基于三頻組網(wǎng)的4.9 GHz時隙翻轉(zhuǎn)技術(shù)在西灣煤礦的應用

馬小龍，雷 健，王曉琦

（1.國家能源集團陜西神延煤炭有限責任公司，陜西 榆林 719000；2.中國移動通信集團陜西有限公司 榆林分公司，陜西 榆林 719000）

0 引言

5G時代，移動通信將賦能各行各業(yè)，成為社會數(shù)字化發(fā)展的強力催化劑，推動全社會數(shù)字化、智能化發(fā)展，壯大數(shù)字經(jīng)濟。同時，業(yè)務需求的多樣化為通信網(wǎng)絡發(fā)展帶來了巨大挑戰(zhàn)，例如智慧礦山、智能家居、智慧電網(wǎng)、智慧農(nóng)業(yè)等需要大量的額外連接和頻繁傳輸小數(shù)據(jù)包的服務支撐，自動駕駛和工業(yè)控制要求毫秒級時延和接近100%的可靠性，而娛樂信息服務則要求高質(zhì)量的固定或移動寬帶連接。國際電信聯(lián)盟將5G時代的業(yè)務歸納成3種典型的類型：增強型移動寬帶（eMBB）、超高可靠性低時延業(yè)務（URLLC）和海量機器類通信（mMTC）［1-2］。

西灣露天煤礦為貫徹國家能源集團《關于進一步加快煤礦智能化建設的通知》要求，以建設高級智能露天煤礦為目標，結(jié)合西灣露天煤礦開采工藝技術(shù)現(xiàn)狀，在現(xiàn)有自動化、信息化的基礎上，融合5G、MEC邊緣云、車聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術(shù)，計劃于2022年建成中級智能礦山，2025年建成高級智能礦山。

西灣露天煤礦智能礦山實施方案按照“1+1+6”打造，即“1張網(wǎng)+1個控制平臺+6個智能化系統(tǒng)”，其中智能化系統(tǒng)包含智能生產(chǎn)、智能運輸、智能輔助生產(chǎn)、智能輔助運輸、智能視頻和連續(xù)采煤。在西灣煤礦智能化生產(chǎn)項目中，其無線網(wǎng)絡既要滿足無人駕駛低時延、高可靠性的需求，又要具備遠程駕駛（高清視頻回傳）的上行大帶寬需求。國內(nèi)外運營商5G頻段主要以下行業(yè)務為主，即下行速率較高；而煤礦業(yè)務類型主要為采煤區(qū)視頻監(jiān)控、遠程駕駛以及信息采集等，單終端上行需求在30 Mbit/s到50 Mbit/s之間，且以上行業(yè)務為主［3］。解決上行傳輸需求有兩個方案：其一是減少無人礦用卡車（簡稱“礦卡”）上行數(shù)據(jù)傳輸需求，其二是增加無線網(wǎng)絡上行傳輸能力。

本文以西灣煤礦智慧礦山建設為背景，依托中國移動公司5G商用頻段，研究實現(xiàn)西灣煤礦智能網(wǎng)絡上行大帶寬的新型無線組網(wǎng)方式，其中既要考慮視頻回傳業(yè)務增強型移動帶寬特點，又要滿足無人駕駛業(yè)務超高可靠性、低時延的業(yè)務需求。

1 西灣露天煤礦智能系統(tǒng)網(wǎng)絡需求

1.1 智能系統(tǒng)架構(gòu)

西灣煤礦智能系統(tǒng)由礦區(qū)無人礦卡車載系統(tǒng)、無人礦卡裝載專用切片的用戶終端設備（customer premise equipment，CPE）、無線基站、傳輸網(wǎng)、雙容災下沉用戶端口（user port function，UPF）、礦山運營平臺組成，見圖1。該系統(tǒng)可分為3部分：一是終端用戶，即無人礦卡和挖掘機械；二是無線基站系統(tǒng)；三是無線基站之上的有線系統(tǒng)，即傳輸網(wǎng)、UPF和礦山運營平臺。終端用戶產(chǎn)生數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸至礦山運營平臺。本文主要對其無線網(wǎng)絡帶寬能力進行研究和實踐。

圖1 西灣煤礦智能系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Intelligent system architecture of Xiwan Coal Mine

1.2 網(wǎng)絡帶寬需求分析

根據(jù)西灣煤礦智能化業(yè)務發(fā)展規(guī)劃及其后續(xù)智能化建設目標，礦區(qū)需要的上行帶寬總計為6 298 Mbit/s，見表1。當前智能化建設以無人駕駛應用投產(chǎn)為目標，其中無人礦卡系統(tǒng)運用需要的上行帶寬為1 818 Mbit/s。要實現(xiàn)上行帶寬1 818 Mbit/s，存在以下難點：

