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摘要：宽带无线通信是智慧矿山建设的基础和关键。提出了矿井宽带无线通信特殊要求：需无线全覆盖煤矿井下长达10余千米的巷道；无线发射必须本质安全防爆；无线工作频段不宜过高；无线传输宜具有一定的绕射能力；抗干扰能力强；移动性要求不高等。研究了矿用5G和WiFi6，指出5G和WiFi6均可用于智慧矿山宽带无线通信；矿用5G具有传输速率高、传输时延小、通话质量高等优点，但系统复杂、成本高；矿用WiFi6具有传输速率高、系统简单、成本低等优点，但传输时延大、通话质量低。
关键词：智慧矿山；5G；WiFi6；宽带通信；无线通信
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宽带无线通信是智慧矿山建设的基础和关键[1-8]。宽带无线通信主要有5G(5th Generation Mobile Networks或5th Generation Wireless Systems)和WiFi6等。矿井无线电信号传输衰减严重，无线电传输衰减模型复杂多变，卫星信号无法穿透煤层和岩层到达井下，煤矿井下有瓦斯等易燃易爆气体，矿井巷道长达10 km等制约着地面宽带无线通信技术和设备直接在矿井应用。因此，有必要针对智慧矿山需求和煤矿井下特点，研究矿井宽带无线通信技术5G和WiFi6。
矿井宽带无线通信系统除应满足传输速率高、时延小、并发数量大、可靠性高、性价比高等要求外，还应满足以下特殊要求。
(1)需无线全覆盖煤矿井下长达10余千米的巷道。煤矿井下巷道长达10余千米，巷道中布置有机电设备、车辆和行人，需无线全覆盖。
(2)无线发射必须本质安全防爆。煤矿井下有瓦斯等易燃易爆气体，无线发射必须本质安全防爆，无线发射功率受限。
(3)无线工作频段不宜过高。矿井无线传输衰减大，受巷道断面、分支、弯曲、支护、电缆等影响，无线电传输衰减模型复杂多变。无线工作频段越高，传输衰减越大，传输距离越近，绕射能力越差。在本质安全防爆条件下，无线工作频段大于2.4 GHz时，煤矿井下无线通信距离小于800 m。
(4)无线传输宜具有一定的绕射能力。采煤工作面布置有大量的液压支架，以及采煤机、刮板输送机、破碎机、转载机、带式输送机、液压泵站、移动变电站等。掘进工作面布置有掘锚机、带式输送机等。巷道中有带式输送机、电机车、胶轮车、绞车、开关等。煤矿井下空间狭小、设备多，难以保证无线视距传输，无线传输宜具有一定的绕射能力。
(5)抗干扰能力强。煤矿井下大功率电气设备启停、大功率变频设备工作时电磁干扰大，为保证系统正常工作，矿井宽带无线通信系统应抗干扰能力强。
(6)移动性要求不高。煤矿井下人员及车辆移动速度慢，对无线通信移动性要求不高。《煤矿安全规程》[9]规定，采用无轨胶轮车运人时运行速度不超过25 km/h，运送物料时运行速度不超过40 km/h。
5G是第五代移动通信技术的简称，是新一代蜂窝移动通信技术，是4G(包括TD-LTE和FDD-LTE)、3G(包括美国CDMA2000、欧洲WCDMA和中国TD-SCDMA)和2G(GSM和CDMA)蜂窝移动通信技术的发展(见表1)。5G标准由第三代合作伙伴计划(The 3rd Generation Partnership Project，3GPP)发布。
国际电信联盟(International Telecommuni-cation Union，ITU)定义了5G三大应用场景：增强型移动宽带(enhanced Mobile Broadband，eMBB)、高可靠低时延通信(ultra-Reliable Low-Latency Communication，uRLLC)和大规模机器类型通信(massive Machine Type Communication，mMTC)[17]。
表1 2G/3G/4G/5G工作频段及传输速率[10-16]
Table 1 Working frequency band and transmission rate of 2G/3G/4G/5G
eMBB具有较高的数据传输速率和频谱使用效率，支持3D/超高清视频等大流量移动宽带业务，支持8K视频的流畅播放和更先进的虚拟现实技术，支持实现生活和工作云端化，用户可随时随地使用强大的云计算技术，对信息数据进行计算和存储，处理复杂的数据，并减小能源消耗。
uRLLC具有数据交换快、时延低和99.99%的高可靠传输等特点，支持对时延和可靠性非常敏感的业务，如无人驾驶、工业自动化控制、远程医疗和视频实况直播等业务。
