技术有更好的表现[5]。5G可以促进煤矿智能化，在井下的应用场景也非常广泛：可以用于采煤工作面和掘进工作面的远程控制和井下车辆的远程控制等，研究矿用5G系统的安全性，能够加速5G技术在井下的应用进程，保证矿工和矿井的人身财产安全。

1 5 技术的发展

5G继2G、3G、4G系统之后已经成功在28 GHz的波段下达到1 Gbps。5G将大规模多天线技术（Massive MIMO）发扬光大[6]，大大提高了通信的有效性和可靠性。除了传输速率的提升、稳定的连接，5G还提供更大的带宽、更低的时延以及更多的接入。

5G技术极大地促进了云计算、大数据和人工智能等技术的发展，推动了社会生活的进步。煤炭作为我国的主体能源和重要工业原材料，无论是井下作业的工作人员的安全保证还是高效安全的开采技术都需要5G技术。2020年7月，5G技术在矿用产品中的应用迈出了第一步，已经有运营商获得了国家矿用产品安全标志中心颁发的煤矿5G通信系统安全标志准用证。但是这个系统仅是对地面使用的5G产品增加了防爆改造，包括正在送审的各种5G系统，都没有针对煤矿井下易燃易爆的环境进行改造研发[7]。所以需要根据矿井环境研究矿用5G的安全标准，为以后的5G矿用产品提供更详细的参照。

2 矿用5 系统的安全性

因为井下通讯设备需要长时间运行，设备温度会不断增加，当设备温度超过阈值，就可能会导致起火或爆炸；更重要的是煤炭开采过程中会产生大量的瓦斯等易燃易爆的气体；因此在井下这种复杂危险的环境下，通信设备必须具备防爆功能。防爆设备主要分为4种类型：本质安全型、隔爆型、胶封型、增安型。其中本质安全型防爆设备体积小、质量小、性能高，可以用于矿井下所有场所，是矿用5G产品的最佳选择；不过本质安全型防爆设备也因为在功率、电压、电流、电容、电感方面都做了严格的要求，产品相关数据不得超过规定上限。由于矿井通信系统的安全性要求，检验5G系统在井下的安全性，对采矿的发展、矿工的人身安全、煤矿企业的财产安全有着重要的意义。

2.1 阈功率

在井下移动通信系统中，基站是移动终端接入网络的接口设备，5G移动通信系统在井下安全运行需要限制基站阈功率。就基站阈功率的计算来看，主要分为配备阵列天线的基站和配备非阵列天线的基站，在计算过程中均涉及到单路阈功率的计算。

2.1.1 阈功率的计算

根据《爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求》，阈功率（Threshold power）为发射器的有效输出功率与天线增益的乘积，用式（1）来表示即为：

式中：PT为阈功率；PE为发射器的有效输出功率；G为天线增益的乘积。

当设备具有多天线时，需要考虑到无线信号的叠加，明确无线信号叠加后的最大阈功率；当设备具备增益功能的天线时，增益后的发射阈功率应该满足防爆安全要求。

井下无线设备最基本也是重要的就是通信基站，它是移动通信交换中心，基站发射阈功率的计算离不开单路阈功率的计算。

1）有效输出功率与天线增益。由式（1），为了获得阈功率，需要获得发射器的有效输出功率PE与天线增益G；根据以下步骤可以测得有效输出功率PE：①调整基站使它处于最大发射状态（基站配置为NR-FR1-TM1.1测试模式），将频谱仪的信号输入端通过测试线直接连接到基站无线发射端（天线前端），频谱仪或信号分析仪的信号输入端经过衰减器连接基站发射端；②分别测试出每路发射端信号发射功率与信号工作频段，将每路发射端的信号最大输出功率记为该路有效输出功率PE，同时将每路信号工作频段的最高值记为该路的信号工作频率；③天线增益G则是参考通过CNAS、CMA认证的第三方检测检验机构依据G B/T 21195—2007标准出具的3年内包含天线增益的检测报告。

2）单路阈功率。设天线前端发射功率（即基站的单路有效输出功率值）为A；天线增益见检验报告对应天线增益检测项在对应工作频段的增益值为B；则单路发射阈功率为A+B。

因此经过计算可以得出阈功率PT。

2.1.2 不考虑天线叠加情况下的基站发射阈功率

根据单路阈功率的计算方法，当不考虑天线叠加的情况时，基站阈功率的参数计算根据天线的排列方式分为2种：配备非阵列天线的基站阈功率参数计算和配备阵列天线的基站阈功率参数的计算。

