5G通信技术及其在煤矿的应用构想

胡松伟

（中国平煤神马集团中平信息技术有限责任公司，河南平顶山，467000）

0 引言

煤矿开采的过程伴随着巨大的风险性，随着通信技术的发展在矿井开采的过程中使用通信技术能够提升煤矿开采的安全性。我国在煤矿行业发展之初就一直致力于矿井通信技术的研发，近年来随着感应技术和透地通信技术的出现，通信系统得到不断的优化和完善。尤其在2010年之后，煤矿无线通信技术获得了巨大的飞跃，但是因为矿井的工作环境比较特殊，加上工作流程也比较复杂，因此对于宽带网络的要求较高。因为矿井工作需要采用视频监控，这就对于通信的流畅性也产生了需求。从当前技术出发，5G通信技术在煤矿行业中的应用能够促进语音图像等文件的良好传输，除此之外还能满足矿井的基本通信业务需求。但是煤矿行业本身对通信质量和通信效率都有更严格的要求，因此5G技术在突破传统无限通信技术局限性的同时还有着巨大的发展空间，因此在未来的发展过程中积极对5G通信技术进行优化和升级，从而保证矿井物联网的建设得以顺利进行，从而确保通信链路科学建立。

1 5G技术优势

1.1 核心技术简述

5G的诞生是伴随着多种场景的出现，因为人类社会的发展导致人类对于极端差异需求的满足欲望越来越强烈。因此5G技术的基础并非某种单一技术，主要是因为它解决的问题也并非单一场景。5G技术的主要核心是无线技术和网络技术，从无线技术角度来探讨5G技术，可以看出5G技术通过无线阵列和超密集组网等大规模的频谱介入技术来实现5G网络的排布。而网络技术领域则需要软件的支持，例如SDN和虚拟化网络架构，这些广泛应用的网络架构不仅能够让正交频得到良好的复用，还能让滤波器组能够实现灵活双工，从而能够让密度检验得到良好的降低，实现对网络编码的科学合理检验。而这些正是5G技术的核心技术，这些核心技术共同促成了5G技术强大的发展空间，实现了5G通信技术的飞跃和发展。

1.2 5G通信技术的优势

5G的关键技术之所以占有一定的优势是因为它的通信系统具有更强大的功能性，尤其与前几代通信技术作比较就会发现5G通信技术的传输效率得到了显著的提升，而且延迟性得到良好的降低，除此之外其容量也得到了一定的增大。

1.2.1 体验速率高

5G通信技术船速速率得到显著提升是业界产生的共识，其中每秒的传输可达到1G的速率，从而提高用户的体验感。尤其在真实网络环境中，传输速率的良好提升能够让用户获得更好的体验感，

1.2.2 连接密度高

5G通信技术的另一个优势在于能够最大限度的扩充在线设备数量，传统的通信技术无法保证单位面积上过多的设备在线，但是5G技术解决了这一问题，能够实现没平方千米100多个在线设备同时在线。

1.2.3 延时比较低

在传统的通信技术中，延时问题一直都是制约传输的主要问题。较短的延时能够确保通信内容良好的传达，避免传输事故。5G技术将延时最大限度的降低到1毫秒，从而实现了较低的延时。

1.2.4 移动性较好

传统的通信技术在移动过程中会出现一定的信号丢失，影响传输质量。但是5G技术能够在移动的过程中也做到收发双方的信号稳定，因此可以更好的实现在移动中的信息传输。通常收发双方的移动速度最高可以达到500km/h。

2 矿井5G技术的架构讨论

2.1 系统组成

煤矿开采的施工环境比较复杂，因此通信系统的构成也与普通的5G通信系统相异。在矿井的5G通信系统当中，核心网络平台构成指挥中枢，地面的基站则负责进行信号的发送和接收。井下的基站是为了实现更好的信号传输，因为煤矿的矿井往往信号强度弱。除此之外，井上井下的HUB和AAU需要进行良好的覆盖，然后才能通过IR接口实现室内室外的基带连接，尤其要注重对井下的RRU网络覆盖，这样才能通过井上与井下的相连完成数据和信息的传输。

2.2 组网简要介绍

5G的网络部署并非只是独立组网的部署，通常来说包括非独立组网和独立组网两类。NSA组网需要4G网络基础的支持，但是它借用4G核心网进行部署，然后实现5G网络的组建，这种组建方式能够更好的实现5G网络的长期演进，从而实现联合组网。这种组网方式能够在初期完成快速的网络组建，而且成本比较低，但是因为灵活性不高，所以会给后期的部署工作带来巨大的工作量。而SA则是属于5G网络的新建，它不借助任何网络，只是重新搭建5G网络，这样能够实现基站和基础设施的部署和建立。因为SA是重新部署，因此其初期成本会比较高，但是因为鲜有的4G基站也可以在SA部署的过程中获得良好的升级和更新，因此SA的架构形态能够实现更好的功能性。而且其最终形态是5G基站与5G核心网络的连接，同时还能摒除4G网络的依赖性。这种组网方式能够更好的视线5G网络的新功能，并且满足地下矿井的无限通信需求。但是煤矿开采的地下矿井情况不同，在选择组网的过程中要充分考虑煤矿的情况，然后进行组网方式的选择，这样才能充分实现煤矿矿场良好的通信功能。