mMTC支持大规模物联网业务，支持大量的低成本、低能耗和长寿命的设备连接到网络中，实现家庭设备远程操控、大规模无人机精确控制、智能物流、智能交通等，促进智慧城市的发展。
5G上行峰值传输速率达10 Gbit/s，下行峰值传输速率达20 Gbit/s；在eMBB场景下时延小于4 ms，在uRLLC场景下时延小于1 ms[18]；可在高速移动环境下使用。
1997年，全球最大的专业学术组织电气电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)推出了世界上第一个无线局域网标准802.11，工作频段为2.4 GHz，数据传输速率为2 Mbit/s，实现了无线上网，解决了上网受网线束缚的问题。为满足日益增长的无线上网需求，IEEE先后推出了802.11a，802.11b，802.11g，802.11n，802.11ac等标准(见表2)，得到了大量厂商支持，获得了广泛应用，特别是广泛应用于宾馆、饭店、机场、车站、体育馆、会场、大学教室、图书馆、办公室、家庭等室内。
表2 WiFi工作频段及传输速率[19-25]
Table 2 Working frequency band and transmission rate of WiFi
随着手机和平板电脑等无线终端的普及和应用，人手1部或多部无线终端成为常态。无线终端接入数量的大幅提升，对无线接入带宽、并发数量、时延等提出了更高要求。为满足人们对无线接入的需求，IEEE 802.11工作组从2014年开始研发新的无线接入标准802.11ax，数据传输速率高达9.6 Gbit/s[25]。2018年10月，WiFi联盟为便于人们区分802.11ax和之前的WiFi标准，决定将802.11ax标准命名为WiFi6，802.11ac标准称为WiFi5，802.11n标准称为WiFi4。
WiFi6与WiFi5相比，在传输速率、并发数量、时延等方面有较大提升。WiFi6工作在2.4 GHz和5 GHz，传输速率达9.6 Gbit/s，每个WiFi6接入点最多可接入1 024个无线终端，并发用户数最大可达74个[25]，网络时延不大于20 ms[26]。WiFi6不但能满足机场、车站、公园、高校、体育场馆等人员密集场所无线上网需求，还可应用于智能楼宇、智慧园区、智慧仓储等联网设备高度密集的场景。
5G是蜂窝数字移动通信技术，既可用于广域高速移动通信，又可用于室内无线上网，具有传输速率高、时延小、并发能力强等优点，但系统复杂、成本高。WiFi6是无线接入技术，主要用于室内无线终端上网，具有传输速率高、系统简单、成本低等优点，但不适用于高速移动通信。矿用5G和WiFi6具有以下特点。
(1)5G上行峰值传输速率达10 Gbit/s，下行峰值传输速率达20 Gbit/s。WiFi6在80 MHz带宽下，单条空间流的峰值速率为600 Mbit/s[25]，在带宽为160 MHz、8条空间流的情况下，峰值速率达9.6 Gbit/s。煤矿井下上行传输数据量远大于下行。因此，在煤矿数据传输方面，5G与WiFi6相当。
(2)5G在eMBB场景下时延小于4 ms，在uRLLC场景下时延小于1 ms。WiFi6平均时延为20 ms，远高于5G的时延。因此，在时延方面，5G优于WiFi6。
(3)5G移动性强，跨区连接速度快，可实现跨区网络无缝切换。WiFi6跨区建立连接慢。煤矿井下人员及车辆移动速度慢。因此，在移动性方面，5G和WiFi6均可用于煤矿井下，但5G语音通信优于WiFi6。
(4)5G系统复杂、成本高，WiFi6系统简单、成本低。因此，在系统建设投入方面，WiFi6优于5G。
(5)5G工作在毫米波频段时，虽然能提供较高的传输速率，但在煤矿井下，特别是在采掘工作面的通信距离将大幅下降，难以满足智慧矿山需求。
(1)提出了矿井宽带无线通信特殊要求：需无线全覆盖煤矿井下长达10余千米的巷道；无线发射必须本质安全防爆；无线工作频段不宜过高；无线传输宜具有一定的绕射能力；抗干扰能力强；移动性要求不高。
(2)研究了矿用5G和WiFi6：5G和WiFi6均可用于智慧矿山宽带无线通信；矿用5G具有传输速率高、传输时延小、通话质量高等优点，但系统复杂、成本高；矿用WiFi6具有传输速率高、系统简单、成本低等优点，但传输时延大、通话质量低。
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|来源：工矿自动化
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