基于5G 直連通信的礦井應(yīng)急通信技術(shù)

李晨鑫，張立亞，劉 斌，康守信

（1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司 羊場灣煤礦，寧夏 銀川 750411）

應(yīng)急救援是煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域的一個重要方向。近年來，隨著煤礦領(lǐng)域無人化、自動化和智能化的發(fā)展，安全生產(chǎn)形式持續(xù)向好，但煤礦事故仍時有發(fā)生，當事故發(fā)生后，原有通信系統(tǒng)損壞，救援隊員需要快速搭建應(yīng)急通信系統(tǒng)，實現(xiàn)井上、井下以及救援人員之間環(huán)境監(jiān)測、健康體征和調(diào)度信息的實時可靠傳輸，對降低人員傷亡、高效處置事故都發(fā)揮著重要作用[1-3]。

礦井應(yīng)急通信技術(shù)方面已經(jīng)具有一定的研究基礎(chǔ)，主要聚焦于Wi-Fi 基于開展無線Mesh 組網(wǎng)研究。文獻［4］對基于無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)的廣播系統(tǒng)在煤礦應(yīng)急通信中應(yīng)用進行了研究；文獻［5］提出了在礦井應(yīng)急救援通信中利用跳頻技術(shù)實現(xiàn)抗干擾的方案，解決傳輸中的同頻干擾問題；文獻［6］研究設(shè)計了井下無線MESH 通信系統(tǒng)，可支持礦井應(yīng)急通信的組網(wǎng)；文獻［7］研究設(shè)計了礦用KTK100 多功能互聯(lián)話機，在煤礦應(yīng)急救援保障中可實現(xiàn)應(yīng)急廣播功能。

然而，基于Wi-Fi 的Mesh 中繼和覆蓋方案由于工作在非授權(quán)頻段，存在信道連續(xù)占用時間的法規(guī)限制和LBT（Listen before talk）的固定存在難以實現(xiàn)極低時延的通信指標；同時由于多設(shè)備同一頻段中繼前傳與回傳，容易產(chǎn)生同頻干擾的情況，影響通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

近些年隨著5G 技術(shù)面向垂直行業(yè)應(yīng)用的拓展研究，5G 直連通信技術(shù)（Sidelink）已經(jīng)被3GPP 標準化，主要面向應(yīng)急救援相關(guān)的公共安全領(lǐng)域和車聯(lián)網(wǎng)V2X 領(lǐng)域[8-9]。5G 直連通信技術(shù)可以不依賴于基站、基于直通鏈路實現(xiàn)終端之間的低時延、高可靠的分布式通信，能夠支撐應(yīng)急救援環(huán)境下原通信網(wǎng)絡(luò)損壞、需要快速構(gòu)建應(yīng)急通信鏈路的需求，并且可以工作在Band47（5 855～5 925 MHz）專用頻段上、能夠規(guī)避Wi-Fi 等非授權(quán)頻段通信技術(shù)受限信道連續(xù)占用時間的法規(guī)限制和接入前監(jiān)聽等法規(guī)要求、造成低時延特性無法保障的問題[10-11]。

為此，針對礦井高質(zhì)量、低時延的應(yīng)急通信需求，設(shè)計了一種礦井應(yīng)急移動通信系統(tǒng)，以Sidelink直連鏈路通信技術(shù)為核心，提出一種無線資源免調(diào)度、免路由的極簡架構(gòu)下的低時延高可靠的頻譜時隙資源分配方法，實現(xiàn)無同頻干擾、低時延礦井應(yīng)急移動通信。

1 基于5G 直連通信的礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)

基于5G 直連通信的礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

圖1 基于5G 直連通信的礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Mine emergency communication system based on 5G Sidelink communication architecture diagram

基于5G 直連通信的礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)主要由井上管控平臺、傳輸網(wǎng)、中繼器以及礦用應(yīng)急救援終端組成。井上管控平臺位于煤礦井上，指揮人員可以通過該平臺進行應(yīng)急線路的調(diào)控、環(huán)境參數(shù)的調(diào)控、音視頻的監(jiān)控和調(diào)度等；傳輸光纖環(huán)網(wǎng)，在井上管理平臺與中繼器之間建立有線連接，用于傳輸通信數(shù)據(jù)與鏈路調(diào)控數(shù)據(jù)；Sidelink 中繼器，通過5G直連通信技術(shù)實現(xiàn)傳輸鏈路的搭建，并通過末端的中繼器實現(xiàn)救援現(xiàn)場無線覆蓋；礦用應(yīng)急救援終端包括礦用手機、智能穿戴、生命傳感器等設(shè)備，由救援人員佩戴，用于采集和生成救援人員語音視頻、人員定位、生命體征參數(shù)監(jiān)測等通信數(shù)據(jù)，并將通信數(shù)據(jù)發(fā)送至Sidelink 中繼器。通過上述通信系統(tǒng)，井上指揮部與井下救援人員建立信息通道，井下救援人員所處的環(huán)境和身體特征狀況、救援現(xiàn)場情況能夠及時上傳到井上指揮部，井上指揮人員根據(jù)井下上傳的信息，科學精準的做出判斷指導井下救援工作。