表1 西灣煤礦各個業(yè)務上行帶寬需求Tab.1 Uplink bandwidth requirements of multi service systems in Xiwan Coal Mine

（1）“無人駕駛+遠程駕駛”業(yè)務長期共存，考慮無人駕駛系統(tǒng)的健壯性，需要同步進行遠程駕駛業(yè)務調(diào)試，以應對無人駕駛業(yè)務應急處理。礦卡遠程駕駛業(yè)務需要實時進行視頻回傳，單車上行帶寬需求為30.3 Mbit/s。

（2）網(wǎng)絡要求高。單車上行邊緣速率要大于50 Mbit/s，端到端時延要求不大于20 ms。

（3）業(yè)務復雜，對網(wǎng)絡上行帶寬和時延提出了巨大挑戰(zhàn)。礦區(qū)既需要考慮無人駕駛、遠程駕駛、輔助設備、連續(xù)采煤、采坑排水等業(yè)務之間的協(xié)同關系，同時要考慮車載視頻回傳、控制以及采煤區(qū)監(jiān)控等業(yè)務之間的協(xié)同［4-7］。

1.3 無線網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域分析

針對礦區(qū)業(yè)務需求，結(jié)合西灣煤礦地理環(huán)境、煤層開采計劃、輔助配套設施分布、無人駕駛業(yè)務規(guī)劃、礦區(qū)開采安全性等諸多因素論證分析，需要在5G網(wǎng)絡建設過程中考慮業(yè)務發(fā)生區(qū)域、業(yè)務特點和網(wǎng)絡需求、無線基站分布等方面影響因素。例如：

（1）應聚焦無人駕駛業(yè)務區(qū)。無人駕駛礦卡主要在3個區(qū)域作業(yè)，即試驗區(qū)1-空載試驗區(qū)、試驗區(qū)2-重載運行區(qū)域、試驗區(qū)3-坑底業(yè)務區(qū)。各試驗區(qū)覆蓋區(qū)域見圖2，圖中紅色框代表煤礦整個區(qū)域。試驗區(qū)1是東端幫1160排土場，為單車空載自動駕駛調(diào)試區(qū)域，該區(qū)域長約280 m、寬約250 m。試驗區(qū)2是西端幫1103工作面至西端幫1110排土場區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)進行巖石剝離及排棄作業(yè)，區(qū)域長約450 m、寬約310 m。試驗區(qū)3是無人駕駛?cè)采w區(qū)域，由巖石采剝臺階（4組）和內(nèi)排土場巖石排棄臺階（3組）組成，長約2 050 m、寬約720 m、采深約75 m。

圖2 無線網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域位置示意Fig.2 Location of wireless network coverage

（2）需要滿足三維立體覆蓋。礦區(qū)網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域長約2.5 km、寬約2.1 km，巖石最高點至煤底板水平高差75 m，要求網(wǎng)絡信號覆蓋無盲區(qū)。采煤區(qū)為梯田式溝壑環(huán)境，見圖3，需要考慮網(wǎng)絡立體覆蓋效果。

圖3 采煤區(qū)現(xiàn)場無線環(huán)境Fig.3 Wireless environment of the onsite coal mine

（3）核心區(qū)域站點落地難。無人駕駛車輛高9 m、有效視距為20 m，同時考慮業(yè)務區(qū)安全性、采煤進度、無線基站及配套設備施工難度等因素，因此無法在核心區(qū)域布放無線基站。

（4）采煤移動速度快，這給網(wǎng)絡部署和優(yōu)化帶來挑戰(zhàn)。根據(jù)開采進度，煤層大概每3個月向前移動100 m，這就要求無線基站進行同步搬遷以滿足覆蓋需求。而頻繁的搬遷將導致網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)變化，需不斷的優(yōu)化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)以滿足業(yè)務速率和時延需求。

綜上分析可見，相比目前國內(nèi)其他已有煤礦，西灣煤礦對于靈活可變組網(wǎng)和無線網(wǎng)絡立體覆蓋有更高要求；且通過前面分析可知，西灣煤礦對網(wǎng)絡業(yè)務帶寬和時延等指標要求更高。因此，傳統(tǒng)的單頻組網(wǎng)及優(yōu)化手段已無法滿足西灣煤礦的業(yè)務要求。

