基于5G 直连通信的矿井应急通信技术

李晨鑫，张立亚，刘 斌，康守信

（1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司 羊场湾煤矿，宁夏 银川 750411）

应急救援是煤矿安全生产领域的一个重要方向。近年来，随着煤矿领域无人化、自动化和智能化的发展，安全生产形式持续向好，但煤矿事故仍时有发生，当事故发生后，原有通信系统损坏，救援队员需要快速搭建应急通信系统，实现井上、井下以及救援人员之间环境监测、健康体征和调度信息的实时可靠传输，对降低人员伤亡、高效处置事故都发挥着重要作用[1-3]。

矿井应急通信技术方面已经具有一定的研究基础，主要聚焦于Wi-Fi 基于开展无线Mesh 组网研究。文献［4］对基于无线Mesh 网络的广播系统在煤矿应急通信中应用进行了研究；文献［5］提出了在矿井应急救援通信中利用跳频技术实现抗干扰的方案，解决传输中的同频干扰问题；文献［6］研究设计了井下无线MESH 通信系统，可支持矿井应急通信的组网；文献［7］研究设计了矿用KTK100 多功能互联话机，在煤矿应急救援保障中可实现应急广播功能。

然而，基于Wi-Fi 的Mesh 中继和覆盖方案由于工作在非授权频段，存在信道连续占用时间的法规限制和LBT（Listen before talk）的固定存在难以实现极低时延的通信指标；同时由于多设备同一频段中继前传与回传，容易产生同频干扰的情况，影响通信网络质量。

近些年随着5G 技术面向垂直行业应用的拓展研究，5G 直连通信技术（Sidelink）已经被3GPP 标准化，主要面向应急救援相关的公共安全领域和车联网V2X 领域[8-9]。5G 直连通信技术可以不依赖于基站、基于直通链路实现终端之间的低时延、高可靠的分布式通信，能够支撑应急救援环境下原通信网络损坏、需要快速构建应急通信链路的需求，并且可以工作在Band47（5 855～5 925 MHz）专用频段上、能够规避Wi-Fi 等非授权频段通信技术受限信道连续占用时间的法规限制和接入前监听等法规要求、造成低时延特性无法保障的问题[10-11]。

为此，针对矿井高质量、低时延的应急通信需求，设计了一种矿井应急移动通信系统，以Sidelink直连链路通信技术为核心，提出一种无线资源免调度、免路由的极简架构下的低时延高可靠的频谱时隙资源分配方法，实现无同频干扰、低时延矿井应急移动通信。

1 基于5G 直连通信的矿井应急通信系统

基于5G 直连通信的矿井应急通信系统架构如图1。

图1 基于5G 直连通信的矿井应急通信系统架构图Fig.1 Mine emergency communication system based on 5G Sidelink communication architecture diagram

基于5G 直连通信的矿井应急通信系统主要由井上管控平台、传输网、中继器以及矿用应急救援终端组成。井上管控平台位于煤矿井上，指挥人员可以通过该平台进行应急线路的调控、环境参数的调控、音视频的监控和调度等；传输光纤环网，在井上管理平台与中继器之间建立有线连接，用于传输通信数据与链路调控数据；Sidelink 中继器，通过5G直连通信技术实现传输链路的搭建，并通过末端的中继器实现救援现场无线覆盖；矿用应急救援终端包括矿用手机、智能穿戴、生命传感器等设备，由救援人员佩戴，用于采集和生成救援人员语音视频、人员定位、生命体征参数监测等通信数据，并将通信数据发送至Sidelink 中继器。通过上述通信系统，井上指挥部与井下救援人员建立信息通道，井下救援人员所处的环境和身体特征状况、救援现场情况能够及时上传到井上指挥部，井上指挥人员根据井下上传的信息，科学精准的做出判断指导井下救援工作。

2 中继器5G 直连通信组网机制

为实现低时延、无同频干扰的高质量矿井应急通信，中继器采用ITS（Intelligent Transport Systems，智能运输系统）专用频段5 855～5 925 MHz（band47）以及采用5G 直连通信的技术实现无线链路的建立和传输。5G 直连通信的示意图如图2，图中N 为可复用相同传输资源的间隔设备数。

图2 5G 直连通信的示意图Fig.2 Schematic diagram of 5G direct connection communication

具体实现方法如下：①中继器部署时按照设备编号顺序排布，或部署时顺次自动生成编号设备ID（Identity Document，身份标识号码），如图2 中的1#中继器、2#中继器等等；②以通信数据的传输资源的时域资源粒度为调度单位，将通信数据传输的频域资源划分为2 个传输资源集合，分别为传输资源集合subset1、传输资源集合subset2，时域资源粒度是指在时域上传输通信数据所需的传输资源的调度单位即时隙；③基于所述中继器的编号，结合预设规则，确定传输所述通信数据的时隙信息和传输资源集合。

中继器预设规则设计如下：

1）确定中继器前/后传传输资源集合。设计中继器回传使用传输资源集合subset1、前传使用传输资源集合subset2。

2）中继器接收通信数据。根据式（1）可以确定不同编号中继器对应的接收通信的时隙编号信息。

式中：mod（x，y）为求余函数，“Time resourcenumber”为传输资源的时隙信息；N 为可复用相同传输资源的间隔设备数，N＞2，且N 为正整数；SID 为待进行通信数据传输的中继器所对应的编号。

3）中继器发送前传通信数据。根据式（2）可以确定不同编号中继器对应的前传通信的时隙编号，结合前传通信是传输资源集合subset2，可以确定中继器发送前传的通信时隙信息。

4）中继器发送回传通信数据。根据式（3）可以确定不同编号中继器对应的回传通信的时隙编号，结合回传通信是传输资源集合subset1，可以确定中继器发送回传的通信时隙信息。

