一、研究背景
矿井无线通信系统可分为全矿井无线通信系统和局部无线通信系统（装置）两大类：全矿井无线通信系统传输带宽大、覆盖范围广，一般布置在井下巷道、硐室和采掘工作面等作业点，满足矿井语音、图像和部分数据的接入需求，如 4G，WiFi（IEEE 802.11b/g/n/ac），5G，WiFi6（IEEE 802.11ax）等系统；局部无线通信系统（装置）主要解决矿井局部区域传感数据采集上传和局部语音通信的需求，如漏泄通信、中频感应通信、ZigBee 和 UWB 等系统（装置），少数也有 WiFi 用于矿井局部通信的情况。本文主要讨论全矿井无线通信系统。
二、矿井无线通信系统现状
从全国规模以上矿井来看，小灵通、2G和3G（CDMA2000、TD-SCDMA、WCDMA）通信系统已逐步被取代和淘汰，4G无线通信系统、WiFi无线通信系统使用较为普遍，而近两年新投入的5G和WiFi6无线通信系统目前还处于起步阶段。
1、4G无线通信系统
矿用4G无线通信系统主要功能：① 音视频通信。提供语音、视频、短信等业务通信功能。② 多媒体集群调度。支持语音、视频、短信、数据等集群调度业务及实时视频、数据回传分发功能，具有组呼、群呼、强插、强拆、会议、录音和监听等功能。③ 视频监控。通过井下摄像仪及手机终端摄像并回传，实现即时视频监控。④ 数据传输。监测监控系统、人员定位系统及各种传感器数据的无线传输等。
矿用4G无线通信系统主要优点：① 组网灵活。4G采用全IP的分布式结构，融合性好，可与WiFi等不同无线技术在同一架构下实现融合、共存，并可方便地与采用软交换技术或IP-PBX交换机的有线网络调度通信系统融合，形成井上下有线无线一体化的综合调度通信系统。② 覆盖范围广。矿区地面基站覆盖半径不小于5 km，井下覆盖范围800 m，并能适应不同规模组网，大大减少基站数量。③ 技术和产品成熟。4G系统稳定性和对环境的适应性不断提高，终端设备相对丰富。
矿用4G无线通信系统主要缺点是带宽和实时性指标方面无法达到高清智能视频和远程控制等应用场景的需求。
2、5G无线通信系统
5G在煤矿的可应用场景：① 超可靠、低时延通信。无人驾驶运输、设备远程操控、移动设备实时监控、煤矿机器人控制等。② 增强型移动宽带。井下视频监控、语音通信、广播调度、智能终端、虚拟矿山构建、混合现实采矿等。③ 低成本、低能耗、广连接。井下电子围栏、车辆运输管理、智能穿戴设备、安全系统监控、作业安全监控、人员精确定位等。
矿用5G无线通信系统的推广和使用目前仍处于起步阶段，终端方面5G手机、矿用CPE等已取得相关煤安认证，具备了井下应用条件，涉及R16 NB-IoT的矿用产品暂未完成煤安认证。
5G具有传输速率高、时延小、并发能力强、可靠性高等优点，但实际使用中存在以下问题：① 多系统、多天线情况下，无线发射信号的安全问题。根据GB 3836.1—2010《爆炸性环境 第１部分：设备 通用要求》，煤矿瓦斯气体环境中射频天线的发射功率不得超过６W，导致无线覆盖范围小、设备投资高、安装维护工作量大等问题，不利于推广。② 5G基站以隔爆兼本安型为主，质量大、体积大，使用不便且使用场合受限。③ 5G终端生态匮乏，通信模组价格高、功耗大，不具备规模行业应用条件。④ 实际应用案例少，应用场景有待进一步挖掘。
3、WiFi/WiFi6无线通信系统
目前WiFi/WiFi6无线通信系统主要用于以下方面：① 语音通话、语音调度。包括双向通话、组呼、群呼、强插、强拆、会议、录音和监听等。② 人员定位。利用场强大小和指纹特征等信息，判短手机持有人员所在大致位置。③ 视频传输。WiFi的特点之一是大带宽，可实现相对低成本但时延要求不高的视频传输。
WiFi6无线通信系统具有结构简单、成本低、传输速率高等优点，但时延偏高、移动性和可靠性相对较低，加上手机终端相对不够成熟，影响了语音通话质量。
三、智能矿井对无线通信系统的需求
智能矿井对无线通信系统的需求主要体现在以下方面：① 大带宽需求。满足移动视频监控、虚拟矿山构建、多媒体调度等大数据传输需求。② 低时延、高可靠需求。保证语音、高清视频的传输质量和远程控制功能的及时性和可靠性。③ 多接入需求。满足大量机电设备运行参数和环境参数等传感器数据的接入。④ 多系统多接口需求。满足环境监测监控系统、视频监视系统、IP广播系统、信息发布系统及各种传感器对接口的不同要求。⑤ 位置信息需求。人机作业安全、智能协同作业、无人化运输、井下机器人等应用都离不开对位置信息的需求。
四、矿井无线通信系统展望
1、系统融合
① 无线通信和有线通信融合。业务上实现数据、语音、视频等媒体的多制式融合通信。② 无线通信内部融合。③ 无线通信系统和其他系统的融合。除满足双向语音通信需求外，实现移动数据上传和指令有效下达。
2、通信定位一体化
① 通信系统和定位系统一体化设计，基站中既有通信的模组，也包含定位的模组，射频部分和天线部分视使用频段具体设计，可以是共用的，也可以是独立的。② 直接利用通信系统实现定位功能，使用新的编码方式、大规模天线阵列、毫米波频谱等，为高精度距离和角度测量提供支持，可望实现米级的位置监测。
3、设备本质安全
通信设备尤其是矿用通信设备最基本的要求就是不能断电，特别是在有灾害发生的情况下。因此，无线通信设备的本安化设计显得尤为必要。
4、终端模组低功耗
终端尤其是传感设备采用电池供电方式，要求一次更换周期6个月以上，这就要求终端模组必须是低功耗的。
5、协议接口规范化
无线通信和定位相关技术规范与标准的制定、颁布迫在眉睫，如涉及通信和定位的物理接口、空中协议、传输规范、数据交互等。
引用格式
霍振龙.矿井无线通信系统现状与发展趋势[J/OL].工矿自动化:1-6.
DOI:10.13272/j.issn.1671-251x. 17492.
HUO Zhenlong.Current situation and development trend of mine wireless communication system[J/OL].Journal of Mine Automation:1-6. DOI:10.13272/j.issn.1671-251x. 17492.
作者介绍
霍振龙（1965—），男，江苏常熟人，研究员，国务院特殊津贴获得者，中煤科工集团常州研究院有限公司首席专家，长期从事矿井通信和人员定位系统的开发工作，主持和参与科技部相关项目10余项，获省部级科学技术特等奖1项，省部级科学技术一等奖5项，获授权发明专利8项，现为《工矿自动化》编委、中国煤炭学会第五届煤矿自动化专业委员会委员。E-mail:hzl@cari.com.cn。
来源：工矿自动化
