5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在礦井通信中的應(yīng)用研究

錢海軍

摘要：本文針對(duì)以往的礦井通信技術(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的通信技術(shù)信道容量較小，極易受到影響，并且人員定位工作不夠精確，進(jìn)而基于此，構(gòu)建出了一項(xiàng)全新的將5G通信技術(shù)作為基礎(chǔ)的礦井通信技術(shù)，該技術(shù)之中所包含的設(shè)備如下：基帶處理單元、有源天線單元、移動(dòng)終端、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、光纜組件以及光纖連接器。接觸5G通信技術(shù)，能夠使得礦井內(nèi)部的無(wú)線通信延遲大幅度降低，人員定位工作精確性大幅增長(zhǎng)，并且關(guān)于故障位置的排查視頻也能夠得到及時(shí)反饋。

關(guān)鍵詞：人員定位 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 應(yīng)用情況 礦井通信

近幾年我國(guó)通信技術(shù)的飛速進(jìn)步，帶動(dòng)著第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，也就是5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展以及落實(shí)。第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了28千兆赫（GHz）波段下達(dá)到1Gbps，相比于此，現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的4G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的傳輸速度只有75mbps，甚至還沒(méi)有達(dá)到5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)傳輸速度的一成。5G基站的建設(shè)將天線大規(guī)模輸入輸出、新型編碼LDPC/Polar等諸多高新技術(shù)作為基礎(chǔ)，具備帶寬大、延遲低、穩(wěn)定性強(qiáng)以及設(shè)備接入自由等諸多優(yōu)勢(shì)，從而能夠在極大程度上滿足礦井下通信信號(hào)傳輸工作的諸多要求。

一、研究背景

近幾年礦山生產(chǎn)工作的安全性得到了國(guó)家的高度重視，有關(guān)礦山企業(yè)為了增強(qiáng)自身生產(chǎn)效率以及市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力和生存能力，就需要加強(qiáng)礦山通信工作中的安全性、實(shí)用性、可靠性以及便捷性等諸多方面的應(yīng)用性能水平。在礦井中的無(wú)線以及有線調(diào)度工作人員定位以及視頻傳輸工作之中，使用先進(jìn)的通信技術(shù)，能夠使得通信設(shè)備一體化得到有效落實(shí)，傳輸速度的低延遲以及業(yè)務(wù)種類的多樣，是礦山企業(yè)信息系統(tǒng)現(xiàn)代化改革的主要內(nèi)容。將5G基站建設(shè)在礦井的巷道之中，能夠使礦井下5G通信得以實(shí)現(xiàn)。如此一來(lái)，如果在日常生產(chǎn)工作時(shí)出現(xiàn)意外突發(fā)事故，就能夠使得有關(guān)人員之間實(shí)現(xiàn)有效的溝通以及交流，從而能夠?qū)τ诘V工位置進(jìn)行精確定位，最終不但有效防止了由于通信質(zhì)量較低而引起的人員傷亡，同時(shí)還使得有關(guān)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全以及企業(yè)的良好形象得到了保證。

二、現(xiàn)階段礦井通信技術(shù)

由于礦井下環(huán)境復(fù)雜，且工作人員數(shù)量基數(shù)過(guò)大，因此，如果出現(xiàn)安全事故，地上指揮部門就無(wú)法及時(shí)對(duì)有關(guān)礦工的位置進(jìn)行精確定位，從而就在極大程度上增大了營(yíng)救難度。小靈通、3G無(wú)線通信、WiFi和ZigBee通信是近幾年礦山無(wú)線通信技術(shù)的主要發(fā)展過(guò)程。

個(gè)別通信技術(shù)特點(diǎn)如下表1。

小靈通和3G通信技術(shù)受到自身通信質(zhì)量以及人員定位工作質(zhì)量的不足，近幾年已經(jīng)被淘汰。

WiFi無(wú)線通信系統(tǒng)借助2.4G射頻頻段，將IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ)，搭建54M高數(shù)據(jù)傳輸帶寬。SIP調(diào)度交換系統(tǒng)（IP調(diào)度交換機(jī)、通信服務(wù)器） 、礦用環(huán)網(wǎng)接入器、觸摸屏調(diào)度臺(tái)、礦用本安型通信接口、地面環(huán)網(wǎng)接入器、礦用本安型無(wú)線基站、礦用本安型WiFi手機(jī)及其它配套設(shè)施共同構(gòu)成礦用WiFi無(wú)線通信系統(tǒng)。一個(gè)基站能夠支持16個(gè)用戶的共同應(yīng)用，并且在一些中小礦井之中，相比于于3G無(wú)線通信技術(shù)，基于WiFi技術(shù)的無(wú)線通信系統(tǒng)應(yīng)用性價(jià)比更高。