以N=3 为例，可复用相同传输资源的中继器设备数为3 个，分别编号为1#中继器、2#中继器、3#中继器。

根据式（1）可以得知，1#中继器接收的通信数据是时隙编号为1，4，…，3m+1（m 为自然数）的传输资源集合subset1 和传输资源集合subset2；根据式（2）可以得知，1#中继器发送前传的通信数据是时隙编号为2，5，…，3m+2（m 为自然数）的subset2；根据式（3）可以得知，1#中继器发送回传的通信数据是时隙编号为3，6，…，3m+3（m 为自然数）的subset1。

同理可以得知：2#中继器、3#中继器的接收和发送的数据时隙信息。N=3 时中继器的时隙信息表1。

表1 N=3 时中继器的时隙信息Table 1 Time slot information of repeater at N=3

中继器5G 直连通信由于是使用预设规则，能够准确确定正在传输通信数据的中继器所对应的传输资源，可以有效提升传输资源调度的效率，进一步提升应急通信质量。此外，如果系统期望具有节电性能，可通过配置使中继器具有空闲状态时隙，即：在所述传输链路中，可复用相同传输资源的间隔设备数的数量大于3 时，所述中继器在传输所述通信数据的时隙具有空闲状态，所述空闲状态的时隙数量为：

式中：Sleep: Numberslot为所述中继器在传输所述通信数据时处于空闲状态的时隙的数量。

3 系统性能分析

设计的基于5G 直连通信的矿井应急通信系统根据3GPP 协议在FR1（Frequency Range 1，6 G 以下）频带范围定义，SCS（Sub-Carrier Space，子载波间隔）有15、30、60 kHz[12]。以SCS 取30 kHz 和60 kHz 为例，分析系统性能。

5G 新空口SCS 可以取2μ×15 kHz, 其中μ 可以取0、1、2、3、4、5；在时域上1 个无线帧=10 ms=10个子帧，1 个子帧对应的包括2μ 个时隙，即每个时隙长度为1/（2μ）ms，当SCS 为30 kHz 和60 kHz时，对应的空口时隙长度为0.5 ms 和0.25 ms[13]。根据中继器直连预设的规则，每个Sidelink 中继器接收或者发送某个通信数据，设计的时域资源循环的时隙数为N，因此业务到达时等待的时隙数量最大为N+1 个时隙。

因此，在SCS 为30 kHz 时中继器空口时延最大是0.5×（N+1）ms，最小为0.5×1 ms，均值为0.5×（1+N+1）/2 ms，因此，20 跳最大10×（N+1）ms，按均值计算应为5×（N+2）ms。

在SCS 为60 kHz 下，空口时延最大是0.25×（N+1）ms，最小为0.25×1 ms、均值0.25×（1+N+1）/2 ms，20 跳最大5×（N+1）ms，按均值计算应为2.5×（N+2）ms。

选取2 个典型案例即相同传输资源的间隔设备数N 取3 和4，分析计算了2 种配置情况下系统时延性能，N=3 时通信系统指标见表2，N=4 时通信系统指标见表3。

表2 N=3 时通信系统指标Table 2 Communication system metric at N=3

表3 N=4 时通信系统指标Table 3 Communication system metric at N=4

由表2，在传输链路中的可复用相同传输资源的间隔设备数的数量为3 时，30 kHz SCS 配置、中继设备20 跳的情况下、平均空口时延25 ms，60 kHz SCS 配置、中继设备20 跳的情况下、平均空口时延低至12.5 ms。

由表3，当N=4 时，中继器设备的功耗可降低25%。虽然配置空闲时隙会额外增加设备传输等待时间、造成时延一定程度增大，但30 kHz SCS 配置、中继设备20 跳的情况下、平均空口时延仍可低至30 ms，60 kHz SCS 配置、中继设备20 跳的情况下、平均空口时延仍可低至15 ms，低时延性能仍可获得保证。

当可复用相同传输资源的间隔设备数的数量N为4 时，还可配置得到空闲的时隙、实现设备功耗降低，当N 为4 时、每一台中继器在4 个时隙资源中有1 个时隙可处于空闲状态，无需中继器一直处于收发状态，从而有效降低设备功耗。根据上述的预设规则分析，间隔设备数量为N（N＞3）时降低功耗为（（N-3）/N）×100%。

4 结 语

1）分析了现有矿井应急通信常用的基于Wi-Fi技术作为无线覆盖与中继的技术存在的非授权频段连续占用时间以及接入前监听LBT 等无线电法规限制，造成固有难以实现低时延性能的问题，指出同时多个中继设备利用同一频段存在同频干扰的情况。

2）提出了基于5G 直连通信的矿井应急通信系统架构，包括井上管控平台、传输网、中继器以及矿用应急救援终端。提出一种基于5G 直连通信的矿井应急通信系统架构，设计了设备标识与直连通信链路时频资源位置的映射方法，设备通过预配置的前传链路和回传链路传输资源位置、无需建立路由连接即可实现与相邻前端设备和后端设备通信链路，利用时域资源循环复用的方式实现邻近中继设备之间的资源空分复用和同频干扰规避，实现低时延、高可靠、免调度、极简路由的矿井应急通信中继路由机制。

3）按照5G 典型的子载波间隔SCS 配置和常规应急通信中继设备20 跳组网需求，分析了设计的5G 直连通信中继组网机制下的系统性能，传输资源间隔数量为3、中继设备20 跳、载波间隔30 kHz 的情况下，可以实现空口时延25 ms；在传输资源间隔数量为4 时，中继设备功耗降低25%，在20 跳，载波间隔30 kHz 的情况下，可以实现空口时延30 ms；采用更高的子载波间隔空口时延会进一步降低。