2 基于上行速率的無線網(wǎng)絡組建方案

為滿足西灣煤礦大帶寬、低時延、高可靠性等網(wǎng)絡業(yè)務需求，本文提出“2.6 GHz+700 MHz+4.9 GHz”三頻協(xié)同立體網(wǎng)絡方案，其中2.6 GHz頻段解決邊緣地帶容量問題；700 MHz頻段全覆蓋且組成超級小區(qū)，解決采煤區(qū)中心位置覆蓋不足問題，同時增強時延可靠性；4.9 GHz時隙翻轉(zhuǎn)1D3U（其中D指下行，U指上行）幀結(jié)構(gòu)補足上行大帶寬，解決核心業(yè)務區(qū)容量問題。

2.1 基于上行速率的網(wǎng)絡模型搭建

以上行邊緣速率為50 Mbit/s為基準，綜合評估業(yè)務需求和無線網(wǎng)絡環(huán)境，在現(xiàn)場勘察基礎上，結(jié)合無線網(wǎng)絡覆蓋鏈路預算，給出不同頻段的基站小區(qū)覆蓋半徑和站間距分布建議（表2）。

表2 不同頻段基站站間距Tab.2 Distances between base stations in different frequency bands

2.2 基于上行速率三頻組網(wǎng)方案

圖4為根據(jù)礦區(qū)重點業(yè)務區(qū)劃分、礦區(qū)站點落地難易程度以及基于網(wǎng)絡模型的站間距所得出的站點具體配置及分布位置圖，其物理站點配置及扇區(qū)配置見表3（表中“S1”代表基站上安裝了1個扇區(qū)，“S11”代表基站上安裝了2個扇區(qū)，“S111”代表基站上安裝了3個扇區(qū)，“/”代表此處無該頻段基站）。其中頻段700 MHz作為基礎覆蓋層，使用9個射頻拉遠單元RRU分布于5個物理站點，組成3個超級小區(qū)，完成礦區(qū)全覆蓋；2.6 GHz頻段作為增強覆蓋層，開通21個小區(qū)，分布于7個物理站點，完成邊緣核心路段覆蓋及業(yè)務區(qū)容量吸收；4.9 GHz頻段作為核心業(yè)務區(qū)容量吸收層，開通1個基站3個扇區(qū)分布于核心業(yè)務區(qū)坑底，承載視頻業(yè)務回傳。在2.6 GHz、700 MHz和4.9 GHz這3個頻段之間部署互操作策略，可實現(xiàn)無縫鏈接。［8］

圖4 無線基站分布組網(wǎng)圖Fig.4 Distribution of wireless base stations

表3 無線基站配置Tab.3 Configurations of wireless base stations

2.3 基于上行速率的4.9 GHz時隙翻轉(zhuǎn)1D3U方案

核心業(yè)務區(qū)的煤頂板和石頂板區(qū)域是無人駕駛業(yè)務密集區(qū)，存在多車會車的情況。為了進一步提升該區(qū)域業(yè)務承載能力，部署了移動性“4.9 GHz+2.6 GHz”基站；同時，針對4.9 GHz基站，部署了參數(shù)時隙翻轉(zhuǎn)1D3U方案（其中D為下行時隙，以為上行時隙），即將下行時隙改變?yōu)樯闲袝r隙，使得下行與上行的占比由5∶3變?yōu)?∶3（不含特殊時隙），以增加上行吞吐量。

2.3.1 4.9 GHz常規(guī)幀結(jié)構(gòu)配置

4.9 GHz頻段幀結(jié)構(gòu)常規(guī)配置采用100 MHz帶寬，重復周期為5 ms，方式為DDDSUDDSUU，幀結(jié)構(gòu)見圖5，其中S為特殊時隙。其4.9 GHz常規(guī)幀傳送周期為2.5 ms+2.5 ms，每0.5 ms為一個時隙，編號分別為#0、#1、#2、…、#9。每個“2.5 ms+2.5 ms”周期的第一個2.5 ms內(nèi)，時隙#0、#1和#2被固定作為DL，時隙#3為下行主導（dominate）時隙，格式為DL-GP，SSB信號（即同步和廣播信號）可以在時隙#0、#1、#2和#3上傳送；時隙#4固定作為UL主導（prevail）時隙，PRACH信號（物理隨機接入信道）可以在時隙#4上傳送。每個“2.5 ms+2.5 ms”周期內(nèi)的第二個2.5 ms內(nèi)，時隙#5和時隙#6被固定作為DL，時隙#7為下行主導時隙，格式為DL-GP-UL；時隙#8和時隙#9被固定作為UL時隙，PRACH信號可以在時隙#8和時隙#9上傳送。