1）配备非阵列天线的基站阈功率参数计算。配备非阵列天线的基站阈功率为每路发射端的最大阈功率之和。

式中：PFLZmax为配备非阵列天线的基站阈功率；P1max、P2max、…、Pnmax为各路发射端的最大单路阈功率。

2）配备阵列天线基站发射阈功率参数计算。假设由N条天线组成的阵列前端处有效输出功率均为PE，天线增益均为GT，则发射端电磁波的最大阈功率PLZmax为：

又由式（1），则发射端电磁波的最大阈功率为：

2.1.3 考虑天线叠加情况下的基站发射阈功率

计算基站发射阈功率时，如果考虑天线的叠加，需要增加其他操作：①将整套系统按照实际使用情况搭建到中心电波暗室，模拟正常使用场景，使系统基站处于最大发射状态下运行；②把基站的1个射频端口接出天线，其他端口用50Ω负载短接；③将基站放置于电波暗室转台桌子上，按照水平、垂直方向放置分别旋转360°，用接收机扫描其最大发射功率，计算信道功率（或根据仪表直接读取信道总功率）记录结果，并按式（1）计算基站发射阈功率。

2.2 电磁兼容

矿井生产过程中机电设备相对集中，且巷道狭小，因此对通信系统的电磁干扰严重；同时通信系统的大量信息交互会带来复杂的电磁干扰，而在特定条件下，电磁辐射会引爆燃料蒸汽，这都导致矿井存在重大的安全隐患；为了避免电磁干扰，矿井下5G通信系统必须具备一定的抗干扰能力[8]。

根据《煤矿安全监控系统通用技术要求》[9]，通过GB/T 17626.3—2016标准[10]规定的严酷等级为2级的射频电磁场辐射抗扰度试验，评价等级为A；通过GB/T 17626.4—2016标准[11]规定的严酷等级为2级的电快速瞬变脉冲群抗扰度试验，评价等级为A；交流端口通过GB/T 17626.5—2016标准[12]规定的严酷等级为3级的浪涌（冲击）抗扰度试验，评价等级为B；直流端口和信号端口通过GB/T 17626.5—2016标准[12]规定的严酷等级为2级的浪涌（冲击）抗扰度试验，评价等级为B。

3 5 系统安全性评估方法

3.1 测试发射阈功率参数

测试发射阈功率参数时需要测试基站阈功率和终端阈功率。GB 3836.1—2017标准规定的射频阈功率见表1。

表1 射频阈功率Table 1 RF threshold power

根据GB 3836.1—2017《爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求》[13]，射频为（9 kHz～60 GHz）的连续发射和脉冲时间超过热起燃时间的脉冲发射的阈功率，不应超过表1的值；其中I类电气设备是用于煤矿井下电气设备；II类电气设备是用于除煤矿、井下之外的所有其他爆炸性气体环境用电气设备；III类电气设备是用于除煤矿以外的爆炸性粉尘环境电气设备。由此可以得知井下无线设备的发射阈功率不应超过6 W。

在不考虑天线叠加情况下和考虑天线叠加情况下分别测量出基站发射阈功率，取最大值为基站发射阈功率Pmax；根据天线的特性与表1，将Pmax与6 W对比，若Pmax≤6 W则说明产品符合标准规定；反之，则产品不符合标准规定。

无线传输方式测量示意图如图1。测试终端阈功率时，将终端放置于电波暗室转台桌子上，根据图1方式连接，按照水平、垂直方向放置分别旋转360°，用综合测试仪扫描其最大发射功率，计算信道功率或根据仪表直接读取信道总功率并记录结果，计算阈功率。根据终端的特性与表1，将计算得出的阈功率与6 W对比，若总的阈功率≤6 W，则说明产品符合标准规定；反之，则产品不符合标准规定。

图1 无线传输方式测量示意图Fig.1 Schematic diagram of wireless transmission measurement

3.2 电磁兼容试验

没有取得进网许可证时，系统设备应该按照MT/T 1115—2011标准中规定的电磁兼容相关要求进行电磁兼容试验；当系统已经获得了进网许可证时，需确认系统主要模块的一致性，并检查屏蔽结构是否存在更改，原设计接口电路是否存在更改，接地点数量、位置是否存在更改，如果系统的以上几点发生更改，那么该系统需重新按照MT/T 1115—2011标准中规定的电磁兼容相关要求进行电磁兼容试验，如果系统未更改则需进行相关评定。

3.3 检验核心网

当系统可以连接国内运营商专线网络时，需要进行以下3步检测：

1）为了确定系统具备5G数据通信功能，需要跳过系统的5G独立核心网设备，使基站直接连接国内运营商的5G专线网络，通过装有运营商终端卡的专用5G终端进行检测。

2）为了确定此核心网为5G网络独立核心网设备，需要断开运营商的5G专线网络，以企业的5G独立核心网设备为基础搭建5G网络，并用同一专用5G终端（用系统专用卡）测试5G数据通信功能。