ZigBee屬于一項(xiàng)將IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)低功耗局域網(wǎng)協(xié)議作為基礎(chǔ)的具有距離短且能耗低等特點(diǎn)的無(wú)線通信技術(shù)。地面中心站、傳輸平臺(tái)、系統(tǒng)軟件、無(wú)線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)站、無(wú)線編碼發(fā)射器及電源、無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器、傳輸光纜電纜等共同構(gòu)成ZigBee人員定位管理系統(tǒng)。

三、礦井通信5G技術(shù)的應(yīng)用

3.1 礦用5G設(shè)備的組成

5G網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、有源天線單元、5G基帶處理單元、防爆移動(dòng)終端等共同組成礦用5G通信設(shè)備。

多數(shù)情況下，5G網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)安置在地面的核心機(jī)房之中，并和運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)接。交換機(jī)借助全萬(wàn)兆以太交換機(jī)，應(yīng)用完善的IPv4/IPv6單/組播路由協(xié)議和ISF智能堆疊技術(shù)，可以達(dá)到5G通信的有關(guān)要求，同時(shí)也具備安全可靠，易于運(yùn)行維護(hù)以及后期易于監(jiān)管等諸多優(yōu)勢(shì)。

5G基帶處理單元部署在地面綜合機(jī)房之中，并和5G網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行對(duì)接，集中式單元以及分布式單元是其內(nèi)部所含的主要設(shè)施，主要通過(guò)其所處理的內(nèi)容以及對(duì)象對(duì)其進(jìn)行區(qū)分。集中式單元設(shè)備的主體就是非實(shí)時(shí)性的無(wú)線高層協(xié)議功能，并且也可以用于個(gè)別核心網(wǎng)功能下沉，以及邊緣應(yīng)用服務(wù)，同時(shí)還可以用以無(wú)線以及有限資源控制層和分組數(shù)據(jù)凝聚協(xié)議層的部署工作。而分布式單元的主要功能就是物理層以及實(shí)時(shí)性需求的處理工作，同時(shí)還可以用其進(jìn)行無(wú)線以及有線鏈路控制層的部署和介質(zhì)訪問(wèn)控制層以及物理層的管控。

無(wú)線信號(hào)的核心發(fā)射設(shè)備就是有源天線單元，并且相關(guān)設(shè)備都會(huì)整齊的安置在礦井之下，并且還會(huì)借助光纖連接器以及光纜組件來(lái)和5G基帶處理單元進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)接。有源天線單元利用高于IP65防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的外殼作為防護(hù)層，用以防護(hù)工作，其主體由射頻模塊、電源供給模塊以及接收天線模塊三種模塊共同組成，其中，接收天線模塊的價(jià)值主要就是無(wú)線信號(hào)的接收工作，而接收天線模塊和射頻模塊通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)接來(lái)進(jìn)行無(wú)線信號(hào)的綠波，以及放大工作。而射頻模塊和電源供給模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)接，從而來(lái)對(duì)射頻模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)供電。

礦井下的有關(guān)工作人員會(huì)貼身攜帶防爆移動(dòng)終端，借助無(wú)線接口以及有源天線單元進(jìn)行對(duì)接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互換交流。防爆移動(dòng)終端具有人員精確定位以及視頻、語(yǔ)音等數(shù)據(jù)資料的穩(wěn)定傳輸?shù)戎T多性能。借助5G高精度融合定位技術(shù)，能夠?qū)δ繕?biāo)所在位置及其周邊環(huán)境進(jìn)行精確的定位以及識(shí)別，并且還要將此作為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合具體狀況來(lái)選取最為科學(xué)合理且適用性最高的定位系統(tǒng)。如果目標(biāo)人員在不同場(chǎng)景間切換時(shí)，就可以依據(jù)場(chǎng)景的變化來(lái)在最短時(shí)間內(nèi)做出最有效的適應(yīng)。同時(shí)，相關(guān)的位置信息以及周邊環(huán)境數(shù)據(jù)可以直觀的投影到地面指揮中心的中央屏幕之上，如此來(lái)方便有關(guān)操控人員的實(shí)時(shí)監(jiān)管。除此以外，5G信號(hào)傳輸技術(shù)還擁有數(shù)據(jù)傳輸量較大，傳輸過(guò)程較為穩(wěn)定，且延遲較低等諸多特點(diǎn)，如此一來(lái)，就能夠?qū)崿F(xiàn)礦井下的視頻通信，并且在礦井下出現(xiàn)安全故障時(shí)，也能夠及時(shí)反饋給地面控制中心，并由有關(guān)專家進(jìn)行實(shí)時(shí)的指導(dǎo)以及應(yīng)對(duì)工作，最終就能夠使得礦工的生命健康安全得到保障，并使得企業(yè)的生產(chǎn)效率得到保障。

