基于矿用4G+5G混合组网的无线通信系统应用研究

李军刚

（山西新景矿煤业有限责任公司 山西省阳泉市 045000）

目前国内外绝大部分煤矿井下通信系统采用Wi-Fi、3G、4G，普遍存在通信带宽窄、延时高、速率低等缺点，仅能实现语音通讯和少量的视频通讯，无法实现井下数据的大融合。随着5G 通信技术的商用与普及，各类新技术、新应用快速发展，已广泛应用在物联网、大数据、航天卫星、智能机器人[1-3]等领域。近年来，国家高度重视煤炭等重工业行业向信息化、智能化、自动化等方向转型升级，不断推进将5G 技术应用于智慧矿山建设、无人开采、智能作业。

5G 通信技术作为智慧矿山的重要支撑技术，成为学者广泛研究的热点方向。文献[4]针对矿井灾后救援场景提出了一种5G 直连矿井应急通信系统架构，实现低延时、高效率的矿井应急通信需求；文献[5]以煤矿“5G+智慧矿山”为背景，从远程控制、实时检测等6 个方面进行详尽分析，提出一套完整的矿用5G 多频段融合组网建设方案；文献[6]基于5G 通信技术，分别研究了井下固定式和移动式可视化监控技术，实现井下视频的实时监控。文献[7]详细分析矿用5G 和基站天线位置对无线传输系统的影响，为提高矿井下无线传输距离、加强无线通信系统的安全性和可靠性和减少井下组网和基站的维护成本提供理论基础。

虽然上述研究成果表明5G 技术在煤矿建设中前景可期，但由于5G 基站设备成本高昂，以及部分技术尚未成熟，矿用5G 目前处于初期探索阶段[8-9]。矿用4G通信技术具有产品设备性价比高、技术成熟的优势，能基本满足大部分煤矿通信需求，使建立4G 与5G 融合系统成为可行方案。其次，现有矿用无线通信系统内部交错繁杂，缺乏系统统一控制设备，导致系统安全性、可靠性较差，难以应对错综复杂的井下环境[10]。综上所述，本文以山西华阳集团新景矿为例，在5G 井下应用测试结果的基础上提出井下4G 和5G混合组网的设计思路，设计矿用4G+5G 一网双芯融合通信系统、矿用4G+5G 隔爆兼本安型基站控制器、矿用4G+5G 本安型信号转换器，组成矿用5G+4G混合组网的无线通信系统，实现煤矿数据安全，井上井下设备统一控制以及低延时、高可靠的煤矿无线通信。

1 矿井概况与需求分析

华阳集团新景矿井田面积54.321 平方公里，地质储量8.123 亿吨，可采储量4.821 亿吨，均为优质无烟煤，矿井核定生产能力450 万吨/年。新景矿目前主采3#、8#、9#、15#煤，属于煤与瓦斯突出矿井，现有18 个部室（工区），39 个队组，在岗员工5498 人。

新景矿井下现有矿用无线通信系统采用3G 技术，现有在用手机300 多部，但由于无线频点采用电信和移动的测试频点，现地面部分该频点已被移动4G 占用，无法使用。井下频点虽仍可使用，但井下基站损坏较多，且设备厂家对应产品已停产，无配件可买，导致井下无线通信系统实际已处于瘫痪状态，急需改进。为贯彻落实《山西省“十三五”战略性新兴产业发展规划》、《山西省“十三五”工业和信息化发展规划》，华阳集团新景矿进行5G 井下试点应用测试。通过实地的工业性测试，验证5G 技术适用于井下上传数据量大且设备需移动的场景应用，如综采工作面和掘进工作面等场景，同时发现5G 基站相比4G 基站有无线覆盖距离短、成本高等缺点。因此，建立矿用5G+4G混合组网的无线通信系统迫在眉睫。

2 矿用5G+4G混合组网的无线通信系统实现方案

2.1 总体方案

矿用5G+4G混合组网的无线通信系统总体方案如图1所示，该系统由一台SA 本地核心网、汇聚交换机、移动PTN、地面用广电转换器、矿用隔爆兼本安型基站控制器、矿用隔爆兼本安型基站、矿用隔爆型电源、矿用本安型转换器、矿用本安型终端及辅料等设备组成。

图1：矿用5G+4G混合组网的无线通信系统总体框架

本地核心网采用独立组网（SA）架构，用于管理煤矿不出局数据和设备，所有数据保留在煤矿内部服务器；出局数据通过移动PTN 接入运营商核心网，运营商核心网通过5G 切片技术接入井下基站，负责出局数据管理，保障出局数据安全。井下组网采用4G 基站和5G 基站的融合组网模式，两种基站独立部署，并实现全矿无线覆盖。通过矿用隔爆兼本安型基站控制器与两种基站配合组件井下无线网络。井下矿用本安型终端和矿用本安型转换器同时支持4G 和5G 信号，实现井下人员调度、设备互联和数据上传等功能。

