礦用5G頻段選擇及天線優(yōu)化設(shè)置研究

孫繼平， 張高敏

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

礦井無線通信和礦用5G移動通信技術(shù)是煤礦智能化關(guān)鍵技術(shù)之一[1-6]。煤礦井下電氣防爆、礦井無線傳輸損耗(含天線插入損耗，下同)大、電磁干擾嚴(yán)重、巷道空間有限等，制約著地面無線通信和5G移動通信技術(shù)及系統(tǒng)直接在煤礦井下應(yīng)用[7-9]。因此，有必要針對煤礦井下特殊環(huán)境和特殊要求，研究礦井無線通信和礦用5G移動通信技術(shù)，以提高煤礦井下無線傳輸距離、繞射能力及無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少基站用量、系統(tǒng)成本和維護(hù)工作量。這對促進(jìn)煤礦智能化和礦井無線通信技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

1 礦井無線傳輸特點(diǎn)

礦井無線傳輸距離受無線發(fā)射功率、接收靈敏度、天線增益、礦井無線傳輸損耗等影響。無線發(fā)射功率越大、接收靈敏度越高、天線增益越大、礦井無線傳輸損耗越小，則礦井無線傳輸距離越遠(yuǎn)。

煤礦井下無線發(fā)射功率受本質(zhì)安全防爆限制[10]。煤礦井下機(jī)電設(shè)備功率大、啟停頻繁、設(shè)備相對集中，變頻設(shè)備功率大等造成煤礦井下電磁干擾嚴(yán)重，限制了煤礦井下無線設(shè)備接收靈敏度的提高。無線基站天線增益受本質(zhì)安全防爆、天線尺寸和巷道空間限制。因此，在無線發(fā)射功率、接收靈敏度、天線增益受限的條件下，降低礦井無線傳輸損耗是提高礦井無線傳輸距離的有效方法。

礦井無線傳輸損耗受無線傳輸頻段、天線位置，巷道斷面、分支、彎曲、傾斜、支護(hù)和表面粗糙度，巷道中電纜、水管和鐵軌等縱向?qū)w及工字鋼等橫向?qū)w，巷道中膠輪車、電機(jī)車、帶式輸送機(jī)和機(jī)電設(shè)備等影響[11-14]。巷道斷面越大、巷道表面粗糙度越小，則礦井無線傳輸損耗越小。巷道分支、彎曲和傾斜增加了礦井無線傳輸損耗。巷道中電纜、水管和鐵軌等縱向?qū)w降低了礦井無線傳輸損耗。工字鋼等橫向?qū)w增加了礦井無線傳輸損耗。巷道中膠輪車、電機(jī)車、帶式輸送機(jī)和機(jī)電設(shè)備等增加了礦井無線傳輸損耗。綜采工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等嚴(yán)重影響工作面無線傳輸距離和工作穩(wěn)定性。

巷道斷面、分支、彎曲、傾斜、支護(hù)和表面粗糙度，巷道中電纜、水管和鐵軌等縱向?qū)w及工字鋼等橫向?qū)w，在巷道建成后基本不變。巷道中膠輪車、電機(jī)車、帶式輸送機(jī)、機(jī)電設(shè)備等，以及綜采工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等由生產(chǎn)決定。因此，優(yōu)選礦井無線工作頻段，優(yōu)化天線設(shè)置位置，是降低礦井無線傳輸損耗、提高礦井無線傳輸距離的必然選擇。

2 礦用5G工作頻段選擇

中國移動5G工作頻段為2 515～2 675，4 800～4 900 MHz，中國聯(lián)通為3 500～3 600 MHz，中國電信為3 400～3 500 MHz[15]。中國廣電向3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃)提交了在NR頻段n28中添加更寬信道帶寬的技術(shù)提案(編號為TR38.888)，該提案在3GPP第87次接入網(wǎng)全會(3GPPRAN#87-e)中被無線接入網(wǎng)技術(shù)規(guī)范組核準(zhǔn)，版本號為16.00[16]。2020年3月25日發(fā)布的《工業(yè)和信息化部關(guān)于調(diào)整700 MHz頻段頻率使用規(guī)劃的通知》指出，將原用于廣播電視業(yè)務(wù)的702～798 MHz頻譜資源重新規(guī)劃用于移動通信系統(tǒng)[17]。

