5G-700 MHz技术在三元矿井下应用

尹东升

（晋能控股装备制造集团）

目前煤矿井下智能化通信网络存在环境复杂、性能挑战大、多网并存、运维困难等问题，在一定程度上制约了矿山全面智能化发展，亟待利用5G 技术赋能智能化建设，实现安全、高效、少人、无人生产。三元矿创新性地提出井下使用5G-700 MHz 技术，在700 MHz 频段采用5G-SUL 大上行带宽方案，即扩展原700 MHz 上行带宽30 MHz 为100 MHz（703～803 MHz），并将700 MHz 频段原FDD NR 制式改为SUL（辅助上行）工作方式。同时，在同一5G BOOK RRU模块中，采用900 MHz 频段FDD NR 来完成5G 系统消息广播和5G上行调度指令的发送［1］。基于上述特性，煤矿井下5G-700 MHz 专网具有带宽大、覆盖远、时延短、可靠性高、支持海量物联等特点，实现了前端数据采集到传输网络再到顺槽控制中心及地面调度控制中心的全过程传输和远程操控，实现了采煤工作面远程操控、综采工作面视频拼接、掘进设备远程操控、5G+AR巡检与远程诊断。

1 5G-700 MHz关键技术

2020 年4 月，中国工信部发布《关于调整700 MHz 频段频率使用规划的通知》，将702～798 MHz 频段频率使用规划调整用于移动通信系统，并将703～743、758～798MHz（2×40 MHz）频段规划用于频分双工（FDD）工作方式的移动通信系统［2］。根据3GPP标准，N28 全频段范围为703～748、758～803 MHz（2×45 MHz），因此我国用于FDD 移动通信的700 MHz 频段属于N28 频段。根据3GPP R16 定义，在基站侧，R16标准新增支持30、40 MHz 带宽，即N28 5G 载波带宽最大为2×40 MHz；在终端侧，R16 标准新增支持30 MHz 带宽，即手机能力最大为2×30 MHz，其中，N28全频段根据频段使用范围不同分为N28A 和N28B 2个子频段，N28A 频段范围为718～748 MHz 或773～803 MHz，N28B频段范围为703～733、758～788 MHz［3］。

2 煤矿网络建设中面临的问题

煤安认证中要求，煤矿井下所有无线设备的阈值发射功率不得超过6 W［4］，使得已规模商用的中频频段（2.6、3.5GHz）的5G 基站在井下的覆盖距离相对较短，导致全矿井部署5G网络所需的基站数目较多，成本较大。

5G 中频频段无法打穿煤矿综采面（典型长度300 m），当前必须在综采面中部区域再额外部署多个5G 基站，才能满足煤矿综采面的覆盖诉求，但是，综采面中部区域由于较难部署5G 回传所需的光纤，使得煤矿井下部署5G网络的难度增加。

5G 低频频段（700 MHz 频段）覆盖距离相对较远，是5G 网络专家和煤矿业界专家公认的煤矿井下最佳频段。煤矿井下存在上行大带宽回传需求的业务（比如，综采面视频回传业务等），但是当前700 MHz 频段只有30 MHz 带宽可以用于上行，难以满足井下上行大带宽业务的回传诉求。

3 5G-700 MHz在三元矿的方案实施

三元煤业是山西省晋能控股集团下属公司，核定生产能力260 万t/a。三元煤业矿井井田面积19.8 km2，批准开采3#～15#煤层，保有储量3.03 亿t。煤层赋存条件良好，煤层倾角0°～10°，现开采3#煤层，矿井地质条件简单，水文地质类型为中等。2012 年矿井瓦斯等级鉴定为高瓦斯矿井。三元煤业矿井为立井开拓，建有5 个立井井筒和3 条主要大巷。现有1 个综采工作面、1 个备用工作面和2 个掘进工作面。综采工作面采用综合机械化低位放顶煤工艺。

