煤矿井下5G覆盖数据分析

　　2020年5GtoB显著加速，垂直行业逐渐成为5G的重要用户，并深入参与到5G网络能力的验证工作，以考察5G是否满足行业的需求。在测试中，由于业务需求不统一、测试场景单一、未考虑设备厂家能力等因素，造成了行业用户对5G网络能力的认知上的差异。本文针对井工煤矿5G的覆盖能力、业务需求和网络规划进行了定量定性的分析，为5G在煤矿的网络规划提供了一定的参考。

　　煤矿井下5G覆盖数据分析

　　――巷道内单站可覆盖400-500米；综采面单站覆盖超过180米

　　2020年是5GtoB的元年，也是5G在煤矿应用的元年。2020年6月17号，安标国家中心发布了《煤矿5G通信系统安全技术要求（试行）》和《煤矿5G通信系统安全标志管理方案（试行）》，5G作为新一代无线通信技术深入煤矿井下有了规范可循。截止到2020年底，5G煤矿项目已超过50个。在所有行业应用中，煤矿成为5G专网部署最多的行业。

　　为支撑煤矿井下的网络部署和规划，矿山企业、运营商和设备厂家在不同场景进行了多次5G覆盖能力的测试。从多个煤矿的测试数据看，按照上行速率20Mbps为小区边缘，巷道内单站可覆盖400-500米；综采面单站覆盖超过180米。

　　一、煤矿井下5G覆盖测试数据分析

　　1、新元煤矿井下测试

　　在山西华阳新材料集团新元煤矿的测试中，部署2.6GHz四通道皮站，单通道发射功率21.7dBm(150mW)，开启上下行时隙翻转功能（时隙配比DL:UL= 1:3），井下采用错频组网方案，即相邻基站各开80MHz带宽的载波。

　　在综采面覆盖能力测试过程中，采煤机距离天线90米左右，过了采煤机位置，由于遮挡，信号快速衰减。在距离天线108米位置，上行速率24Mbps左右波动。

　　在辅运巷道的测试过程中，在距离天线330米处地形变化较大，信号快速衰减，在390米处，上行速率在20Mbps左右波动。

　　2、庞庞塔矿井下测试

　　山西焦煤庞庞塔矿，部署3.5GHz频段的四通道的皮站设备，每两通道接一副天线，两个天线背靠背，每通道输出功率250mW，开启100MHz载波。分别在行人斜井和综采工作面进行了覆盖测试。

　　行人斜井测试中，在距离天线200米处，上传速率33.2Mbps；在250米处，上传速率下降到15.5Mbps左右。单站覆盖半径大于200米。

　　在综采工作面，把基站安装在工作面两侧，向综采工作面的中间进行覆盖，基站天线吊挂在液压顶板之下。在距离天线180米处，上行速率约30.1Mbps。

　　3、井下测试分析

　　以上测试中5G输出功率都考虑了天线增益和多通道叠加，总功率不超过6W。从上述两个煤矿测试的数据可以看出，不论是2.6GHz，还是3.5GHz的5G设备，在巷道都可以按照最大400-500米站间距去布置；在综采工作面采用两侧安装5G基站往中间对打的方式，也可以保障贯穿350米的宽度；这两种场景下都能保证20-30Mbps的上行带宽速率。目前进行5G煤矿井下测试数据还非常有限，井工煤矿地形地势复杂，不同的场景5G的覆盖能力还需要实地勘测和验证。

　　二、矿井5G业务需求

　　矿井5G应用为什么要强调上行边缘速率呢？答案是业务需求。

　　无线网络的覆盖，是基于业务需求规划的。那么，5G在矿井下能做哪些业务？根据2020年10月份发布的《5G+煤矿智能化白皮书》，井下业务大概可以分为信息采集类、视频监控类、通信类和远程控制类。信息采集类业务以上行小包业务为主，时延不敏感；视频监控类对网络需求是上行大带宽，以4K摄像头为例带宽需求约15-20Mbps，时延敏感度中等；人员通信类业务，对网络上行和下行要求相同，如果是视频通话，网络需求约4-8Mbps；远程控制类业务，对网络要求上行大带宽，下行低时延，上行链路回传现场的视频或者雷达等传感器数据，依据回传的视频分辨率、画面数量等，带宽需求20-30Mbps左右，下行链路传输设备控制信号，带宽要求不大，但对时延敏感度高，一般要求时延小于50毫秒，如果是胶轮车等车辆远控，时延进一步下降到20ms。业务对网络需求汇总如下：