在煤礦井下，700 MHz頻段與2.6，3.5，4.9 GHz頻段相比，具有信號傳輸損耗低、無線傳輸距離遠(yuǎn)、繞射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，礦用5G工作頻段應(yīng)優(yōu)選700 MHz，以提高礦井無線傳輸距離和繞射能力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，減少基站用量、組網(wǎng)成本和維護(hù)工作量。

3 煤礦井下現(xiàn)場測試及天線設(shè)置位置優(yōu)化

3.1 測試現(xiàn)場和設(shè)備

筆者所在項(xiàng)目組先后于2019年4月、9月、12月在某煤礦4-1煤輔助運(yùn)輸巷進(jìn)行了740 MHz頻段無線傳輸測試。巷道斷面采用半圓拱形結(jié)構(gòu)，如圖1所示。巷道高度為4 m，寬度為5 m，斷面面積為16.3 m2。噴射混凝土厚度為120 mm，鋪底厚度為300 mm。巷道頂部吊掛照明電纜，每50 m在頂部固定1個防爆燈。左側(cè)巷幫固定動力電纜，右側(cè)巷幫中部固定灑水管和通風(fēng)管，靠右側(cè)巷幫的底板上有排水管道。

圖1 拱形巷道測試現(xiàn)場Fig.1 Test field in arched tunnel

為便于描述，將拱形巷道的橫向、垂向和軸向分別定義為x，y，z軸，以無供水管和通風(fēng)管道的巷幫一側(cè)、底板和一根天線的水平位置交叉點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，如圖2所示。示例位置Tx(1)和Rx(1)表示發(fā)射和接收天線在同側(cè)巷幫；示例位置Tx(2)和Rx(2)與Tx(1)和Rx(1)相比，表示發(fā)射和接收天線在同側(cè)巷幫，但高度(天線頂點(diǎn)到底板的距離)不同；示例位置Tx(3)和Rx(3)與Tx(1)和Rx(1)相比，表示發(fā)射和接收天線在同一高度，位置沿巷道橫向水平方向變化。

圖2 巷道坐標(biāo)系Fig.2 Tunnel coordinate

測試采用全向偶極子垂直極化天線，天線增益均為2 dBi；設(shè)備發(fā)射功率為30 dB·m，接收靈敏度為-94 dB·m；無線工作頻段為720～760 MHz。

3.2 測試方法及準(zhǔn)備

在無線發(fā)射功率、接收靈敏度、天線增益、無線工作頻段不變，發(fā)射和接收天線位于同側(cè)巷幫的條件下，研究天線在巷道中不同位置對無線傳輸損耗和傳輸距離的影響：① 天線沿巷道橫向移動到另一側(cè)巷幫，研究天線在巷道橫向不同水平位置對無線傳輸損耗和傳輸距離的影響。② 天線沿巷道垂向變化，研究天線不同高度對無線傳輸損耗和傳輸距離的影響。

在整個測試過程中，天線均沿豎直方向設(shè)置，發(fā)射和接收天線位于同側(cè)巷幫。天線每移動到一個新的測試位置，均需信號穩(wěn)定后開始測試，并按1 Hz頻率測量20次，取平均值。當(dāng)發(fā)射和接收天線之間存在行人或車輛時，暫停測量。研究天線位置沿橫向水平方向變化時，天線高度為1.7 m。研究天線高度變化時，高度分別為0.8，1.1，1.4，1.7，2.0，2.3 m，沿巷道中心向頂板和底板靠近。在煤礦井下測試時，制定有安全措施，瓦檢員一直在測試區(qū)域監(jiān)測瓦斯?jié)舛取?/p>