3.2 礦用5G技術(shù)特點(diǎn)

在礦井生產(chǎn)工作之中，科學(xué)合理地應(yīng)用5G通信技術(shù)，可以使得現(xiàn)階段急需解決的人員定位精確度不足，數(shù)據(jù)傳輸速度較低，且通信工作延遲嚴(yán)重等諸多問(wèn)題得到有效解決，該技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程之中的諸多特點(diǎn)，具體如下。

①設(shè)備占地面積較小。礦井下內(nèi)部空間面積狹小，再加上礦井下巷道之中鋪設(shè)有動(dòng)力電纜，通信以及照明線路和水管，鐵軌等諸多設(shè)施，從而使得空間受到了進(jìn)一步壓縮。然而，源天線單元憑借自身占地面積較小，且天線長(zhǎng)度較短的特點(diǎn)，能夠在井下空間之中得到良好的應(yīng)用。

②信道容量大。礦井下內(nèi)部工作環(huán)境變動(dòng)頻繁，而5G通信技術(shù)憑借其傳輸速度，能夠使得礦井通信系統(tǒng)的可靠性，安全性以及通信質(zhì)量得到極大的保障，并且礦井生產(chǎn)的調(diào)度工作以及搶險(xiǎn)救災(zāi)工作的通信指揮得到了有效的技術(shù)支持。并且該技術(shù)對(duì)于圖像以及語(yǔ)音傳輸?shù)母咝砸约案哔|(zhì)量性，使得礦井移動(dòng)通信的要求能夠?qū)崿F(xiàn)最大程度的滿足。

③人員精確定位。礦井下內(nèi)部工作環(huán)境極為封閉，并且工作人員的工作地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)流動(dòng)，同時(shí)，礦井內(nèi)部有源天線單元的部署均勻且密集，從而5G通信技術(shù)憑借其融合定位性能就可對(duì)覆蓋范圍以及精確程度等方面性能實(shí)現(xiàn)大幅度的提升。

④抗干擾能力較強(qiáng)。礦井內(nèi)部的自然輻射靜電以及人為產(chǎn)生的電波所造成的影響程度較小，但是電機(jī)車火花所引發(fā)的電網(wǎng)波動(dòng)所產(chǎn)生的諧波干擾較大，同時(shí)，由于大功率機(jī)電設(shè)備的擺放位置相對(duì)集中，從而產(chǎn)生的電磁干擾也更為嚴(yán)重。5G通信技術(shù)所擁有的高頻段以及特高頻段擁有較強(qiáng)的抗干擾性能，同時(shí)，天線單元所應(yīng)用的波束賦形技術(shù)，能夠和基站的終端信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)接，從而使得資源得到有效的節(jié)約。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)現(xiàn)有的幾種礦井通信技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析以及研究，并在此基礎(chǔ)之上探討了5G通信技術(shù)的應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)5G通信技術(shù)的合理應(yīng)用，能夠使得礦山生產(chǎn)工作質(zhì)量以及工作效率得到大幅度提升，并且有關(guān)工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，以及有關(guān)企業(yè)的市場(chǎng)營(yíng)銷力都得到了有效保障。近幾年我國(guó)智能技術(shù)的飛速進(jìn)步，使得5G通信技術(shù)逐漸成為現(xiàn)實(shí)，如此一來(lái)，最終就使得采礦技術(shù)實(shí)現(xiàn)歷史性的上升，以及本質(zhì)上的革新。

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