3 5G通信技术的矿井应用

现代煤矿开采朝着更加智能化的角度发展，不仅要实现煤矿作业人员的物联，更加要实现高速通信网络的搭建。但是煤矿矿山的环境比较复杂，在进行组网的过程中还需要考虑到实景的情况，这就需要对矿山数据进行深层次的挖掘，从而实现大数据和云计算等的综合应用。煤炭行业在不断创新的过程中也需要进行更加智能化的通信更新，但是5G通信网络技术将这些内容具体的联系起来，然后通过发挥5G通信技术的优势从而完成井下通信技术的发展。

3.1 无人驾驶和智能运输应用

矿井的工作对安全性要求较高，近年来许多矿井在开采的过程中通过无人驾驶来完成工作，这样可以降低工作人员的安全隐患。但是无人驾驶需要良好的无线网络支持，这样才能保证机器与机器之间良好的对接，而机器与机器之间的这一对接需要通过无线网络来实现，这就给井下网络通信提出了一个难题。5G技术的出现能够为井下提供更良好的宽带环境，在增加传输速度和提升传输效率的过程中，能够保证机器与机器之间的精准定位和对接。尤其在无人驾驶的过程中，5G通信技术能够实现对3D地图的转换，从而让传感器的感知能力得到显著提升。而5G网络也为其他设备，例如安全监测设备和定位设备提供了必要的网络环境，从而良好地保证了地下运输车辆的无人驾驶功能实现。除了无人驾驶技术以外，运输系统的自动化也需要良好的通信网络，因为井下运输必须要精确。而传统的通信技术不能对井下的煤流和无聊进行良好的检测，从而保证自动化运转装置的协调。5G技术的出现不仅能够确保附近环境和相关参数信息的良好的监测，还能让车辆运输和设备运行的效率得以提升，从而确保系统运转的良好性。

3.2 矿井位置的良好服务

井下定位系统和跟踪系统能够保证煤矿开采的顺利进行。目前我国煤矿开采中往往需要进行定位系统和跟踪系统的安装，这些定位系统的安装需要根据矿井的具体情况来来设计。因为这些系统不仅需要满足矿井的需求，还需要满足其也无需求。现代煤矿开采的机械化程度逐渐提升，这意味着未来煤矿开采的人数会不断降低，无人化的需求加深了对定位系统和跟踪系统的质量和技术要求，良好的通信技术才能保证定位系统更好额而工作。5G技术通过天线的排布来实现高频段的通信任务，从而保证定位系统能够精准的对井下情况进行定位。

3.3 辅助实现远程操控

远程操控设备是5G通信技术与矿井结合的重要方面，因为远程设备控制能够实现对井下开采过程的推动，因此远程控制设备需要更多的通信资源才能实现其功能。这就意味着远程控制对于网络的时效性要求较高，但是煤矿矿井的井下环境比较复杂，而且网络通信控制的链路比较长，这就导致远程控制设备本身的功能实现存在一定的问题。5G技术能够通过降低延时性来实现控制网络的良好，从而为井下控制设备的运转提供良好的通信环境。除此之外，井下作业也需要其他掘进机和采煤机的共同运作，而5G通信技术一旦应用就能保证这些数据快速生成，从而确保液压支架等信息的良好，地面能够通过传感器对井下的情况进行良好的了解，从而生成良好的影响。这些数据往往具有数目繁多，体量巨大的特点。如果仅仅依靠传统网络，并不能实现高效率和高速度的传输，而且现代井下开采技术还需要进行可视化模型，这就需要工作人员对工作现场进行跟踪，从而实现远程控制，保证可视化系统的正常运转。

3.4 远程故障诊断

井下设备一旦出现故障很容易导致开采的安全事故，因此对井下设备的安全诊断具有重要的意义。5G网络技术能够提供更好的通信传递，一旦传感器感知到设备出现故障之后，能够与云端平台进行沟通，数据库通过备份数据来对现有故障进行诊断和处理。对设备的主动监测能够让系统对故障类型进行更好的判断，从而进行不同应对方案的撰写。以往的维修过程需要维修人员的亲自介入，但是5G网络介入之后，通过远程故障诊断可以更好的对井下情况进行判断，从而减少了维修难度。5G技术与VR技术的结合是井下通信技术的革新，因为回传井下高清视频能够让地面人员对井下设备有更好的观测和指导。甚至对于某些系统故障，系统可以根据具体的故障情况进行自动分析，然后智能化系统会进行自我调整与修复，对于这种故障，工作人员不需要进入井下就能实现对设备的维修。不仅解决了故障问题，还保障了工作人员的安全。

4 结束语

煤矿开采事关我国的能源事业发展，不断提升煤矿开采技术的科学性有助于提升煤炭事业的发展质量。近年来我国不断优化相应的设备技术，但是这些设备技术需要通信技术的连接才能保证设备的功能得以发挥。5G通信技术的到来，让煤矿开采得到更好的网络支持。从目前我国5G网络架构和设备及部署来看，煤矿行业的5G技术部署方式仍然存在一定的多元性和不确定性，这意味着5G技术在煤矿行业的应用还存在更多的空间，因为目前其产业链尚不够完整，而且煤矿行业本身对于5G技术的应用深度和广度都有待完善。除此之外，煤矿行业本身在发展过程中就需要对发展成本进行估量，而5G网络虽然能够实现煤矿开采的效率提升，但是其成本也不低。这意味着在未来的发展过程中，煤矿行业既要注重于5G网络的良好的结合，还要考虑到5G通信网络建设的成本，不断降低成本的同时还要保证井下物联网的建立。