正式測試前進(jìn)行了初步測試，結(jié)果表明：天線緊貼巷幫或距巷幫較近時，接收信號強(qiáng)度隨天線距巷幫距離變化較大；隨著天線遠(yuǎn)離巷幫，接收信號強(qiáng)度隨天線距巷幫距離變化較小。因此，正式測試時，靠近巷幫的采樣點(diǎn)密度高，遠(yuǎn)離巷幫的采樣點(diǎn)密度低。天線在x軸方向上的采樣點(diǎn)分別為0，0.01，0.04，0.10，0.30，0.60，1.25，2.50，3.75，4.40，4.70，4.90，4.96，4.99，5.00 m，沿z軸在1，2，4，8，16，30，50，80，120 m處提前做好標(biāo)記，在這些位置進(jìn)行測試。

3.3 天線最佳橫向水平位置研究

天線在巷道中心(x=2.5 m，y=1.7 m)、接收信號功率為-90 dB·m時，測得發(fā)射和接收天線的最遠(yuǎn)傳輸距離為530 m。隨著天線距巷幫距離變小，最遠(yuǎn)傳輸距離逐漸減小。當(dāng)天線緊貼巷幫時，最遠(yuǎn)傳輸距離下降為110～120 m。

在測試天線高度(y軸方向)均為1.7 m時，天線不同橫向水平位置(x軸方向)和傳輸距離(z軸方向)的接收信號功率見表1，接收信號功率隨傳輸距離及天線橫向水平位置的變化如圖3所示。

分析表1和圖3可看出：在傳輸距離不變的條件下，天線在巷道中心時無線傳輸損耗最??；天線越靠近巷幫，無線傳輸損耗越大；天線從巷幫一側(cè)沿橫向水平方向向另一側(cè)移動時，無線傳輸損耗具有“大-小-大”的特點(diǎn)。為優(yōu)化天線橫向水平設(shè)置位置，提出了傳輸損耗/位置變化率分析方法。為消除發(fā)射功率、天線增益、接收靈敏度等對傳輸損耗/位置變化率的影響，取x軸方向測試點(diǎn)i(i=1,2，…)，i+1的接收信號功率P(i)，P(i+1)差值的絕對值|P(i+1)-P(i)|作分子，兩測試點(diǎn)橫向水平位置x(i)，x(i+1)差值的絕對值|x(i+1)-x(i)|作分母，則傳輸損耗/位置變化率為

(1)

測試點(diǎn)i和測試點(diǎn)i+1之間距離為j時傳輸損耗/位置變化率為

表1 天線不同橫向水平位置和傳輸距離的接收信號功率Table 1 Received signal power of antennas at different horizontal positions and transmission distances

圖3 接收信號功率隨傳輸距離及天線橫向水平位置的變化Fig.3 Variety of received signal power with transmission distances and horizontal positions of antenna

(2)

式中：Pj(i)，Pj(i+1)為兩測試點(diǎn)之間距離為j時的接收信號功率；xj(i)，xj(i+1)為兩測試點(diǎn)之間距離為j時的橫向水平位置。

綜合考慮不同傳輸距離的傳輸損耗/位置變化率，對N個傳輸距離的傳輸損耗/位置變化率取平均值，得到平均傳輸損耗/位置變化率：

(3)

表2 天線不同橫向水平位置和傳輸距離的Rj(i,i+1)和Table 2 Rj(i,i+1) and at different horizontal positions and transmission distances of antenna

圖隨天線橫向水平位置變化Fig.4 Variety of with horizontal positions of antenna

3.4 天線最佳高度研究

發(fā)射和接收天線傳輸距離為1～120 m時，天線不同高度和橫向水平位置的接收信號功率見表3。可看出天線最佳高度與其橫向水平位置有關(guān)：在巷道水平中心點(diǎn)附近，天線最佳高度為1.7 m，約為巷道高度的43%，離開該點(diǎn)，無論天線靠近底板還是頂板，接收信號功率均減??；當(dāng)天線靠近兩側(cè)巷幫時，天線最佳高度降低，距巷幫0.01 m時天線最佳高度為1.4 m，為巷道高度的35%。測試結(jié)果表明，天線從巷道中心移動到距巷幫0.01 m時，天線最佳高度由巷道高度的43%下降到35%，天線最佳高度約為巷道高度的40%。

3.5 天線設(shè)置位置優(yōu)化

無線基站天線設(shè)置應(yīng)不影響行人和行車、便于安裝維護(hù)，且在無線發(fā)射功率、接收靈敏度和天線增益受限的條件下，使無線傳輸損耗小、傳輸距離遠(yuǎn)。

