2020年5GtoB顯著加速，垂直行業(yè)逐漸成為5G的重要用戶，并深入?yún)⑴c到5G網(wǎng)絡(luò)能力的驗(yàn)證工作，以考察5G是否滿足行業(yè)的需求。在測試中，由于業(yè)務(wù)需求不統(tǒng)一、測試場景單一、未考慮設(shè)備廠家能力等因素，造成了行業(yè)用戶對5G網(wǎng)絡(luò)能力的認(rèn)知上的差異。本文針對井工煤礦5G的覆蓋能力、業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃進(jìn)行了定量定性的分析，為5G在煤礦的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供了一定的參考。
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
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，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。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)，開啟上下行時隙翻轉(zhuǎn)功能（時隙配比DL:UL=1:3），井下采用錯頻組網(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，信號快速衰減。在距離天線108米位置，上行速率24Mbps左右波動。
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，信號快速衰減，在390米處，上行速率在20Mbps左右波動。
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，時延不敏感；視頻監(jiān)控類對網(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，時延敏感度中等；人員通信類業(yè)務(wù)，對網(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)，對網(wǎng)絡(luò)要求上行大帶寬，下行低時延，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，帶寬要求不大，但對時延敏感度高，一般要求時延小于50毫秒，如果是膠輪車等車輛遠(yuǎn)控，時延進(jìn)一步下降到20ms。業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)需求匯總?cè)缦拢?/p>
綜合分析可知，礦井中業(yè)務(wù)對上行帶寬需求遠(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、需回傳的視頻信號多，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時需要優(yōu)先考慮容量需求。以一個300米長的綜采工作面為例，大概需要170個液壓支架，如果每3個支架部署一個2K或者4K攝像儀，那么上行總?cè)萘啃枨蠹s500M~1Gbps。
針對網(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，同時實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)、多系統(tǒng)的融合；2）5G的低時延能力，可以支持設(shè)備遠(yuǎn)控業(yè)務(wù)，把工人從最危險的工作環(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)定可靠的電信級保障。
5G是推動煤炭工業(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)型升級和高質(zhì)量發(fā)展。