　　综合分析可知，矿井中业务对上行带宽需求远远大于下行，因此需要以上行业务需求定义网络覆盖的边缘。为了满足对网络带宽要求较高的视频类业务，井下5G小区边缘定义为上行速率20Mbps是合适的，即在网络边缘满足至少1路4K视频的回传。

　　三、基于业务需求的矿井网络规划

　　基于业务需求，再结合具体矿井场景，井下5G网络的规划可以简单分成两大类，即：覆盖受限场景和容量受限场景。

　　覆盖受限的典型场景，如辅助运输巷、主运巷，这类区域5G主要完成视频监控、移动设备数据回传、通信等业务，设备较少，业务量不大。这种场景下，在边缘速率满足业务要求的情况下，站点覆盖越远越好，站间距可以尽量拉大，降低网络部署成本。

　　巷道内，影响覆盖距离的主要因素有地形地势的起伏、拐弯、设备的遮挡，如风门等；另外，受限于基站安装位置和天面的位置，连接射频设备和天线的馈线长度也会影响空口发射功率，馈线越长，射频输出损耗越大，空口输出实际功率越小，覆盖距离越小。

　　容量受限的典型场景是综采工作面。设备多、需回传的视频信号多，网络规划时需要优先考虑容量需求。以一个300米长的综采工作面为例，大概需要170个液压支架，如果每3个支架部署一个2K或者4K摄像仪，那么上行总容量需求约500M~1Gbps。

　　针对网络容量需求，在井下可以开启千兆上行方案，即前文提到的时隙翻转，让5G NR的无线资源配置，上行多，下行少，满足上行的大容量需求。运营商如果把5G载波全部开启，千兆上行方案可以提供1Gbps以上的峰值速率；如果仍然不能满足，就要加密站点。但在综采工作面这种几百米长的区域内部署多个站点，就需要更好地解决站间同频干扰问题，比如采用D-MIMO方案或者错频组网等。

　　四、结束语

　　5G井下覆盖能力是煤矿5G建设的基础。煤矿井下地势复杂，无线信道建模尚需不断完善，井下5G能力覆盖仍需更多的测试数据，以支撑后续矿井5G网络科学合理和精细化的规划和建设。网络是基础，业务是关键，下一步还需联合更多的行业伙伴催熟基于5G网络的业务，才能充分发挥5G的价值。经过近一年的探索，5G已经成功应用于视频监控、移动巡检、调度等信息化类业务；2021年将继续探索设备远控等有助于减人少人的核心业务。同时矿山企业、矿山设备企业、运营商和5G设备厂家还需要加强合作，进一步丰富行业终端，培养5G应用跨界人才，完善5G行业标准，以形成标准化复制模式。

　　5G丰富了智能化煤矿建设的技术选择。5G系统端到端地考虑了行业的需求：1）切片是5G的原生技术，可以支持井下多套系统的业务隔离，同时实现多网、多系统的融合；2）5G的低时延能力，可以支持设备远控业务，把工人从最危险的工作环境中替换出来，目前已在港口轮胎吊远控、钢铁厂天车远控、金属矿矿车远控等得到充分验证和部署，相信不久也会应用在煤矿井下设备的远控上；3）5G的大带宽技术，千兆上行方案等，可以满足海量超大上行带宽的需求；4）利用运营商公网构建的行业专网，可以充分发挥运营商网络的运维能力，提供稳定可靠的电信级保障。

　　5G是推动煤炭工业与人工智能、大数据、云计算等先进ICT技术深度融合的助推器，对于改变传统的煤炭生产模式和煤炭工业形象，提升矿工的幸福感和获得感，促进能源革命具有着非常重要的意义。相信随着广大煤炭企业、设备产商、运营商和技术服务商等的共同持续努力，5G必将成为煤矿数字基础设施建设的核心内容，有力促进煤炭行业的转型升级和高质量发展。

　　通信路上，一起走！