2.2 矿用4G+5G一网双芯融合通信系统

根据华阳集团新景矿井的现场实际勘察结果，采用矿用4G+5G 一网双芯融合通信系统，在解决现实需求的同时，结合了4G 技术低成本、高覆盖和5G 技术低延时、大带宽的优势，在新技术应用和成本之间取得了较好的平衡。该系统采用统一的IP 系统架构，支持多种已经标准化的接口，具有高兼容性、大带宽、安全可靠等特性。其中在井下辅助运输巷、皮带巷等数据量上传不大的应用场景建设4G 基站，保障井下人员调度、巡检、设备数据上传的需求；在掘进工作面、综采工作面等对移动带宽有较高要求的场景采用5G 基站覆盖，满足综采工作面无线视频监控、采煤机、刮板机、运输机等设备数据的采集和无线上传和远程控制的需求，保障自动化综采工作面设备数据的实时上传和远程控制。经实际测试，4G 单基站无线覆盖直径达1200 米，在同等环境下5G 基站覆盖直径为400 米。

由煤矿5G 通信系统安标检验方案（试行）的规定，矿用5G 通信系统网采用SA 组网方式，将本地5G 核心网与运营商5G 核心网相结合，设计5G 一网双芯组网方案。SA 组网方式是完全独立的5G 网络架构，支持5G 网络的所有新功能和新特性，具有较高的灵活性和安全性。在矿上布置SA 组网的本地5G 核心网，管理井下基站控制器和基站，负责煤矿不出局数据和设备管理；对外数据采用运营商SA 核心网，利用5G 切片技术共享井下基站控制器和基站，负责出局数据的专网切片管理，一张网两套核心网分开管理，保障出局数据的安全。在运营商核心网掉线情况下不影响本地核心网的运行，煤矿本地业务数据流只到企业5G 核心网，本地数据不出局，不上公网，保证了本地数据的安全。两种核心网同时支持4G 基站和5G 基站。

5G 矿用隔爆兼本安型基站是井下5G 无线网络覆盖的主要设备，我们采用华为RRU5235E 型5G 基站，实现基站信号和射频信号的调制解调、数据处理、合/分路等功能，完成5G 无线信号的覆盖。由于华为RRU5235E5G 天线单通道输出功率为15W，不符合安标规定，为此我们在华为RRU5235E 型5G 基站的基础上增加限幅隔离模块如图2(a)所示。限幅隔离模块电路图如图2(b)所示主要实现两个功能：

图2

（1）从硬件上将华为RRU5235E 基站天线输出的15W 功率通过硬衰减的方式衰减到1W；

（2）使无线信号只能输出，不能输入，达到隔离效果，并经过1500V 耐压测试，不能击穿。经实验测试，我们的新型华为RRU5235E 符合安标要求。

2.3 矿用4G+5G隔爆兼本安型基站控制器

为实现井上核心网和井下防爆基站的控制管理，设计矿用隔爆兼本安型基站控制器作为基站的控制和管理单元，如图所示。矿用隔爆兼本安型基站控制器同时具备4G 和5G 基站的管理和组网功能，对上支持本地核心网和运营商核心网的云端管理，对下配合两种基站组建4G 和5G 无线网络实现井下4G 和5G 无线网络融合覆盖。并支持在井下接入环网，为地面调度中心提示监控数据，实现人员、设备实时调控。

矿用隔爆兼本安型基站控制器主要功能有：

（1）提供基站与核心网连接的物理接口，处理相关传输协议；

（2）提供与基站通信的CPRI 接口，完成上下行基带信号处理；

（3）集中管理整个基站系统，包括操作维护和信令处理；

（4）提供与LMT（LocalMaintenanceTerminal）的维护通道；

（5）提供时钟接口、告警监控接口、USB 接口等。

2.4 矿用4G+5G本安型信号转换器

矿用本安型信号转换器是为煤矿井下恶劣环境专门设计的数据接入本安型设备，是煤矿5G 无线通信系统实现井下设备数据上传的关键设备，是矿用工业级无线数据采集终端，也是实现井下各系统分布式接入融合的支撑设备。在实现井下设备数据无线接入、无线控制、自动化控制当中起到设备与设备之间、人与设备之间的连接作用。经市场调研和实验测试，我们采用华为5G 工业模组MH5000 作为矿用本安型转换器的核心组件，矿用本安型信号转换器如图3所示。5G 工业模组MH5000 支持高速数据传输，支持5G 全网通、4G、Wi-Fi 等无线网络接入方式，集成有实时以太网、CAN、485 等工业现场总线，兼容主流的工业协议。同时具有高速率、低时延和耐高温的特性，而且具备面向网络的演进能力，保护设备投资，适用于煤矿井下各种复杂的应用场景。

图3：矿用本安型信号转换器

矿用本安型信号转换器主要功能有：

（1）具备有线和无线互转功能；

（2）支持4G 和5G 无线信号入网功能；

（3）具有固定IP 地址、透明数据传输和路由功能，实现IP 设备的数据接入和回传；

（4）具有Wi-Fi、RJ45/RS485 等接口；

（5）为用户提供安全、可靠、方便、灵活的无线数据连接，具有高速无线传输，丰富的专业接口，满足多种主流的数据接入需求。

3 结语

本文以华阳集团新景矿为例，通过结合当前技术背景，分析新景矿具体应用需求，介绍了新景矿矿用5G+4G混合组网的无线通信系统实现方案。通过设计矿用4G+5G 一网双芯融合通信系统，保证煤矿数据安全，充分发挥4G 和5G 各自优势；通过设计矿用4G+5G 隔爆兼本安型基站控制器，实现井上核心网和井下防爆基站的统一控制管理，提高系统的稳定性和安全性；通过设计矿用4G+5G 本安型信号转换器，实现设备数据的有线和无线互转功能，加强复杂恶劣环境下的数据传输能力。该组网方式能够满足智能化、多样化煤矿建设需求，有较好的应用前景。