煤矿井下5G覆盖数据分析

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2020年5GtoB显著加速，垂直行业逐渐成为5G嘅重要用户，并深入参同到5G网络能力嘅验证工作，以考察5G系咪满足行业嘅需求。喺测试度，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‌行业用户对5G网络能力嘅认知上嘅差异。本文针对井工煤矿5G嘅覆盖能力、业务需求和网络规划进行‌定量定性嘅分析，为5G喺煤矿嘅网络规划提供‌一定嘅参考。

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嘅元年，都系5G喺煤矿应用嘅元年。2020年6月17号，安标国家中心发布‌《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‌规范可循。截止到2020年底，5G煤矿项目已超过50个。喺所有行业应用度，煤矿成为5G专网部署最多嘅行业。

为支撑煤矿井下嘅网络部署和规划，矿山企业、运营商和设备厂家喺不同场景进行‌几次5G覆盖能力嘅测试。从多个煤矿嘅测试数据睇，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

喺山西华阳新材料集团新元煤矿嘅测试度，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带宽嘅载波。

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

喺辅运巷道嘅测试过程度，喺距离天线330米处地形变化较大，信号快速衰减，喺390米处，上行速率喺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频段嘅四通道嘅皮站设备，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。分别喺行人斜井和综采工作面进行‌覆盖测试。

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

喺综采工作面，将基站安装喺工作面两侧，向综采工作面嘅中间进行覆盖，基站天线吊挂喺液压顶板之下。喺距离天线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‌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嘅数据可以睇出，不论是2.6GHz，仲要是3.5GHz嘅5G设备，喺巷道都可以按照最大400-500米站间距去布置；喺综采工作面采用两侧安装5G基站往中间对打嘅方式，也可以保障贯穿350米嘅宽度；这两种场景下都可以保证20-30Mbps嘅上行带宽速率。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，不同嘅场景5G嘅覆盖能力仲系要要实地勘测和验证。

二、矿井5G业务需求

矿井5G应用点解要强调上行边缘速率呢？答案是业务需求。

无线网络嘅覆盖，是基于业务需求规划嘅。那么，5G喺矿井下能做边啲业务？根据2020年10月份发布嘅《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，上行链路回传现场嘅视频或者雷达等传感器数据，依据回传嘅视频分辨率、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，带宽要求唔多，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嘅边缘。为‌满足对网络带宽要求较高嘅视频类业务，井下5G小区边缘定义为上行速率20Mbps是合适嘅，即喺网络边缘满足至少1路4K视频嘅回传。

三、基于业务需求嘅矿井网络规划

基于业务需求，再结合具体矿井场景，井下5G网络嘅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。

覆盖受限嘅典型场景，如辅助运输巷、主运巷，呢类区域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，业务量唔多。呢种场景下，喺边缘速率满足业务要求嘅情况下，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，影响覆盖距离嘅主要因素有地形地势嘅起伏、拐弯、设备嘅遮挡，如风门等；另外，受限于基站安装位置和天面嘅位置，连接射频设备和天线嘅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。

容量受限嘅典型场景是综采工作面。设备多、需回传嘅视频信号多，网络规划时需要优先考虑容量需求。以一个300米长嘅综采工作面为例，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，噉样上行总容量需求约500M~1Gbps。

针对网络容量需求，喺井下可以开启千兆上行方案，即前文提到嘅时隙翻转，让5G NR嘅无线资源配置，上行多，下行少，满足上行嘅大容量需求。运营商如果将5G载波全部开启，千兆上行方案可以提供1Gbps以上嘅峰值速率；如果仍然唔可以满足，就要加密站点。但喺综采工作面呢种几百米长嘅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建设嘅基础。煤矿井下地势复杂，无线信道建模尚需不断完善，井下5G能力覆盖仍需更多嘅测试数据，以支撑后续矿井5G网络科学合理和精细化嘅规划和建设。网络是基础，业务是关键，下一步仲系要联合更多嘅行业伙伴催熟基于5G网络嘅业务，先能充分发挥5G嘅价值。经过近一年嘅探索，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嘅核心业务。同时矿山企业、矿山设备企业、运营商和5G设备厂家仲系要要加强合作，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‌智能化煤矿建设嘅技术选择。5G系统端到端地考虑‌行业嘅需求：1）切片是5G嘅原生技术，可以支持井下多套系统嘅业务隔离，同时实现多网、多系统嘅融合；2）5G嘅低时延能力，可以支持设备远控业务，将工人从最危险嘅工作环境中替换出来，目前已喺港口轮胎吊远控、钢铁厂天车远控、金属矿矿车远控等得到充分验证和部署，相信不耐也会应用喺煤矿井下设备嘅远控上；3）5G嘅大带宽技术，千兆上行方案等，可以满足海量超大上行带宽嘅需求；4）利用运营商公网构建嘅行业专网，可以充分发挥运营商网络嘅运维能力，提供稳定可靠嘅电信级保障。

5G是推动煤炭工业同人工智能、大数据、云计算等先进ICT技术深度融合嘅助推器，对于改变传统嘅煤炭生产模式和煤炭工业形象，提升矿工嘅幸福感和获得感，促进能源革命具有住非常重要嘅意义。相信随住广大煤炭企业、设备产商、运营商和技术服务商等嘅共同持续努力，5G必将成为煤矿数字基础设施建设嘅核心内容，有力促进煤炭行业嘅转型升级和高质量发展。