3）通过以上对5G独立核心网进行综合判定。如果系统不可以连接国内运营商专线网络，则企业需提供第三方在3年之内的检验报告，报告中应明确相关独立组网功能，其中出具第三方检验报告的检验机构应通过CNAS合格评定，CMA实验室计量认证。

3.4 判别系统组网方式

SA组网架构示意图如图2。

图2 SA组网架构示意图Fig.2 SA networking architecture diagram

当判别系统的组网方式时，如果系统组网架构为SA，需要根据图2进行评定，具体步骤如下：①核查系统组成与系统构架图的一致性；②为了核实系统为5G通信系统，通过频谱仪、无线通信综合测试仪测试基站、终端等的工作频段及信号制式；③将终端的入网模式调整为SA模式时，系统可以进行正常通信，再将终端入网模式调整为NSA模式时，系统不可以进行正常通信；④通过以上对系统组网方式进行综合判定。

如果系统组网架构为NSA，需要按照3GPP的相关标准进行以下几个步骤的评定：①核查系统组成与标准系统构架图一致性；②为了核实系统为5G通信系统，需要通过频谱仪、无线通信综合测试仪测试基站、终端等的工作频段及信号制式；③将终端的入网模式调整为NSA模式，系统可以进行正常通信，再将终端入网模式调整为SA模式，系统不可以进行正常通信；④通过以上对系统组网方式进行综合判定。

3.5 检验通信类别及制式

检验通信类别及制式分为检验终端通信类别与制式和检验基站通信类别与制式。

为了判定终端的通信类别与制式，需要将无线通信综合测试仪调到N R（5G）档位，通过射频电缆或无线传输方式测量终端信号反馈情况，若终端可以接收到信号，则证明通信类别及制式是5G NR。

为了判定基站的通信类别与制式，将专用5G终端放置在电波暗室中，测试5G无线传输数据通信功能。

3.6 检验天线参数

天线主要分为有源天线与无源天线，需要根据情况分别制定检验方法。

对于有源天线，作为独立产品，应单独办理矿用产品安全标志，并按相关标准进行检验。在检验的过程中，需要通过图纸和样品核实的方式，确定有源天线是否存在放大可调的情况，如果存在这种情况应确定天线的最大可调范围；对于无源天线，应按产品结构及图纸要求，严格核查天线是否存在有源电路或实际为有源天线，如果存在应按有源天线方案审查，如果确实为无源天线，在进行技术审查及检验过程中，应该严格核对图纸及样品一致性，并需要企业出具承诺书，并在企业技术条件及图纸上明确天线的使用方法。

对于天线的类别，可以通过目测和内部结构检查，并结合通过CNAS、CMA认证的第三方检测检验机构依据GB/T 21195—2007标准出具的3年内的天线检测报告，进行单极化、双极化等类别判断，以及定向和全向天线等的核实。

对于天线增益，可以目测并参考通过CNAS、CMA认证的第三方检测检验机构依据GB/T 21195—2007标准出具的3年内的天线检测报告，报告中其中必须包含有天线增益检验项目。

3.7 其他检验

除了上述数据，还需要检验基站与终端的信号工作频段和最大有效输出功率、天线数量及天线特性和基站与终端间的最大通信距离。基站的每一路发射端的信号工作频率及最大有效输出功率可以根据测试获得；终端的最大有效输出功率和工作频段需要按照图1进行连接，通过无线通信综合测试仪进行测试。另外，通过目测可获得无线发射端口数量与配接天线数量；为了测试基站与终端的最大通信距离可以使用距离测量仪器。

4 结 语

安全是煤矿的生命线，良好的通信系统是保证煤矿井下作业安全的有效措施。随着5G技术的不断成熟，将5G应用到井下移动通信系统是不可阻挡的趋势，规范5G系统及设备的发射功率是保证安全生产、提高采煤技术的必然要求。讨论了井下无线通信系统的发展现状、5G技术的发展和5G在矿用产品中的应用现状；具体分析了阈功率的计算方法，有效输出功率与天线增益的获取方法，单路阈功率的计算方法；分别讨论了配备非阵列天线和阵列天线的基站阈功率参数计算方法，考虑天线叠加情况下基站发射阈功率的参数计算；电磁兼容的重要性及评价标准；分析讨论了矿用5G系统安全性评估的标准与方法：根据现有的国家标准提出了矿用5G产品发射功率最大不得超过6 W的要求，以及发射阈功率参数测试、电磁兼容试验、核心网检验、系统组网方式判别、通信类别及制式判别、天线参数检验等的检验判别方法。这些标准及方法可以对矿用5G系统及产品在矿井下安全使用有重要的参考价值，使矿井工作人员有更多的保障，对5G在井下的应用有重要的意义。