一、研究背景

礦井無線通信系統可分為全礦井無線通信系統和局部無線通信系統（裝置）兩大類：全礦井無線通信系統傳輸帶寬大、覆蓋范圍廣，一般布置在井下巷道、硐室和采掘工作面等作業點，滿足礦井語音、圖像和部分數據的接入需求，如 4G，WiFi（IEEE 802.11b/g/n/ac），5G，WiFi6（IEEE 802.11ax）等系統；局部無線通信系統（裝置）主要解決礦井局部區域傳感數據采集上傳和局部語音通信的需求，如漏泄通信、中頻感應通信、ZigBee 和 UWB 等系統（裝置），少數也有 WiFi 用于礦井局部通信的情況。本文主要討論全礦井無線通信系統。

二、礦井無線通信系統現狀

從全國規模以上礦井來看，小靈通、2G和3G（CDMA2000、TD-SCDMA、WCDMA）通信系統已逐步被取代和淘汰，4G無線通信系統、WiFi無線通信系統使用較為普遍，而近兩年新投入的5G和WiFi6無線通信系統目前還處于起步階段。

1、4G無線通信系統

礦用4G無線通信系統主要功能：① 音視頻通信。提供語音、視頻、短信等業務通信功能。② 多媒體集群調度。支持語音、視頻、短信、數據等集群調度業務及實時視頻、數據回傳分發功能，具有組呼、群呼、強插、強拆、會議、錄音和監聽等功能。③ 視頻監控。通過井下攝像儀及手機終端攝像并回傳，實現即時視頻監控。④ 數據傳輸。監測監控系統、人員定位系統及各種傳感器數據的無線傳輸等。

礦用4G無線通信系統主要優點：① 組網靈活。4G采用全IP的分布式結構，融合性好，可與WiFi等不同無線技術在同一架構下實現融合、共存，并可方便地與采用軟交換技術或IP-PBX交換機的有線網絡調度通信系統融合，形成井上下有線無線一體化的綜合調度通信系統。② 覆蓋范圍廣。礦區地面基站覆蓋半徑不小于5 km，井下覆蓋范圍800 m，并能適應不同規模組網，大大減少基站數量。③ 技術和產品成熟。4G系統穩定性和對環境的適應性不斷提高，終端設備相對豐富。

礦用4G無線通信系統主要缺點是帶寬和實時性指標方面無法達到高清智能視頻和遠程控制等應用場景的需求。

2、5G無線通信系統

5G在煤礦的可應用場景：① 超可靠、低時延通信。無人駕駛運輸、設備遠程操控、移動設備實時監控、煤礦機器人控制等。② 增強型移動寬帶。井下視頻監控、語音通信、廣播調度、智能終端、虛擬礦山構建、混合現實采礦等。③ 低成本、低能耗、廣連接。井下電子圍欄、車輛運輸管理、智能穿戴設備、安全系統監控、作業安全監控、人員精確定位等。

礦用5G無線通信系統的推廣和使用目前仍處于起步階段，終端方面5G手機、礦用CPE等已取得相關煤安認證，具備了井下應用條件，涉及R16 NB-IoT的礦用產品暫未完成煤安認證。

5G具有傳輸速率高、時延小、并發能力強、可靠性高等優點，但實際使用中存在以下問題：① 多系統、多天線情況下，無線發射信號的安全問題。根據GB 3836.1—2010《爆炸性環境 第１部分：設備 通用要求》，煤礦瓦斯氣體環境中射頻天線的發射功率不得超過６W，導致無線覆蓋范圍小、設備投資高、安裝維護工作量大等問題，不利于推廣。② 5G基站以隔爆兼本安型為主，質量大、體積大，使用不便且使用場合受限。③ 5G終端生態匱乏，通信模組價格高、功耗大，不具備規模行業應用條件。④ 實際應用案例少，應用場景有待進一步挖掘。

3、WiFi/WiFi6無線通信系統

目前WiFi/WiFi6無線通信系統主要用于以下方面：① 語音通話、語音調度。包括雙向通話、組呼、群呼、強插、強拆、會議、錄音和監聽等。② 人員定位。利用場強大小和指紋特征等信息，判短手機持有人員所在大致位置。③ 視頻傳輸。WiFi的特點之一是大帶寬，可實現相對低成本但時延要求不高的視頻傳輸。

WiFi6無線通信系統具有結構簡單、成本低、傳輸速率高等優點，但時延偏高、移動性和可靠性相對較低，加上手機終端相對不夠成熟，影響了語音通話質量。

三、智能礦井對無線通信系統的需求

智能礦井對無線通信系統的需求主要體現在以下方面：① 大帶寬需求。滿足移動視頻監控、虛擬礦山構建、多媒體調度等大數據傳輸需求。② 低時延、高可靠需求。保證語音、高清視頻的傳輸質量和遠程控制功能的及時性和可靠性。③ 多接入需求。滿足大量機電設備運行參數和環境參數等傳感器數據的接入。④ 多系統多接口需求。滿足環境監測監控系統、視頻監視系統、IP廣播系統、信息發布系統及各種傳感器對接口的不同要求。⑤ 位置信息需求。人機作業安全、智能協同作業、無人化運輸、井下機器人等應用都離不開對位置信息的需求。

四、礦井無線通信系統展望

1、系統融合

① 無線通信和有線通信融合。業務上實現數據、語音、視頻等媒體的多制式融合通信。② 無線通信內部融合。③ 無線通信系統和其他系統的融合。除滿足雙向語音通信需求外，實現移動數據上傳和指令有效下達。

2、通信定位一體化

① 通信系統和定位系統一體化設計，基站中既有通信的模組，也包含定位的模組，射頻部分和天線部分視使用頻段具體設計，可以是共用的，也可以是獨立的。② 直接利用通信系統實現定位功能，使用新的編碼方式、大規模天線陣列、毫米波頻譜等，為高精度距離和角度測量提供支持，可望實現米級的位置監測。

3、設備本質安全

通信設備尤其是礦用通信設備最基本的要求就是不能斷電，特別是在有災害發生的情況下。因此，無線通信設備的本安化設計顯得尤為必要。

4、終端模組低功耗

終端尤其是傳感設備采用電池供電方式，要求一次更換周期6個月以上，這就要求終端模組必須是低功耗的。

5、協議接口規范化

無線通信和定位相關技術規范與標準的制定、頒布迫在眉睫，如涉及通信和定位的物理接口、空中協議、傳輸規范、數據交互等。

引用格式

霍振龍.礦井無線通信系統現狀與發展趨勢[J/OL].工礦自動化:1-6.

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x. 17492.

HUO Zhenlong.Current situation and development trend of mine wireless communication system[J/OL].Journal of Mine Automation:1-6. DOI:10.13272/j.issn.1671-251x. 17492.

作者介紹

霍振龍（1965—），男，江蘇常熟人，研究員，國務院特殊津貼獲得者，中煤科工集團常州研究院有限公司首席專家，長期從事礦井通信和人員定位系統的開發工作，主持和參與科技部相關項目10余項，獲省部級科學技術特等獎1項，省部級科學技術一等獎5項，獲授權發明專利8項，現為《工礦自動化》編委、中國煤炭學會第五屆煤礦自動化專業委員會委員。E-mail:hzl@cari.com.cn。

來源：工礦自動化