(1) 無線基站天線應(yīng)靠近巷幫設(shè)置，距巷幫應(yīng)不小于0.01 m?，F(xiàn)場測試和分析研究表明，在無線發(fā)射功率、接收靈敏度、天線增益、無線工作頻段等一定的條件下，無線基站天線位于巷道中心時，無線傳輸損耗最小，無線傳輸距離最遠(yuǎn)。但無線基站天線設(shè)置在巷道中心會影響行人和行車。無線基站天線緊靠巷幫雖不影響行人和行車，但無線傳輸損耗大，無線傳輸距離近。無線基站天線緊靠頂板雖不影響行人和行車，但不便于安裝和維護(hù)，無線傳輸損耗大，無線傳輸距離近。為不影響行人和行車、便于安裝維護(hù)，無線基站天線應(yīng)靠近巷幫設(shè)置?，F(xiàn)場測試和分析研究表明，無線基站天線距巷幫小于0.01 m時，無線傳輸損耗較大。因此，無線基站天線應(yīng)靠近巷幫設(shè)置，距巷幫應(yīng)不小于0.01 m。

(2) 無線基站天線垂向宜位于巷道高度約2/5處?，F(xiàn)場測試和分析研究表明，在無線發(fā)射功率、接收靈敏度、天線增益、無線工作頻段、天線水平位置等一定的條件下，無線基站天線垂向位于拱形巷道高度約2/5處時，無線傳輸損耗較小，無線傳輸距離較遠(yuǎn)。因此，無線基站天線應(yīng)靠近巷幫設(shè)置，距巷幫不小于0.01 m，垂向位于巷道高度約2/5處。這樣既不影響行人和行車、便于安裝維護(hù)，也可以滿足無線傳輸損耗較小、無線傳輸距離較遠(yuǎn)的要求。

(3) 礦用手機(jī)、人員定位卡、便攜式無線甲烷檢測報警儀、多功能無線礦燈、便攜式無線攝像機(jī)、便攜式無線儀器設(shè)備、可穿戴無線設(shè)備、車輛定位卡、車載無線設(shè)備、無線攝像機(jī)、無線傳感器、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等無線終端，在不影響使用的條件下應(yīng)盡量靠近巷道中心，以提高無線傳輸距離。

4 結(jié)論

(1) 煤礦井下無線發(fā)射功率受本質(zhì)安全防爆限制，接收靈敏度受電磁噪聲限制，天線增益受本質(zhì)安全防爆和巷道空間限制。

(2) 應(yīng)通過優(yōu)選無線工作頻段和優(yōu)化天線設(shè)置位置，減小礦井無線傳輸損耗，提高礦井無線傳輸距離和繞射能力，提高無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少基站用量、組網(wǎng)成本和維護(hù)工作量。

(3) 礦用5G工作頻段應(yīng)優(yōu)選700 MHz。煤礦井下700 MHz頻段與現(xiàn)有5G其他工作頻段2.6，3.5，4.9 GHz相比，具有無線傳輸損耗小、無線傳輸距離遠(yuǎn)、繞射能力強(qiáng)、基站用量少、組網(wǎng)成本低、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)。

(4) 提出的傳輸損耗/位置變化率分析方法便于分析巷道橫向不同區(qū)域位置變化引起的無線傳輸損耗變化情況。

(5) 無線基站天線應(yīng)靠近巷幫設(shè)置，距巷幫不小于0.01 m，垂向宜位于巷道高度約2/5處。這樣既不影響行人和行車、便于安裝維護(hù)，也可以滿足無線傳輸損耗較小、無線傳輸距離較遠(yuǎn)的要求。

(6) 礦用手機(jī)、人員定位卡、便攜式無線甲烷檢測報警儀、多功能無線礦燈、便攜式無線攝像機(jī)、便攜式無線儀器設(shè)備、可穿戴無線設(shè)備、車輛定位卡、車載無線設(shè)備、無線攝像機(jī)、無線傳感器、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等無線終端，在不影響使用的條件下應(yīng)盡量靠近巷道中心，以提高無線傳輸距離。