基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的礦用應(yīng)急通信基站的研究

康守信

1煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 北京 100013

2煤礦應(yīng)急避險技術(shù)裝備工程研究中心 北京 100013

3北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心 北京 100013

近些年，隨著煤礦行業(yè)“少人化、無人化”的發(fā)展，煤礦安全形式持續(xù)向好，但煤礦安全事故仍時有發(fā)生。當(dāng)煤礦井下發(fā)生安全事故時，救援隊(duì)員需攜帶便攜式應(yīng)急通信基站快速搭建通信通道，實(shí)現(xiàn)井上、井下以及救援人員之間信息互聯(lián)，以便于井上指揮人員高效精準(zhǔn)指揮救援工作，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報道與無應(yīng)急救援相比，及時高效的救援工作可將損失降低 94%[1-2]。在我國多種煤礦應(yīng)急通信技術(shù)得到了廣大學(xué)者專家的研究[3-6]，其中無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由于具有無線多跳、自組織和強(qiáng)自愈能力，被廣泛應(yīng)用到煤礦應(yīng)急救援工作中。文獻(xiàn) [7] 對煤礦應(yīng)急救援系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)顯示基于無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急通信系統(tǒng)提高了救災(zāi)工作的效率。文獻(xiàn) [8] 研究一種混合結(jié)構(gòu)的應(yīng)急救援無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)及其路由算法，提升礦井應(yīng)急救援中網(wǎng)絡(luò)性能的穩(wěn)定性。文獻(xiàn) [9] 研究了應(yīng)急通信中無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)分配問題，提出一種基于拓?fù)浞謱雍透蓴_避免的多信道分配算法，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和降低信道干擾。

筆者針對礦井應(yīng)急救援中多點(diǎn)救援以及次生災(zāi)害、二次事故中救援人員通信的需求，設(shè)計(jì)了一種無線覆蓋與中繼傳輸同距離的礦用移動應(yīng)急通信系統(tǒng)，以應(yīng)急通信基站設(shè)備為核心，重點(diǎn)研究礦井內(nèi)無線覆蓋 2.4G 頻段與中繼傳輸 5G 頻段天線最大輸出功率與信號傳輸距離，并對設(shè)計(jì)方案效果進(jìn)行了分析。

1 礦用移動應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦用移動應(yīng)急通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示，主要由井上管控平臺、無線 Mesh 應(yīng)急基站以及礦用應(yīng)急救援終端組成。井上管控平臺包括交換機(jī)、服務(wù)器和管理平臺等裝備，用于通信數(shù)據(jù)的計(jì)算以及可視化處理。應(yīng)急通信基站分別通過 5G 頻段建立無線中繼形成傳輸通道、2.4G 頻段實(shí)現(xiàn)無線覆蓋。礦用的應(yīng)急救援終端包括礦用手機(jī)、智能穿戴、生命傳感器等裝備，在與應(yīng)急通信基站建立連接后，救援人員佩戴救援終端設(shè)備可以用于音視頻通話、身體特征感知等。當(dāng)?shù)V井下應(yīng)急救援時，救援人員佩戴救援終端攜帶應(yīng)急通信基站，應(yīng)急通信基站產(chǎn)生無線覆蓋，并且通信基站之間建立無線中繼通道，實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)與井上指揮室之間信息互通，井上指揮人員根據(jù)井下上傳的信息，制定科學(xué)高效救援方案，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)救援。通信基站是應(yīng)急救援系統(tǒng)中的核心設(shè)備，筆者主要針對通信基站的中繼距離與無線覆蓋特性進(jìn)行研究。

圖1 礦用移動應(yīng)急通信系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of mobile mining emergency communication system

2 應(yīng)急通信基站

應(yīng)急通信基站基于無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線信號覆蓋與中繼，為井下救援人員與井上指揮人員建立信息連接。應(yīng)急通信基站架構(gòu)如圖 2 所示，主要包括本安電池、以太網(wǎng)接口、網(wǎng)絡(luò)處理模塊，無線網(wǎng)卡 (2.4G/5G)、射頻端口 (2.4G/5G) 以及 2.4G 全向天線和 5G 定向天線。本安電池為通信基站提供本質(zhì)安全的電源需求，解決通信基站供電問題；以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)通信基站與傳輸網(wǎng)設(shè)備相連；網(wǎng)絡(luò)處理模塊負(fù)責(zé)通信數(shù)據(jù)計(jì)算處理。無線網(wǎng)卡、射頻端口以及天線，可以通過配置參數(shù)等手段控制應(yīng)急通信基站無線發(fā)射總功率。

圖2 應(yīng)急通信基站架構(gòu)Fig.2 Architecture of emergency communication base station

2.4 G 頻段頻率低，波長大，傳輸性能好，但存在本身頻段帶寬小、易受干擾等情況。相反的是 5G 頻段，自身帶寬大，信道相對純凈，干擾少，信道容量大，但頻段高，傳輸性能差?；?2.4G 頻段與 5G 頻段的特點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)的應(yīng)急通信基站中 2.4G 無線網(wǎng)卡與射頻端口配套全向天線，滿足應(yīng)急通信基站周圍的無線覆蓋需求；5G 無線網(wǎng)卡與射頻端口配套定向天線，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信基站的無線中繼功能，形成一條無線傳輸通道。