以“5G 覆盖”为基本思路，建设5G 基站，井下所有5G设备均需进行隔爆改造，实现井下综采工作面、掘进工作面、主运大巷（南翼皮带大巷）、辅运大巷、硐室、井底车场5G无线网络覆盖，满足井下矿用隔爆型CPE 设备、智能化监测、控制系统、无人值守、智能巡检机器人和高清摄像仪等设备的5G 系统接入，实现井下语音通信、访问互联网、综采面智能掘进、数据不出园区、大带宽、低时延、广连接的功能［5］。三元矿5G-700 MHz 系统专网专建、专网专用，所有业务面应用及控制面信息直接在矿区内闭环，保障数据不出矿区，通过安全网关与公共网络进行互联互通。采用本质安全型5G融合基站、本质安全型5G数传终端、本质安全型5G 手机，满足在井下任何地点、任何时间的使用需求。支持全矿井5G、4G、有线通信调度融合，支持UWB人员精确定位、矿用应急广播。具体建设内容分为以下两部分：

（1）井上部分。建设从三元矿地面机房到最近2个移动汇聚机房的传输链路，实现主备链路保护。矿区已建成有线光纤SPN 骨干环网，可实现50GE 环网组网，具备切片功能，满足5G传输带宽需求。部署融合创新平台，实现数据不出矿区。一方面实现矿区数据本地终结，降低传输时延，满足矿区工业控制等低时延业务诉求，同时保障矿区数据高安全性；另一方面与省侧融合创新平台联通，满足井下语音外呼、白名单控制、上网行为管理等需求。

（2）井下部分。建设31 个5G 基站，满足井下人员语音通信、各类传感器信息采集、井下视频监控、井下远程控制等场景的网络需求，实现智能综采、掘进以及智能化矿井建设相关应用场景的数据传输和远程控制。

三元矿井下5G-700 MHz 无线网络总部署覆盖距离约13 km，覆盖区域为综采工作面（包括4306 回采面、4306 运输顺槽、4306 回风顺槽）、掘进工作面（4326 回风顺槽掘进面）、主运大巷（南翼皮带大巷）、辅运大巷（包括南翼轨道大巷、四采区胶轮车大巷）、硐室（包括中央变电所、四采区变电所）、井底车场（包括副井底北平巷、井底车场），建设31 个5G 基站，使用6 台BBU，31 台BOOKRRU。在三元煤矿的重点区域（4 盘区、辅运大巷、中央变电所），将会有5G-700 MHz 网络覆盖，能支持多种不同的5G 煤矿应用业务，如采煤机5G远控、掘进机5G远控、机电硐室机器人5G 自动巡检、5G 融合调度等，三元矿井下5G-700 MHz网络部署规模如图1所示。

煤矿井下5G-700 MHz 无线网络，通过重构地下频谱使用模式，同时达成煤矿井下综采面所需的既要覆盖远、又要传输速率高的需求。利用700 MHz频段上行100 MHz频谱使能上行大带宽业务，在综采面可提供约1 Gbps 传输速率（在综采面两端各部署一个5G-700 MHz 基站两边对打），为井下多路高清视频回传等大上行业务场景提供了支撑。基于5 万M工业环网，既能用作5G传输承载，也可以支持其他业务承载（如：视频监控、有线电话等），多种业务承载通过采用网络切片技术保证各类业务的性能，可满足未来5～10 a 煤矿智能化发展的带宽诉求。采用矿区创新平台（即5G核心网）可实现煤矿生产数据在矿内闭环，生产数据不出矿区。

煤矿井下5G-700 MHz 网络具有适用场景广泛、网络性能优异的特点，在巷道场景下5G 信号覆盖距离相对2.6、3.5 GHz 频段提升约50%；在综采面场景下，通过机头、机尾各布置1个基站，便可使得综采面5G 信号全覆盖，无需在综采面中部额外布置基站。有助于帮助煤矿企业实现综采工作面、掘进面少人、无人目标，进一步保障煤矿企业安全生产目标。2.6、3.5 GHz频段的5G网络在煤矿井下已有应用，但是煤矿井下5G-700 MHz 方案在三元煤矿属于全球首创商用局点。