2 中繼器5G 直連通信組網(wǎng)機制

為實現(xiàn)低時延、無同頻干擾的高質(zhì)量礦井應(yīng)急通信，中繼器采用ITS（Intelligent Transport Systems，智能運輸系統(tǒng)）專用頻段5 855～5 925 MHz（band47）以及采用5G 直連通信的技術(shù)實現(xiàn)無線鏈路的建立和傳輸。5G 直連通信的示意圖如圖2，圖中N 為可復用相同傳輸資源的間隔設(shè)備數(shù)。

圖2 5G 直連通信的示意圖Fig.2 Schematic diagram of 5G direct connection communication

具體實現(xiàn)方法如下：①中繼器部署時按照設(shè)備編號順序排布，或部署時順次自動生成編號設(shè)備ID（Identity Document，身份標識號碼），如圖2 中的1#中繼器、2#中繼器等等；②以通信數(shù)據(jù)的傳輸資源的時域資源粒度為調(diào)度單位，將通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l域資源劃分為2 個傳輸資源集合，分別為傳輸資源集合subset1、傳輸資源集合subset2，時域資源粒度是指在時域上傳輸通信數(shù)據(jù)所需的傳輸資源的調(diào)度單位即時隙；③基于所述中繼器的編號，結(jié)合預設(shè)規(guī)則，確定傳輸所述通信數(shù)據(jù)的時隙信息和傳輸資源集合。

中繼器預設(shè)規(guī)則設(shè)計如下：

1）確定中繼器前/后傳傳輸資源集合。設(shè)計中繼器回傳使用傳輸資源集合subset1、前傳使用傳輸資源集合subset2。

2）中繼器接收通信數(shù)據(jù)。根據(jù)式（1）可以確定不同編號中繼器對應(yīng)的接收通信的時隙編號信息。

式中：mod（x，y）為求余函數(shù)，“Time resourcenumber”為傳輸資源的時隙信息；N 為可復用相同傳輸資源的間隔設(shè)備數(shù)，N＞2，且N 為正整數(shù)；SID 為待進行通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^器所對應(yīng)的編號。

3）中繼器發(fā)送前傳通信數(shù)據(jù)。根據(jù)式（2）可以確定不同編號中繼器對應(yīng)的前傳通信的時隙編號，結(jié)合前傳通信是傳輸資源集合subset2，可以確定中繼器發(fā)送前傳的通信時隙信息。

4）中繼器發(fā)送回傳通信數(shù)據(jù)。根據(jù)式（3）可以確定不同編號中繼器對應(yīng)的回傳通信的時隙編號，結(jié)合回傳通信是傳輸資源集合subset1，可以確定中繼器發(fā)送回傳的通信時隙信息。

以N=3 為例，可復用相同傳輸資源的中繼器設(shè)備數(shù)為3 個，分別編號為1#中繼器、2#中繼器、3#中繼器。

根據(jù)式（1）可以得知，1#中繼器接收的通信數(shù)據(jù)是時隙編號為1，4，…，3m+1（m 為自然數(shù)）的傳輸資源集合subset1 和傳輸資源集合subset2；根據(jù)式（2）可以得知，1#中繼器發(fā)送前傳的通信數(shù)據(jù)是時隙編號為2，5，…，3m+2（m 為自然數(shù)）的subset2；根據(jù)式（3）可以得知，1#中繼器發(fā)送回傳的通信數(shù)據(jù)是時隙編號為3，6，…，3m+3（m 為自然數(shù)）的subset1。

同理可以得知：2#中繼器、3#中繼器的接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)時隙信息。N=3 時中繼器的時隙信息表1。

表1 N=3 時中繼器的時隙信息Table 1 Time slot information of repeater at N=3

中繼器5G 直連通信由于是使用預設(shè)規(guī)則，能夠準確確定正在傳輸通信數(shù)據(jù)的中繼器所對應(yīng)的傳輸資源，可以有效提升傳輸資源調(diào)度的效率，進一步提升應(yīng)急通信質(zhì)量。此外，如果系統(tǒng)期望具有節(jié)電性能，可通過配置使中繼器具有空閑狀態(tài)時隙，即：在所述傳輸鏈路中，可復用相同傳輸資源的間隔設(shè)備數(shù)的數(shù)量大于3 時，所述中繼器在傳輸所述通信數(shù)據(jù)的時隙具有空閑狀態(tài)，所述空閑狀態(tài)的時隙數(shù)量為：

式中：Sleep: Numberslot為所述中繼器在傳輸所述通信數(shù)據(jù)時處于空閑狀態(tài)的時隙的數(shù)量。

3 系統(tǒng)性能分析

設(shè)計的基于5G 直連通信的礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)根據(jù)3GPP 協(xié)議在FR1（Frequency Range 1，6 G 以下）頻帶范圍定義，SCS（Sub-Carrier Space，子載波間隔）有15、30、60 kHz[12]。以SCS 取30 kHz 和60 kHz 為例，分析系統(tǒng)性能。