圖5 4.9 GHz常規(guī)幀結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of 4.9 GHz regular frame

2.3.2 4.9 GHz時隙翻轉(zhuǎn)1D3U幀結(jié)構(gòu)配置

1D3U幀結(jié)構(gòu)配置采用100 MB帶寬，重復周期為2.5 ms，特殊幀結(jié)構(gòu)配比為DSUUU，見圖6。傳送周期為2.5 ms。每個2.5 ms內(nèi)，時隙#0固定作為DL，時隙#1為下行主導時隙，格式為DL-GP-UL。SSB信號可以在時隙#0和#1上傳送，時隙#2、#3、#4固定作為UL時隙，PRACH信號可以在時隙#2上傳送［9］。

圖6 4.9 GHz 1D3U幀結(jié)構(gòu)配置示意Fig.6 Schematic diagram of 4.9 GHz 1D3U frame structure

4.9 GHz常規(guī)幀結(jié)構(gòu)配置為D∶S∶U=5∶2∶3；4.9 GHz時隙翻轉(zhuǎn)1D3U幀結(jié)構(gòu)配置為D∶S∶U=1∶1∶3，即將4.9 GHz常規(guī)幀結(jié)構(gòu)配置中時隙#2、時隙#3、時隙#7翻轉(zhuǎn)為上行時隙U，將時隙#1、時隙#6配置為特殊時隙S，最終使得D∶U=1∶3。

3 無線網(wǎng)絡方案實施效果

3.1 基于上行速率三頻組網(wǎng)實施效果

按照本文所提無線網(wǎng)絡建設方案在西灣煤礦采煤區(qū)完成基站建設開通后，形成了“700 MHz+2.6 GHz+4.9 GHz”三頻組網(wǎng)，通過多輪次精細化網(wǎng)絡優(yōu)化調(diào)整，完成部署700 MHz超級小區(qū)、上行速率增強、低時延精準網(wǎng)絡、低時延動態(tài)調(diào)度等功能，使得各個頻段網(wǎng)絡協(xié)同工作、互為補充，增強了網(wǎng)絡健壯性以及安全性。

網(wǎng)絡部署完成后，使用5G網(wǎng)絡路測工具SPARK進行路測。結(jié)果顯示，輕載試驗區(qū)、重載試驗區(qū)、全采區(qū)實現(xiàn)了5G網(wǎng)絡全覆蓋，各個區(qū)域上行邊緣速率50 Mbit/s以上的占比大于99%，平均時延均小于20 ms，測試結(jié)果見表4。

表4 三頻組網(wǎng)方案實施后各區(qū)域網(wǎng)絡測試結(jié)果Tab.4 Network test results of each region after the implementation of triple-frequency networking scheme

3.2 4.9 GHz時隙翻轉(zhuǎn)方案實施效果

4.9 GHz時隙翻轉(zhuǎn)方案實施后，上行頻寬占比由32.9%提升至62.8%。使用網(wǎng)絡測試軟件SPARK做上行帶寬測試，結(jié)果顯示，網(wǎng)絡的上行峰值速率由原來的290 Mbit/s提升至600 Mbit/s。

4 結(jié)語

本文通過對西灣煤礦業(yè)務需求進行分析，并結(jié)合現(xiàn)場無線環(huán)境，提出了基于上行速率的5G無線網(wǎng)絡方案，即在“700 MHz+2.6 GHz+4.9 GHz”三頻組網(wǎng)基礎上，部署超級小區(qū)、時延增強、上行速率增強等功能，滿足了“無人駕駛+遠程駕駛”對大帶寬、低時延的業(yè)務需求。為進一步提升核心業(yè)務區(qū)無人駕駛業(yè)務感知能力，部署了時隙翻轉(zhuǎn)1D3U超級上行技術(shù)，使得網(wǎng)絡上行峰值速率由290 Mbit/s提升至600 Mbit/s，滿足了當前西灣煤礦網(wǎng)絡需求。后續(xù)隨著無人駕駛業(yè)務、電鏟、輔助車輛等項目全量接入網(wǎng)絡，需要進一步擴展上行容量。目前，在“700 MHz+2.6 GHz+4.9G Hz”三頻組網(wǎng)下，可實施700 MHz頻段只配置30 MHz帶寬、三頻網(wǎng)絡載波聚合等措施來提升上行網(wǎng)絡容量，但由于現(xiàn)有5G終端CPE不支持30 MHz帶寬、載波聚合等功能而無法實踐。為此，后續(xù)將探索研究終端、應用及網(wǎng)絡的最佳匹配。