3 無線覆蓋與中繼同距離設(shè)計(jì)

根據(jù)移動應(yīng)急通信系統(tǒng)與應(yīng)急通信基站的架構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)急通信基站兩側(cè)各有一副 5G 定向天線實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信基站中繼“牽手”，上側(cè)有兩幅 2.4G 全向天線實(shí)現(xiàn)周圍無線覆蓋。若應(yīng)急通信基站覆蓋與中繼距離相同，前提條件是保證應(yīng)急通信基站有效無線覆蓋半徑與中繼有效距離相等。

3.1 發(fā)射功率配比研究

電磁波在空間傳播中會產(chǎn)生傳輸損耗，在地面上主要是路徑損耗。在礦井中，電磁波傳輸損耗還受巷道內(nèi)環(huán)境影響。在巷道近區(qū)時，電磁波損耗近似于自由空間傳播損耗，可由式 (1) 表示[7]：

式中：Ls為電磁波傳輸損耗，dB；f為電磁波頻率，GHz；d為電磁波傳輸距離，km。

以應(yīng)急通信基站無線覆蓋 2.4G、5.8G 電磁波頻率為例進(jìn)行傳輸損耗研究，并針對同距離無線覆蓋與中繼進(jìn)行了仿真計(jì)算。

應(yīng)急通信基站的有效覆蓋半徑設(shè)為r，根據(jù)上述分析，實(shí)現(xiàn)中繼距離與覆蓋同距離，則每個應(yīng)急通信基站的有效中繼距離為 2r。圖 3 為采用 Origin 軟件對頻率分別為 2.4G、5.8G Hz 電磁波信號傳輸損耗與覆蓋半徑之間的關(guān)系進(jìn)行了仿真模擬。

圖3 電磁波傳輸損耗與覆蓋半徑之間的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve between electromagnetic wave transmission lossand coverage radius

從圖 3 可以看出，頻率 2.4G 與 5.8G Hz 的傳輸損耗與覆蓋半徑之間關(guān)系曲線方向是一致的，并且在覆蓋半徑相同的情況下，中繼頻率 5.8G Hz 的傳輸損耗與無線覆蓋頻率 2.4G Hz 的傳輸損耗差值是固定的。即應(yīng)急通信基站中繼頻率 5.8G Hz 傳輸距離是無線覆蓋頻率 2.4G Hz 覆蓋半徑的兩倍時，5.8G Hz 的電磁波傳輸損耗會高 13.68 dB。

根據(jù)上述分析，5.8G Hz 的電磁波傳輸損耗比 2.4G Hz 高 13.68 dB，可以得出，5.8G Hz 無線中繼天線發(fā)射功率是 2.4G Hz 無線覆蓋天線發(fā)射功率的 23.34 倍。

應(yīng)急通信基站在礦井實(shí)現(xiàn)無線覆蓋和無線中繼，若在相同距離范圍內(nèi)正常運(yùn)行工作，則要求 5.8G Hz 的天線發(fā)射總功率與 2.4G Hz 的天線發(fā)射總功率之比為 23.34。

3.2 發(fā)射功率本安化設(shè)計(jì)

礦井下通信不同于地面上，通信設(shè)備需要本安化設(shè)計(jì)。在礦井下通信設(shè)備發(fā)射功率受限，發(fā)射總功率不能超過 6 W[10]。應(yīng)急通信基站有 2 組天線，每組天線包含一副中繼 5G 天線和一副 2.4G 天線，即每組天線總發(fā)射功率不超過 3 W。

表1 為應(yīng)急通信基站在滿足 2 個工作模式 (2.4G 無線覆蓋與 5G 中繼) 同距離且符合本安要求情況下的最大發(fā)射功率。由表 1 可知，在滿足本安化發(fā)射功率要求以及無線中繼與無線覆蓋相同情況下，各天線發(fā)射最大的發(fā)射功率分別為 34.59 和 20.90 dBm。在礦井應(yīng)急救援中，救援人員攜帶救援設(shè)備較多，要求應(yīng)急通信基站覆蓋面積盡量大，以減少攜帶基站數(shù)量。對此，針對上述分析的天線最大發(fā)射功率，研究了 2.4G Hz 在最大發(fā)射功率情況下在巷道近區(qū)的無線覆蓋距離。

表1 應(yīng)急通信基站的最大發(fā)射功率Tab.1 Maximum transmission power of emergency communication base station in various working modes

以救援終端設(shè)備信號靈敏度較嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn) -100 dBm 為參考，結(jié)合式 (1)，對天線發(fā)射功率與傳輸距離之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。由圖 4 仿真模擬計(jì)算可以得知，2.4G Hz 在天線發(fā)射功率為 20.90 dBm 時，傳輸距離為 11.02 km。

圖4 傳輸距離受天線發(fā)射功率的影響Fig.4 Influence of antenna transmission power on transmission distance