4 5G-700 MHz在三元矿的应用成果

4.1 采煤工作面远程操控

目前采煤机远程操控多采用现场总线、工业以太网或区域无线模式，在工作面进行有线敷设比较困难且维护工作量大，难以满足地面远程操控对时延及传输可靠性的要求。为了更好地实现远程操控，从前端数据采集到传输网络再到顺槽控制中心及地面调度控制中心，可采用全5G 传输技术，即“5G+环网”，利用其大带宽、低时延、高可靠、硬隔离的特性，将“UPF+MEC”直接下沉到工作面，从而搭建起稳定可靠的端到端综采工作方式。

当前，综采工作面采煤机远程操控的数据传输主要通过矿用无线转发器（5G CPE）来实现，通过在综采面机头和机尾各布置1个5G-700 MHz基站就能使5G 信号打穿整个工作面，将采煤机现有回传系统改造为5G-700 MHz 回传系统，同时新增1 套控制信号双发选收系统（远控信号同时发送2 份，接收端择优选取），从而进一步提升远程控制的可靠性。改造方式如图2所示。

4.2 5G-700 MHz综采面全景视频拼接

井下实时视频是远程操控的前提，为解决精确远控的视频瓶颈问题，需建设1套综采面全景视频拼接系统。系统提供1 幅长的“画卷”实现综采面全景可视，同时叠加煤机前后滚筒工作区的特定视角，整体提供“身临其境”的煤机驾驶感受，精准指导远程操控作业。

全景视频拼接系统将液压支架处的多路摄像机进行拼接融合，打破视频离散孤岛的现状，给井上远控人员提供1 个大场景的视频画面，使割煤机、刮板运输机、液压支架的运行态势尽收眼底。在大场景监控基础上，获取重点视角的视频，捕捉上滚筒碰撞护帮板、下滚筒探底不到位等细节。通过与现网集控系统对接，获取煤机速度、姿态、液压支架行程等信息，实现仪表盘展示。

三元矿综采面全景视频拼接通过在井下部署5G-700 MHz 骨干网络设施，用来承载井下综采面和液压支架处部署的5G 摄像机的视频上传。井上机房，部署视频拼接服务器、综合视频管理服务器、拼接算法软件，承载视频的接入、拼接、存储等功能。井上调度中心，通过综合视频管理软件，在IOC 调度大屏、远程控制台实现全景拼接视频、多视角视频的展示。

4.3 掘进设备远程操控

掘进工作面生产设备移动频繁、电缆（光缆）布设困难且易受损伤，致使掘进机至顺槽监控中心有线通信信道无法长期稳定通信。在掘进工作面部署矿用5G 网元设备，实现掘进巷道和掘进迎头等生产工作区域5G 网络稳定覆盖，在掘进机电控箱内或机身安装5G CPE，利用5G 网络可实现掘进机（综掘机、连采机、掘锚一体机）运行状态数据、机载传感器数据、机载工业视频数据等信息可靠传输至掘进工作面监控中心及地面调度信息中心，改造方式如图3所示。

通过矿用5G 系统与矿井工业环网的融合对接，实现工业监控主机基于5G的掘进机远程集控。工作人员可以使用5G手持智能终端，通过5G网络实现对掘进工作面工业控制主机、工控网终端设备、5G入网设备等进行数据通信和信息查询等多种操作。

4.4 5G+AR巡检与远程诊断

煤矿井下场地狭窄、环境较差，井下设备的巡检、维修工作量大。针对煤矿井下故障维护效率低下、巡检流程标准化难度高等问题，行业开发了5G+AR 巡检与远程诊断系统，具备实时巡检、实时采集、实时定位、实时互联、远程诊断、近感探测、语音视频通话、人机交互等功能，并可实现人岗匹配的生物特征识别，对边缘死角单岗作业人员进行定位监控与预报警联动等功能。

5 结语

三元矿以5G-700 MHz 技术为基础支撑，对采掘、供电、运输、通风、排水、洗选、安全保障、经营管理等各项环节进行智能互联，达到设备远程操控、数据智能分析、精准监测预警、科学合理调度等目的。架构起1张全面感知网络，1条高速数据传输通道，形成1个大数据应用中心，面向不同业务部门实现按需服务，实现矿井数据的综合分析、智能决策。