5G 新空口SCS 可以取2μ×15 kHz, 其中μ 可以取0、1、2、3、4、5；在時域上1 個無線幀=10 ms=10個子幀，1 個子幀對應(yīng)的包括2μ 個時隙，即每個時隙長度為1/（2μ）ms，當SCS 為30 kHz 和60 kHz時，對應(yīng)的空口時隙長度為0.5 ms 和0.25 ms[13]。根據(jù)中繼器直連預設(shè)的規(guī)則，每個Sidelink 中繼器接收或者發(fā)送某個通信數(shù)據(jù)，設(shè)計的時域資源循環(huán)的時隙數(shù)為N，因此業(yè)務(wù)到達時等待的時隙數(shù)量最大為N+1 個時隙。

因此，在SCS 為30 kHz 時中繼器空口時延最大是0.5×（N+1）ms，最小為0.5×1 ms，均值為0.5×（1+N+1）/2 ms，因此，20 跳最大10×（N+1）ms，按均值計算應(yīng)為5×（N+2）ms。

在SCS 為60 kHz 下，空口時延最大是0.25×（N+1）ms，最小為0.25×1 ms、均值0.25×（1+N+1）/2 ms，20 跳最大5×（N+1）ms，按均值計算應(yīng)為2.5×（N+2）ms。

選取2 個典型案例即相同傳輸資源的間隔設(shè)備數(shù)N 取3 和4，分析計算了2 種配置情況下系統(tǒng)時延性能，N=3 時通信系統(tǒng)指標見表2，N=4 時通信系統(tǒng)指標見表3。

表2 N=3 時通信系統(tǒng)指標Table 2 Communication system metric at N=3

表3 N=4 時通信系統(tǒng)指標Table 3 Communication system metric at N=4

由表2，在傳輸鏈路中的可復用相同傳輸資源的間隔設(shè)備數(shù)的數(shù)量為3 時，30 kHz SCS 配置、中繼設(shè)備20 跳的情況下、平均空口時延25 ms，60 kHz SCS 配置、中繼設(shè)備20 跳的情況下、平均空口時延低至12.5 ms。

由表3，當N=4 時，中繼器設(shè)備的功耗可降低25%。雖然配置空閑時隙會額外增加設(shè)備傳輸?shù)却龝r間、造成時延一定程度增大，但30 kHz SCS 配置、中繼設(shè)備20 跳的情況下、平均空口時延仍可低至30 ms，60 kHz SCS 配置、中繼設(shè)備20 跳的情況下、平均空口時延仍可低至15 ms，低時延性能仍可獲得保證。

當可復用相同傳輸資源的間隔設(shè)備數(shù)的數(shù)量N為4 時，還可配置得到空閑的時隙、實現(xiàn)設(shè)備功耗降低，當N 為4 時、每一臺中繼器在4 個時隙資源中有1 個時隙可處于空閑狀態(tài)，無需中繼器一直處于收發(fā)狀態(tài)，從而有效降低設(shè)備功耗。根據(jù)上述的預設(shè)規(guī)則分析，間隔設(shè)備數(shù)量為N（N＞3）時降低功耗為（（N-3）/N）×100%。

4 結(jié) 語

1）分析了現(xiàn)有礦井應(yīng)急通信常用的基于Wi-Fi技術(shù)作為無線覆蓋與中繼的技術(shù)存在的非授權(quán)頻段連續(xù)占用時間以及接入前監(jiān)聽LBT 等無線電法規(guī)限制，造成固有難以實現(xiàn)低時延性能的問題，指出同時多個中繼設(shè)備利用同一頻段存在同頻干擾的情況。

2）提出了基于5G 直連通信的礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)架構(gòu)，包括井上管控平臺、傳輸網(wǎng)、中繼器以及礦用應(yīng)急救援終端。提出一種基于5G 直連通信的礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計了設(shè)備標識與直連通信鏈路時頻資源位置的映射方法，設(shè)備通過預配置的前傳鏈路和回傳鏈路傳輸資源位置、無需建立路由連接即可實現(xiàn)與相鄰前端設(shè)備和后端設(shè)備通信鏈路，利用時域資源循環(huán)復用的方式實現(xiàn)鄰近中繼設(shè)備之間的資源空分復用和同頻干擾規(guī)避，實現(xiàn)低時延、高可靠、免調(diào)度、極簡路由的礦井應(yīng)急通信中繼路由機制。

3）按照5G 典型的子載波間隔SCS 配置和常規(guī)應(yīng)急通信中繼設(shè)備20 跳組網(wǎng)需求，分析了設(shè)計的5G 直連通信中繼組網(wǎng)機制下的系統(tǒng)性能，傳輸資源間隔數(shù)量為3、中繼設(shè)備20 跳、載波間隔30 kHz 的情況下，可以實現(xiàn)空口時延25 ms；在傳輸資源間隔數(shù)量為4 時，中繼設(shè)備功耗降低25%，在20 跳，載波間隔30 kHz 的情況下，可以實現(xiàn)空口時延30 ms；采用更高的子載波間隔空口時延會進一步降低。