4 應(yīng)用效果分析

基于 Mesh 組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線覆蓋與中繼同距離的應(yīng)急通信基站，在礦下巷道多點(diǎn)救援以及再次發(fā)生次生災(zāi)害時能夠提供穩(wěn)定的通信支撐。

4.1 巷道多點(diǎn)救援

部分井下事故中，在挖掘的巷道中可能存在不止一處需要救援施工的情況，如圖 5 所示。存在A、B、C3 處均需要救援的情況，在A點(diǎn)由于礦用應(yīng)急通信基站的無線覆蓋與中繼功能，救援人員終端設(shè)備接入無線覆蓋信號，并通過基站中繼傳輸實(shí)現(xiàn)井上井下數(shù)據(jù)通信。設(shè)計(jì)的是覆蓋與中繼同距離的應(yīng)急通信基站，可以實(shí)現(xiàn)在井下巷道中繼長距離傳輸范圍內(nèi)無線覆蓋也滿足通信需求，所以應(yīng)急通信系統(tǒng)同時也可以為在B、C2 處救援人員提供通信需求。救援人員在井下巷道中行走或與其他救援點(diǎn)人員協(xié)作，均可以通過救援終端接入應(yīng)急通信基站的無線信號與中繼基站的無線“牽手”，直接實(shí)現(xiàn)救援人員信息互通，減少數(shù)據(jù)上傳井上服務(wù)器在返回信息數(shù)據(jù)過程中產(chǎn)生的額外時延。

圖5 多點(diǎn)救援提供通信支撐示意Fig.5 Sketch of communication support providence at multi-point rescue

4.2 次生災(zāi)害發(fā)生可臨時組建局域網(wǎng)

無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)由于具有無線多跳、自組織和強(qiáng)自愈能力，某應(yīng)急通信基站連接意外中斷，會自動啟動無線自愈鏈路，自動搜尋附近應(yīng)急通信基站信號并自動連接，保證工作業(yè)務(wù)不間斷進(jìn)行，同時后續(xù)設(shè)備故障恢復(fù)后，應(yīng)急通信基站恢復(fù)最優(yōu)無線覆蓋和中繼狀態(tài)。應(yīng)急通信基站自愈組成局域網(wǎng)如圖 6 所示，在第 1 個應(yīng)急通信基站與井上指揮中心發(fā)生故障，以及第 3 個應(yīng)急通信基站出現(xiàn)故障時，應(yīng)急通信基站 2 會自動與應(yīng)急通信基站 4 建立連接，兩個基站內(nèi)無線覆蓋內(nèi)救援終端設(shè)備進(jìn)行信息交換。在井下救援工作中，發(fā)生突發(fā)情況，產(chǎn)生二次災(zāi)害，原應(yīng)急通信中斷，救援人員被困井下，應(yīng)急通信基站是中繼與無線覆蓋一體的基站，2.4G 覆蓋配套無線是全向天線，能夠盡可能的與救援人員佩戴的救援終端建立連接，5G 中繼頻段與周圍其他鄰近的應(yīng)急通信基站形成無線中繼，快速組成小局域網(wǎng)，被困人員可以實(shí)現(xiàn)信息共享，待后續(xù)救援時與組成局域網(wǎng)內(nèi)的某一個應(yīng)急通信基站建立連接后，其他被困人員也可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

圖6 應(yīng)急通信基站自愈組成局域網(wǎng)Fig.6 Local network composed of self-healing emergency communication base station

5 結(jié)語

(1) 設(shè)計(jì)研究了基于無線 Mesh 組網(wǎng)技術(shù)的礦用移動應(yīng)急通信系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)架構(gòu)組成，對核心設(shè)備應(yīng)急通信基站進(jìn)行了詳細(xì)研究。

(2) 分析研究了應(yīng)急通信基站無線覆蓋與中繼同距離時 2.4G 頻段與 5G 頻段對天線發(fā)射功率的要求；研究了在滿足本安化要求的情況下，4G 頻段與 5G 頻段的最大發(fā)射功率，并對相應(yīng)的傳輸距離進(jìn)行了理論分析計(jì)算。

(3) 分析研究了設(shè)計(jì)的應(yīng)急通信基站在礦井巷道多點(diǎn)救援中的優(yōu)勢以及次生災(zāi)害發(fā)生后可快速形成局域網(wǎng)的特性。

(4) 下一步研究目標(biāo)：①由于無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)在 2.4G 頻段和 5G 頻段，存在非授權(quán)頻段信道連續(xù)占用時間的法規(guī)限制和 LBT (Listen before talk) 的固定機(jī)制，難以實(shí)現(xiàn)低時延的通信，后續(xù)在低時延通信技術(shù)方面進(jìn)一步深化研究應(yīng)急通信基站；② 傳輸損耗模型是基于巷道近區(qū)電磁波自由空間傳輸建立，后期結(jié)合巷道遠(yuǎn)區(qū)遮擋損耗等情況，對應(yīng)急通信基站各工作模式天線發(fā)射功率進(jìn)行優(yōu)化研究。