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煤礦井下5G覆蓋數(shù)據(jù)分析

——巷道內(nèi)單站可覆蓋400-500米,；綜采面單站覆蓋超過180米

華為技術(shù)有限公司  段建國

中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)  張建明

2020年是5GtoB的元年,，也是5G在煤礦應(yīng)用的元年。2020年6月17號(hào),，安標(biāo)國家中心發(fā)布了《煤礦5G通信系統(tǒng)安全技術(shù)要求（試行）》和《煤礦5G通信系統(tǒng)安全標(biāo)志管理方案（試行）》,，5G作為新一代無線通信技術(shù)深入煤礦井下有了規(guī)范可循。截止到2020年底,，5G煤礦項(xiàng)目已超過50個(gè),。在所有行業(yè)應(yīng)用中，煤礦成為5G專網(wǎng)部署最多的行業(yè),。

為支撐煤礦井下的網(wǎng)絡(luò)部署和規(guī)劃,，礦山企業(yè)、運(yùn)營商和設(shè)備廠家在不同場景進(jìn)行了多次5G覆蓋能力的測試,。從多個(gè)煤礦的測試數(shù)據(jù)看,，按照上行速率20Mbps為小區(qū)邊緣,，巷道內(nèi)單站可覆蓋400-500米；綜采面單站覆蓋超過180米,。

一,、煤礦井下5G覆蓋測試數(shù)據(jù)分析

1、新元煤礦井下測試

在山西華陽新材料集團(tuán)新元煤礦的測試中,，部署2.6GHz四通道皮站,，單通道發(fā)射功率21.7dBm(150mW)，開啟上下行時(shí)隙翻轉(zhuǎn)功能（時(shí)隙配比DL:UL= 1:3）,，井下采用錯(cuò)頻組網(wǎng)方案,，即相鄰基站各開80MHz帶寬的載波。

在綜采面覆蓋能力測試過程中,，采煤機(jī)距離天線90米左右,，過了采煤機(jī)位置，由于遮擋,，信號(hào)快速衰減,。在距離天線108米位置，上行速率24Mbps左右波動(dòng),。  

在輔運(yùn)巷道的測試過程中,，在距離天線330米處地形變化較大，信號(hào)快速衰減,，在390米處,，上行速率在20Mbps左右波動(dòng)。

2,、龐龐塔礦井下測試

山西焦煤龐龐塔礦,，部署3.5GHz頻段的四通道的皮站設(shè)備，每兩通道接一副天線,，兩個(gè)天線背靠背,，每通道輸出功率250mW，開啟100MHz載波,。分別在行人斜井和綜采工作面進(jìn)行了覆蓋測試,。

行人斜井測試中，在距離天線200米處,，上傳速率33.2Mbps,；在250米處，上傳速率下降到15.5Mbps左右,。單站覆蓋半徑大于200米,。

在綜采工作面，把基站安裝在工作面兩側(cè),，向綜采工作面的中間進(jìn)行覆蓋,，基站天線吊掛在液壓頂板之下。在距離天線180米處,，上行速率約30.1Mbps,。

3、井下測試分析

以上測試中5G輸出功率都考慮了天線增益和多通道疊加,，總功率不超過6W,。從上述兩個(gè)煤礦測試的數(shù)據(jù)可以看出，不論是2.6GHz,，還是3.5GHz的5G設(shè)備,，在巷道都可以按照最大400-500米站間距去布置；在綜采工作面采用兩側(cè)安裝5G基站往中間對(duì)打的方式,，也可以保障貫穿350米的寬度,；這兩種場景下都能保證20-30Mbps的上行帶寬速率。目前進(jìn)行5G煤礦井下測試數(shù)據(jù)還非常有限,，井工煤礦地形地勢復(fù)雜,，不同的場景5G的覆蓋能力還需要實(shí)地勘測和驗(yàn)證。

　　二,、礦井5G業(yè)務(wù)需求

礦井5G應(yīng)用為什么要強(qiáng)調(diào)上行邊緣速率呢,？答案是業(yè)務(wù)需求。

無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋,，是基于業(yè)務(wù)需求規(guī)劃的,。那么，5G在礦井下能做哪些業(yè)務(wù),？根據(jù)2020年10月份發(fā)布的《5G+煤礦智能化白皮書》,，井下業(yè)務(wù)大概可以分為信息采集類、視頻監(jiān)控類,、通信類和遠(yuǎn)程控制類,。信息采集類業(yè)務(wù)以上行小包業(yè)務(wù)為主，時(shí)延不敏感,；視頻監(jiān)控類對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求是上行大帶寬,，以4K攝像頭為例帶寬需求約15-20Mbps，時(shí)延敏感度中等,；人員通信類業(yè)務(wù),，對(duì)網(wǎng)絡(luò)上行和下行要求相同，如果是視頻通話,，網(wǎng)絡(luò)需求約4-8Mbps,；遠(yuǎn)程控制類業(yè)務(wù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求上行大帶寬,，下行低時(shí)延,，上行鏈路回傳現(xiàn)場的視頻或者雷達(dá)等傳感器數(shù)據(jù),，依據(jù)回傳的視頻分辨率、畫面數(shù)量等,，帶寬需求20-30Mbps左右,，下行鏈路傳輸設(shè)備控制信號(hào)，帶寬要求不大,，但對(duì)時(shí)延敏感度高,，一般要求時(shí)延小于50毫秒，如果是膠輪車等車輛遠(yuǎn)控,，時(shí)延進(jìn)一步下降到20ms,。業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求匯總?cè)缦拢?/span>

綜合分析可知,，礦井中業(yè)務(wù)對(duì)上行帶寬需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下行，因此需要以上行業(yè)務(wù)需求定義網(wǎng)絡(luò)覆蓋的邊緣,。為了滿足對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬要求較高的視頻類業(yè)務(wù),，井下5G小區(qū)邊緣定義為上行速率20Mbps是合適的，即在網(wǎng)絡(luò)邊緣滿足至少1路4K視頻的回傳,。

　　三,、基于業(yè)務(wù)需求的礦井網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

基于業(yè)務(wù)需求，再結(jié)合具體礦井場景,，井下5G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃可以簡單分成兩大類,，即：覆蓋受限場景和容量受限場景。

覆蓋受限的典型場景,，如輔助運(yùn)輸巷,、主運(yùn)巷，這類區(qū)域5G主要完成視頻監(jiān)控,、移動(dòng)設(shè)備數(shù)據(jù)回傳,、通信等業(yè)務(wù)，設(shè)備較少,，業(yè)務(wù)量不大,。這種場景下，在邊緣速率滿足業(yè)務(wù)要求的情況下，站點(diǎn)覆蓋越遠(yuǎn)越好,，站間距可以盡量拉大,，降低網(wǎng)絡(luò)部署成本。

巷道內(nèi),，影響覆蓋距離的主要因素有地形地勢的起伏,、拐彎、設(shè)備的遮擋,，如風(fēng)門等；另外,，受限于基站安裝位置和天面的位置,，連接射頻設(shè)備和天線的饋線長度也會(huì)影響空口發(fā)射功率，饋線越長,，射頻輸出損耗越大,，空口輸出實(shí)際功率越小，覆蓋距離越小,。

容量受限的典型場景是綜采工作面,。設(shè)備多,、需回傳的視頻信號(hào)多,，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)需要優(yōu)先考慮容量需求,。以一個(gè)300米長的綜采工作面為例,，大概需要170個(gè)液壓支架,，如果每3個(gè)支架部署一個(gè)2K或者4K攝像儀,，那么上行總?cè)萘啃枨蠹s500M~1Gbps,。

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量需求,，在井下可以開啟千兆上行方案,，即前文提到的時(shí)隙翻轉(zhuǎn),，讓5G NR的無線資源配置，上行多,，下行少,，滿足上行的大容量需求。運(yùn)營商如果把5G載波全部開啟,，千兆上行方案可以提供1Gbps以上的峰值速率,；如果仍然不能滿足，就要加密站點(diǎn),。但在綜采工作面這種幾百米長的區(qū)域內(nèi)部署多個(gè)站點(diǎn),，就需要更好地解決站間同頻干擾問題，比如采用D-MIMO方案或者錯(cuò)頻組網(wǎng)等,。

　　四,、結(jié)束語

5G井下覆蓋能力是煤礦5G建設(shè)的基礎(chǔ)。煤礦井下地勢復(fù)雜，無線信道建模尚需不斷完善,，井下5G能力覆蓋仍需更多的測試數(shù)據(jù),，以支撐后續(xù)礦井5G網(wǎng)絡(luò)科學(xué)合理和精細(xì)化的規(guī)劃和建設(shè)。網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ),，業(yè)務(wù)是關(guān)鍵,，下一步還需聯(lián)合更多的行業(yè)伙伴催熟基于5G網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)，才能充分發(fā)揮5G的價(jià)值,。經(jīng)過近一年的探索,，5G已經(jīng)成功應(yīng)用于視頻監(jiān)控、移動(dòng)巡檢,、調(diào)度等信息化類業(yè)務(wù),；2021年將繼續(xù)探索設(shè)備遠(yuǎn)控等有助于減人少人的核心業(yè)務(wù)。同時(shí)礦山企業(yè),、礦山設(shè)備企業(yè),、運(yùn)營商和5G設(shè)備廠家還需要加強(qiáng)合作，進(jìn)一步豐富行業(yè)終端,，培養(yǎng)5G應(yīng)用跨界人才,，完善5G行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以形成標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)制模式,。

5G豐富了智能化煤礦建設(shè)的技術(shù)選擇,。5G系統(tǒng)端到端地考慮了行業(yè)的需求：1）切片是5G的原生技術(shù)，可以支持井下多套系統(tǒng)的業(yè)務(wù)隔離,，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多網(wǎng),、多系統(tǒng)的融合；2）5G的低時(shí)延能力,，可以支持設(shè)備遠(yuǎn)控業(yè)務(wù),，把工人從最危險(xiǎn)的工作環(huán)境中替換出來，目前已在港口輪胎吊遠(yuǎn)控,、鋼鐵廠天車遠(yuǎn)控,、金屬礦礦車遠(yuǎn)控等得到充分驗(yàn)證和部署，相信不久也會(huì)應(yīng)用在煤礦井下設(shè)備的遠(yuǎn)控上,；3）5G的大帶寬技術(shù),，千兆上行方案等，可以滿足海量超大上行帶寬的需求,；4）利用運(yùn)營商公網(wǎng)構(gòu)建的行業(yè)專網(wǎng),，可以充分發(fā)揮運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維能力，提供穩(wěn)定可靠的電信級(jí)保障,。

5G是推動(dòng)煤炭工業(yè)與人工智能,、大數(shù)據(jù),、云計(jì)算等先進(jìn)ICT技術(shù)深度融合的助推器，對(duì)于改變傳統(tǒng)的煤炭生產(chǎn)模式和煤炭工業(yè)形象,，提升礦工的幸福感和獲得感,，促進(jìn)能源革命具有著非常重要的意義。相信隨著廣大煤炭企業(yè),、設(shè)備產(chǎn)商,、運(yùn)營商和技術(shù)服務(wù)商等的共同持續(xù)努力，5G必將成為煤礦數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的核心內(nèi)容,，有力促進(jìn)煤炭行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展,。